Uzaylı Isı Sistemlerindeki Mikro Kanal Heat Exchangers Kullanımı

Giriş Giriş Giriş

Daha derin uzay araştırmalarının ve daha sofistike Dünya gözlemlerinin sürekli peşinde, her elektronik bileşen, uzay aracı ısı yönetimi sistemleri üzerinde olağanüstü talepler yer almaktadır. Uzaylı çalışma, sert vakum, yoğun güneş radyasyonu, güneş ışığı ve gölgeli yüzler arasındaki aşırı sıcaklık hızları, ve mikrogravity. Bu koşullar altında, her elektronik bileşen, ısı değiştiricileri, daha yüksek ısı transferleri için daha yüksek ısıtılmış ısı transferleri ve yüksek çözünürlükte daha yüksek enerji tasarrufu sağlar.

Mikro Kanal Heat Exchangers Nedir?

Mikro kanal ısı değiştiricileri, ısının sıvılar arasında transfer edildiği cihazlardır (yalnızca 0.1 mm'den 0,5 mm'ye kadar yüksek bir yüzey-fayda-to-volum oranı yaratır) Geleneksel ısı transfer katlarının hidrolik çapıdır, bu genellikle 1 milimetreden daha azdır - 0,5 mm aralığına kadar.

Tasarım ve Geometri

Tipik bir mikro kanal değişimi, düz plaka veya dikdörtgen bir temelde ayarlanan birden çok paralel kanaldan oluşur. Kanallar dikdörtgen, tuzak veya kesitte, üretim yöntemine ve performans gereksinimlerine bağlı olarak, ancak yüksek yüzey alanı hala bir sıvının bir plaka ve diğer sıvı akışları geleneksel bir betonda yüksek çözünürlükte, ince bir duvar kaplama tasarımları ile ayırt etmesi gerekir.

Malzemeler ve İmalat

Uzaylı uygulamalar hafif, korozyona dayanıklı olan malzemeler talep eder ve vakum, termal bisiklet ve radyasyona devam edebilir. Uzaydaki MCHE'ler için ortak malzemeler alüminyum alaşımlar, titanyum, paslanmaz çelik ve bakır. alüminyum düşük yoğunluk ve iyi termal iletkenliği için tercih edilirken, titanyum yüksek sıcaklıklarda olağanüstü korozyon direnci ve gücü sunar.

Üretim yöntemi seçimi malzeme, kanal büyüklüğü, üretim miktarı ve maliyet kısıtlamalarına bağlıdır. Havacılık endüstrisi genellikle vibrasyon ve termal bisiklet altında güvenilirlik sağlamak için her tasarım için titiz nitelik ve test gerektirir.

Spacecraft için Avantajları

Mikro kanal ısı değiştiricileri geleneksel ısı değiştirici teknolojileri üzerinde birkaç ilgi çekici avantaj sunar (örneğin, plaka-fin, kabuk-ve-tube veya finned-tube) uzay görevleri için.Bu avantajlar doğrudan sıkı kütle, hacim ve performans gereksinimlerine hitap eder.

Heat Transfer Performansı

Yüksek yüzey-taa-to-volume mikro kanal oranı, tipik olarak 5 ila 10 kat daha yüksek olan ısı değiştiricileri tek fazlı akış için ve hatta iki fazlı akış için daha yüksek, verilen bir termal görev için, bir mikro kanaldan oluşan ısı transfer katları daha küçük olabilir. Örneğin, yüksek güçlendiricileri için kullanılan yüksek çözünürlükte yalnızca bir miktar geleneksel plaka-ve-fin tasarımı için izin verir.Bu, elektronik ambalajlama çalışmaları için daha yüksek çözünürlükte, MCHE'lerin genel ısı transfer katlarını 10.000'den fazla alabilir.

Mass ve Volume Savings

Uzaylı kütle doğrudan maliyetle bağlantılıdır - her kilogram tasarruf edilen görev masraflarını önemli ölçüde azaltabilir. Microchannel ısı değiştiricileri aynı ısı yükleri veya propresyon sistemleri için eşdeğer geleneksel birimlerden% 80 daha küçük ve hafif olabilir. Bu, küçük uydular için özellikle önemlidir (örneğin, CubeSats ve mikrosatellites) ki, termal kontrol alt sistemlerde MCHE'leri kullanarak, mühendisler ek ücret yükleri veya propresyon sistemleri için uzaydan tasarruf edebilir.

Harsh Ortalarında Yenidenlik

Mikro kanal tasarımları genellikle iki fazlı soğutma (boiling) ile tüm metal inşaatı çekirdekte ya da satılan eklemler ile sunar, paslanmaz çelik - yüksek su veya amonyak (kommon uzaylı sıvıların) ve düşük Dünyadaki atomik oksijene de yol açar.

Uzaylı Isı Sistemlerinde Anahtar Uygulamaları

Mikro kanal ısı değiştiricileri geniş bir uzay aracı alt sistemlerde, her biri ayrı termal taleplerle çalışmaktadır.

Elektronik Soğutma

Yüksek güç elektronikleri – radyo frekansı yükselteçleri, güç dönüştürücüleri, veri işlemcileri ve lazer diyotları gibi – performans bozulmasını veya başarısızlığı önlemek için hızla kaldırılmalıdır. Mikro kanal soğuk plakalar veya ısı parçaları, ısı kaynaklı bileşenlere doğrudan bağlanır, örneğin, Uluslararası Uzay İstasyonunun ısıtılmış bir sıvı döngüsü ile ısıtılır.

Propulsion System Thermal Management

Elektrikli tahrik sistemleri, Hall- effect pushers ve iyon motorları gibi, sert duvarlarda zorlanan yüksek sıcaklık yakma ürünleri, yakıt işleme birimleri ve yakıtlı besleme hatları kullanarak tekrar jeneratif olarak yönetilebilir. Mikro kanal ısı değiştiricileri bu sıcaklık kontrol döngüsüne entegre edilebilir.Bu yaklaşım genel sistemi ve ısıtılabilir.

Yaşam Desteği ve Kabin İklim Kontrolü

Mürettebatlı uzay aracı için, rahat ve güvenli bir kabin ortamının bakımı, hassas sıcaklık ve nem kontrolü gerektirir. Mikro kanal ısı değiştiricileri kabin hava soğutma döngüsünde kullanılır, hava ne kadar nem çıkarmak ve ısınır. kompaktlıkları özellikle de her metre inç değerli modüllerde değerlidir. Örneğin, çevresel kontrol ve yaşam destek sisteminde kompakt ısı değiştiricileri kullanır (ECLSS).

Uydu Payload Termal Düzenleme

Uzaktan algılama aletleri, teleskoplar ve iletişim yükleri genellikle gerekli hassasiyet ve istikrar elde etmek için sıkı sıcaklık kontrolü gerektirir. Microchannel termal kayışlar veya ısı değiştiricileri, ısıtıcısı için kullanılan bazı kriyojenik soğutma sistemleri ile bağlanabilir, geostations veya iki aşamalı olarak, yüksek güçlendiricileri küçük bir hacimde yüksek verimlilik sağlamak için mikro kanal ısınır.

Meydanlar ve Mühendislik Çözümleri

Avantajlarına rağmen, mikro kanal ısı değiştiricileri güvenilir uzay ışığı operasyonu için ele alınması gereken eşsiz mühendislik zorlukları sunuyor.

Fouling ve Clogging

Küçük kanal çapındaki yüzeyler, kapalı bir uzay aracı ısı sistemi ile, parçacıkların bunu azaltmak için, mühendisler kanal genişliğinden daha küçük olan kablolar, kaynak tozu veya korozyon ürünleri) ek olarak, sıvı döngüler tamamen temizlenmiş ve geçilmiş bir uzay aracı ısı sistemi, bazı tasarımları "kontrollü kapak" veya kimyasal reaksiyonları azaltılabilir.Bu sayede, mühendisler iyi niyetli sistemler (kullanıcılar kanal kaplamalarını azaltırlar.

Üretim Kompleksi

Kumaşı, sabit toleranslarla ilgili eksik mikro kanallar, özellikle de titanyum gibi egzotik malzemelerde, kanal boyutlarındaki küçük değişiklikler bile, ısı performansının azaltılması veya iki fazlı sistemlerdeki yerelleştirilmiş kuru temizlemeye neden olabilir. Katkıda bulunan ilerlemeler, bu şekilde akış dağıtımını sağlayan entegre manifoldlara ulaşmak için hitap etmeye yardımcı olur. Ancak, uzayflight için katkı sağlama yeteneği hala devam etmektedir.

Termal ve Mekanik Stresler

Mikro kanal çekirdeği genellikle ince duvarlı ve vibrasyonları başlatmalıdır (20 g veya daha fazla) ve bu stresi yönetmek için ısınıcıdan yüksek sıcaklıklara kadar termal bisiklet tekrarladı. Temel ve manifoldlar arasındaki diferansiyel genişleme, stres konsantrasyonları tahmin etmek veya sızdırmak için stresleri teşvik edebilir.

Future Developments and Research

Uzaylı termal yönetimin evrimi, mikro kanal ısı değiştirici teknolojisini daha büyük verimlilik, güvenilirlik ve adaptasyona doğru itmeye devam ediyor.

Two-Phase Microchannel Soğutma

Mikro Kanallarda iki fazlı ısı geçişi, tek fazlı akıştan daha yüksek ısı kaldırma oranları sunar, kanal boyunca neredeyse sabit bir sıcaklık sürdürmenin ek yararı ile mikrogravity'deki karmaşık sıvı dinamikleri -özellikle de yerçekimi, yüzey gerilimi ve buhar momentumu arasındaki etkileşim - uzay uygulamaları için iki fazlı tasarımları aktif bir araştırma konusu olarak gerçekleştirmektedir.

Katkı İmalatı ve Tasarım Özgürlüğü

Katkı üretimi (AM) mikro kanal ısı değiştirici üretimine devrim niteliğindedir. AM ile mühendisler ısı akışını takip eden organik, eğrili kanallar oluşturabilirler, tuzak kirleticileri ortadan kaldırır ve doğrudan temele bağlanırlar.Bu, kaynaklanmış veya yumuşaklık oranını azaltırlar, güvenilirlik sağlarlar.

Gelişmiş Termal Kontrol Mimarileri ile entegrasyon

Geleceğin uzay misyonları veya uzun süredir tahliye edilen keşifler için özellikle bunlar, bir pompalanmış sıvı döngünün ısı boruları ile ısı geçişi yapan daha sofistike bir ısı kontrol mimarisine ihtiyaç duyacaktır, ısı boruları ve termoelektrik soğutucuları için. Örneğin, bir sistem, bir ısı boruyu pasif bir şekilde ısı geçişi için bir ısı geçişi için bir ısı geçişi için bir ısı geçişinin kullanımını da araştırır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Mikro kanal ısı değiştiricileri modern uzay aracı termal yönetimde vazgeçilmez bileşenler haline geldi, üretim karmaşıklığı ve ısıtılmış termal performans sağlama konusunda dramatik azaltımlar sağlarken, yüksek güç elektroniklerinden yaşam destek sistemlerini ve ileri ittileri desteklemeleri için, bu kompakt cihazlar sayısız görevde değerini kanıtlamıştır.

Uzaylı termal kontrol hakkında daha fazla okuma için, NASA Termal Kontrol Sistemleri sayfasını bakın:0)NASA Goddard Thermal Control Subsystem) ve Avrupa Uzay Ajansı'nın bakışı:2.A Thermal Control). İki fazlı uzay uygulamaları hakkında ayrıntılı bir çalışma, INFLT:4Applied Thermal Engineering[FLT: 5)