Система охлаждения газ 24: Система охлаждения ЗМЗ-402, проблемы и решения.

Система охлаждения Волга | Запчасти для тракторов, грузовой и спецтехники на MTZ.in.ua

• Главная
• Система охлаждения Волга

Производитель

• TEMPEST
• Дорожная карта
• н/в
• Оренбургский радиатор
• Пекар г.
  Санкт-Петербург

Сортировка:

Результаты: 1 — 26 из 26

Перегрев двигателя-причины и поиск неисправности / Блог им. Teh / Волга-клуб Уфа

Перегрев двигателя

Во-первых, проверьте, нет ли картонки и т.п. перед радиатором, которая была вставлена, чтобы двигатель меньше остывал.

Во-вторых, проверьте, достаточно ли охлаждающей жидкости в расширительном бачке и в радиаторе. Если уровень жидкости по какой то причине снижен, то следует ее долить и поискать течь в системе охлаждения. Доливать можно любой «Тосол» (вообще-то «Тосол»» – одна из торговых марок антифриза с различными добавками), никакого свертывания и никаких осадков не будет. Не стоит доливать воду, разве что через неделю вы собираетесь менять всю жидкость в системе охлаждения.

Течь в системе охлаждения несложно обнаружить по пару и потекам. «Тосол», попадая на горячие железки двигателя, тут же испаряется и образовавшийся пар, при открытом капоте, обычно легко заметить. Если же пара не видно, то следует искать потеки. Они могут быть сухими или влажными, все зависит от количества вытекающего «Тосола», т.е. от того, успевает он высохнуть или нет. Наиболее вероятна утечка охлаждающей жидкости в радиаторе, на стыках водяных резиновых шлангов и под помпой. В последнем случае текущую помпу следует заменить. Течь «печки» автомобиля можно обнаружить по запотевшим стеклам и характерному запаху в салоне.

Использовать для устранения течи различные добавки («антитечи») можно только в том случае, если вам надо доехать всего лишь до гаража (например, вернуться из командировки или отпуска), чтобы после этого заняться ремонтом и промывкой системы охлаждения. Собственно, для этого все «антитечи» и сделаны.

Третья возможная причина перегрева двигателя заключается в следующем. Вода, как известно, кипит при температуре 100˚С, а «Тосол», в зависимости от марки, может закипеть и при 105˚С. В то же время все японские двигатели имеют высокую степень форсированности, которая предполагает, помимо всего прочего, и его высокую рабочую температуру. Например, при быстрой езде температура некоторых частей головки блока цилиндров современного автомобиля превышает 120˚С. Более того, даже при спокойной езде головка блока у всех автомобилей нагревается выше 100˚С, а вода в системе охлаждения при этом не кипит. Почему? Просто в системе охлаждения японских двигателей поддерживается повышенное давление, которое обеспечивается за счет большого коэффициента объемного расширения «Тосола».

Система охлаждения при этом, конечно же, должна быть герметичной. Тогда после прогрева двигателя давление в ней поднимется, и, согласно законам физики, охлаждающая жидкость при скоростной езде кипеть не будет. В противном случае в головке произойдет местное закипание, образовавшийся пар начнет «выгонять» «Тосол» в расширительный бачок и дальше на улицу, ну, а двигатель, естественно, перегреется. При этом картина будет точно такая же, как и при «пробитой» прокладке: пузырьки, пена, полный расширительный бачок и т.д., то есть все то же, что наблюдается и при прорыве газов в систему охлаждения.

Чаще всего негерметичность системы охлаждения обусловлена неисправной пробкой радиатора. В этом случае течи вы не обнаружите, а давление в системе охлаждения подниматься не будет. Если пробка радиатора исправна, то по мере прогрева двигателя давление в системе охлаждения постепенно будет повышаться, что легко определить по упругости резиновых водяных трубок. Если же этого не наблюдается, замените пробку новой. И желательно, чтобы она не была привезена из «Поднебесной».

И последняя «популярная» причина перегрева двигателя обусловлена неэффективностью его системы охлаждения. К этому может привести забитый радиатор охлаждения, сгнившие лопасти помпы, заклиненный термостат и не работающий вентилятор. Все это вызывает перегрев двигателя. А поскольку весь двигатель нагревается неравномерно, то всегда будет местное закипание охлаждающей жидкости. Образовавшийся при этом пар начнет «выгонять» «Тосол», его нехватка тут же вызовет еще больший нагрев и «пошло – поехало»… Но головку блока-то при этом снимать не надо!

Итак, при перемещении стрелки указателя температуры двигателя выше середины, ваши действия должны быть следующими.

1. Немедленно включить «печку» на полную мощность.

2. Перестроиться, выбрать место и остановиться. Двигатель не глушить.

3. Открыть капот и определить, работает ли электрический вентилятор охлаждения радиатора (если он, конечно, есть), заклинена ли вязкостная муфта (если она есть). Последнее можно определить по создаваемому ей мощному воздушному потоку и шуму.

4. Заглушить двигатель и пощупать радиатор. Если он холодный, то, возможно, неисправен термостат. Если чуть теплый – значит, или радиатор забит грязью, или неисправна помпа. Кстати, проверьте натяжку ее приводного ремня.

5. Дайте двигателю остыть. Откройте заливную пробку радиатора и долейте в него охлаждающей жидкости. Если вы будете доливать жидкость в еще не остывший двигатель, то головка блока может треснуть или стать «домиком». И тут уже без серьезного ремонта не обойтись.

6. Можете продолжать движение, но при этом следует меньше давить на педаль газа и чаще поглядывать на приборы. Лишних пассажиров желательно высадить и двигаться в направлении гаража.

Проверить, действительно ли в двигателе вашего автомобиля пробита прокладка или нет, можно по следующей методике.

1. Двигатель должен быть полностью остывшим.

2. Отсоедините резиновую трубку от расширительного бачка (ту, что идет к пробке радиатора).

Опустите конец отсоединенной трубки в чашку с чистой водой.

3. Запустите двигатель и наблюдайте за концом трубки.

Через несколько минут после запуска двигателя из резиновой трубки начнут «выскакивать» пузырьки. Это вытесняется воздух из самой трубки. Затем из трубки начнет выходить «Тосол». Поскольку вода в чашке чистая, его хорошо будет видно. Если при этом в течение примерно 10 минут из трубки не будет видно пузырьков, то можно говорить о том, что прокладка головки блока целая. Ведь двигатель еще холодный, и ни о каком закипании речи быть не может. Поздравляем вас!

«Легион-Автодата»

Название 24 Калифорния | Название 24

Типичный новый калифорнийский дом в центральной долине и пустыне имеет газовую печь и сплит-систему кондиционирования воздуха. В некоторых районах тепловой насос обеспечивает как обогрев, так и охлаждение, исключая печь. В прибрежном климате и в горах кондиционирование воздуха используется редко, и большинство новых домов отапливаются газовыми печами.

 

Отопление и охлаждение обычно подаются в каждую комнату через воздуховоды. Большинство обязательных мер и предписывающих требований Раздела 24 основаны на этом типе системы. Хотя стандарты Раздела 24 сосредоточены на типичной системе, они также применяются и к другим системам, включая водяные системы, в которых горячая вода распределяется для обеспечения хотя бы части тепла. к кондиционируемому пространству; в отличие от канальных систем, которые распределяют нагретый воздух для обогрева помещения.

 

Системы электрического сопротивления также используются в некоторых областях и приложениях, хотя им трудно соответствовать стандартам Раздела 24. Системы геотермального теплового насоса (геообмена) также используются, особенно в районах, где нет газовой службы.

 

Размеры оборудования

Жилищные стандарты Раздела 24 не устанавливают ограничений на размеры отопительного оборудования, но требуют расчета отопительных нагрузок для новых систем отопления. Негабаритное оборудование обычно работает менее эффективно и может создавать проблемы с комфортом из-за чрезмерной цикличности и интенсивного воздушного потока. Так же, как и для отопительного оборудования, стандарты Титула 24 не устанавливают ограничений на размеры холодильного оборудования. оборудования, но они требуют расчета охлаждающих нагрузок для новых систем охлаждения. Избегание чрезмерного размера особенно важно для охлаждающего оборудования, поскольку эффективность снижается, когда система часто включается и выключается.

 

Воздуховоды и воздуховоды

Производительность системы распределения воздуха может иметь большое влияние на общую эффективность системы HVAC. Поэтому к системам воздухораспределения предъявляется ряд обязательных мер и директивных требований. Обязательные меры требуют герметизации воздухораспределительных каналов и проверки HERS на герметичность во всех климатических зонах, даже при использовании эксплуатационного метода соответствия. Это большое изменение по сравнению со стандартами Раздела 24 2008 года, в которых испытания воздуховодов были предписывающим требованием, от которого можно было отказаться, используя метод соответствия характеристик. Есть также ряд кредитов соответствия, доступных, связанных с проектированием системы воздуховодов.

 

Изоляция воздуховодов

Во всех случаях, если воздуховоды полностью не заключены в кондиционируемое пространство, минимально допустимое значение изоляции воздуховодов составляет R-6 в большинстве климатических зон и R-8 в зонах 11 и 14-16.

 

Термостаты

Термостаты с автоматическим понижением температуры привносят в дом комфорт и удобство. Жильцы могут просыпаться в теплом доме зимой и возвращаться домой в прохладный дом летом без использования ненужная энергия. Пониженный термостат всегда требуется для центральных систем, независимо от того, используется ли предписывающий метод или метод соответствия характеристикам. Исключение допускается только в том случае, если здание соответствует методу производительности с термостатом без понижения температуры, а система относится к одному из следующих нецентральных типов:

• Внешние электронагреватели
• Комнатные кондиционеры
• Тепловые насосы для комнатных кондиционеров
• Гравитационные газовые настенные, напольные или комнатные обогреватели
• Дровяные печи
• Каминные или декоративные газовые приборы

При необходимости термостат понижения температуры должен быть оборудован часами или другим механизмом, позволяющим жильцам здания планировать заданные значения нагрева и/или охлаждения не менее чем на четыре периода в течение 24 часа. Если в жилом или жилом помещении установлено более одного отопительного оборудования, требование понижения может быть выполнено за счет управления всеми отопительными устройствами одним термостатом или управление каждым блоком с помощью отдельного термостата. Отдельные нагревательные блоки могут быть снабжены отдельным регулятором включения/выключения, способным блокировать термостат. Обратите внимание, что термостаты для тепловых насосов должны быть «умными термостатами», которые сводят к минимуму использование дополнительного электрического нагрева сопротивления во время запуска и восстановления после понижения температуры.

 

Зональный контроль

Кредит соответствия требованиям по энергопотреблению предоставляется для зональных систем отопления и кондиционирования воздуха, которые экономят энергию, обеспечивая выборочное кондиционирование только занятых зон дома. Дом, имеющий по крайней мере две зоны (жилая и спальная) могут претендовать на этот кредит соответствия. Оборудование может состоять из одной системы кондиционирования воздуха для жилых зон и другой системы для спальных зон или единая система с возможностью зонирования, настроенная на отключение спальных зон днем ​​и жилого блока ночью. 

 

(Выдержка из Руководства CEC по соблюдению требований 24 в жилых помещениях)

24-часовая система охлаждения на основе расходных материалов для Venus Lander

Куан-Лин Ли, Калин Тарау*
Advanced Cooling Technologies, Inc., Lancaster , 17601

Для поддержки будущих миссий НАСА по исследованию Венеры на месте компания Advanced Cooling Technologies, Inc (ACT) разрабатывает систему терморегулирования Venus Lander, основанную на концепции охлаждения, в которой используется вентиляция расходных жидкостей. Эта система позволит работать не менее 24 часов на поверхности Венеры при высокой температуре (460°C) и высоком давлении (~92 бар) окружающей среды. Система охлаждения на основе расходных материалов будет отводить как отработанное тепло электроники, вырабатываемое внутри транспортного средства, так и поступающие утечки тепла из горячей среды Венеры. Система состоит из двух сосудов высокого давления (основного сосуда и сосуда со сжатым газом) и сети проточных каналов, встроенных в конструкцию спускаемого аппарата для защиты от тепла окружающей среды. Первичный сосуд будет заполнен рабочей жидкостью (аммиаком) при насыщении, которая дополнительно сжата сжатым газом (например, гелием), таким образом, чтобы полученная смесь жидкостей могла быть выпущена в окружающую среду под давлением выше, чем давление насыщения охлаждающей жидкости, соответствующей температуре полезной нагрузки. Вентиляция обеспечит эффективное охлаждение электроники. Кроме того, по мере того, как вентилируемая жидкая смесь проходит через систему защиты от тепла, она может дополнительно собирать тепло окружающей среды в виде явного тепла и выходить в среду Венеры. В этой статье представлено технико-экономическое обоснование, выполненное в рамках программы НАСА SBIR, которая включает в себя математическое моделирование и разработку прототипа для проверки концепции.

I. Введение

Исследование Венеры на месте считается одним из самых приоритетных направлений будущих внутренних исследований Солнечной системы [1]. Однако чрезвычайно враждебная венерианская среда создает серьезные проблемы при разработке системы управления температурным режимом для посадочного модуля Венеры. Температура поверхности Венеры может достигать 460°C, а атмосферное давление может составлять около 92 бар (1334 фунта на кв. дюйм), что чрезвычайно затрудняет отвод отработанного тепла, выделяемого электроникой внутри посадочного модуля. На сегодняшний день наибольшая продолжительность выживания на поверхности Венеры была достигнута российским спускаемым аппаратом «Венера-13» (127 минут) за счет использования материала с фазовым переходом (PCM) для поглощения отходящего тепла полезной нагрузки и многослойной изоляции (MLI) для смягчения поступающего тепла. утечки из окружающей среды [2][3]. Будущие миссии НАСА по исследованию поверхности Венеры требуют легкой и высоконадежной технологии управления температурным режимом, которая обеспечит по крайней мере 24-часовое выживание и работу посадочного модуля Венеры на поверхности планеты.

С момента разработки посадочного модуля «Венера-8» в 1972 году PCM постоянно включался в систему управления температурным режимом посадочного модуля «Венера» в качестве основного радиатора для поглощения тепловой нагрузки электроники. PCM, обычно используемый для хранения внутренних тепловых нагрузок, представляет собой соли лития (LiNO ₃ ), которые имеют скрытую теплоту плавления примерно 296 кДж / кг. Изоляция от внешних утечек тепла – МЛИ или аэрогель. Они обычно наносились как на внутренние, так и на внешние поверхности конструкции корпуса спускаемого аппарата Венеры. Концепция, основанная на структуре водной оболочки, была предложена в отчете флагманской миссии, описанном в [3]. Их торговое исследование на 0,9Конструкция посадочного модуля Venus диаметром м показывает, что для поддержания внутренней температуры полезной нагрузки ниже 88°C при средней тепловой нагрузке 210 Вт в течение 24 часов требуется не менее 45 кг нитрата лития, 50 кг водяной оболочки и 110 кг изоляционного слоя из пористого кремнезема. Другая концепция охлаждения посадочного модуля Венеры заключается в выпуске двухфазного хладагента (аммиака) в окружающую среду Венеры. Основная проблема с выпуском паров аммиака в окружающую среду Венеры заключается в том, что давления насыщенных паров аммиака при заданной точке полезной нагрузки (70 ° C) недостаточно для преодоления высокого давления в среде Венеры. Таким образом, испарительное охлаждение аммиачной вентиляции используется только для отвода поступающих утечек тепла из окружающей среды, поддерживая температуру корпуса посадочного модуля на уровне 121 ° C, в то время как отработанное тепло полезной нагрузки внутри посадочного модуля охлаждается явным теплом жидкого аммиака от 0 до 70 ° C. [4].

Чтобы решить эту проблему проектирования тепловых режимов, компания Advanced Cooling Technologies, Inc. (ACT) разработала инновационную концепцию охлаждения, основанную на выпуске расходуемых жидкостей в среду с более высоким давлением, чем давление пара, соответствующее температуре полезной нагрузки. . В этом документе представлено технико-экономическое обоснование, проведенное в рамках программы SBIR Phase I по разработке системы охлаждения на основе вентиляции для посадочных модулей Venus с 24-часовым сроком службы.

¹ Инженер-исследователь, группа оборонных и аэрокосмических продуктов, 1046 New Holland Ave.

² Главный инженер, группа оборонных и аэрокосмических изделий, 1046 New Holland Ave.

II. Концепция охлаждения на основе расходных материалов

На рис. 1 показана система управления температурным режимом для спускаемых аппаратов Venus, основанная на предложенной концепции охлаждения с вентиляцией, которую можно разделить на две подсистемы: система охлаждения на основе вентилирования для отвода внутренней тепловой нагрузки и система защиты от перегрева. для управления входящими утечками тепла окружающей среды.

Рис. 1. Система терморегулирования посадочного модуля Venus с охлаждением на основе расходных материалов

Вентиляционная холодильная система

Вентиляционная холодильная система состоит из двух сосудов под давлением (показаны на рис. 1), основного сосуда (синий сосуд) и вторичного сосуда (зеленый сосуд). Первичный сосуд будет содержать двухфазную рабочую жидкость, где пар будет смешиваться со вторичными частицами (то есть сжатым газом, таким как аргон или гелий), который служит в качестве компенсатора давления. Вторичный сосуд будет содержать только сжатый газ, первоначально под гораздо более высоким давлением (~ 400 бар). Роль вторичного сосуда заключается в повышении давления в первичном сосуде, чтобы общее давление, состоящее из давления паров рабочей жидкости при насыщении и парциального давления газа, было выше, чем давление окружающей среды. Как показано на рис. 1, внутренняя тепловая нагрузка полезной нагрузки будет передаваться на первичный корпус через тепловые связи (тепловые трубы, тепловые ленты и т. д.) для испарения рабочей жидкости внутри корпуса. Два клапана будут использоваться для контроля давления и температуры в системе. Вентиляционный клапан будет установлен в верхней части основного резервуара для управления вентиляцией смеси расходуемой жидкости. Еще один клапан будет установлен между двумя сосудами под давлением для контроля перезарядки основного сосуда сжатым газом. Эта система будет работать циклами:

1. Получение тепла
   Тепловая нагрузка от электроники будет передаваться на первичный сосуд для испарения рабочей жидкости. Плотность пара увеличится, а вместе с ним и общее давление в первичном сосуде.
2. Вентиляция
   Когда температура первичного сосуда достигает заданного значения, а общее давление превышает давление окружающей среды Венеры, открывается выпускной клапан. Смесь насыщенной расходуемой жидкости и сжатого газа будет выбрасываться, вызывая резкое снижение общего давления. Снижение внутреннего давления освобождает место для новой заправки сжатым газом.
3. Перезаправка газом и испарительное охлаждение
   После сброса расходуемой смеси первичный сосуд необходимо перезарядить для следующего выпуска, что будет выполнено путем открытия клапана заполнения газом между двумя сосудами высокого давления. Когда клапан открывается, сжатый газ под гораздо более высоким давлением будет поступать в первичный сосуд, собирая пар из жидкой фазы и вызывая испарительное охлаждение в резервуаре с жидкостью. Как только внутреннее давление достигнет заданного значения, клапан заполнения газом снова закроется.

Система теплозащиты

Смесь расходуемой жидкости (пары рабочей жидкости + сжатый газ), выходящая из основного корпуса, будет иметь заданную температуру полезной нагрузки (~70°C). Перед тем, как в конечном итоге выпустить воздух в окружающую среду Венеры при температуре 460 ° C, существует значительное количество ощутимой теплоемкости, которое можно использовать для поглощения поступающих утечек тепла из окружающей среды, а затем отводить. Пути потока (трубки), встроенные в конструкцию спускаемого аппарата, которые позволяют расходуемой жидкости собирать поступающие утечки тепла из окружающей среды и в конечном итоге отводиться в окружающую среду, называются «системой защиты от тепла». Конструкция теплозащиты, вытекающая из представленной концепции, является объектом дальнейшего развития и оптимизации. Однако текущее состояние не представлено в этой статье.

III. Разработка прототипа

Целью данного исследования является демонстрация того, что путем добавления вторичных компонентов (сжатого газа) в первичный сосуд, содержащий рабочую жидкость при насыщении, полученную смесь жидкостей можно выпускать в окружающую среду с более высоким давлением, чем у рабочей жидкости. давление пара, соответствующее заданному значению. Работа включает в себя теоретический анализ, разработку прототипа для проверки концепции и экспериментальные измерения. Для теоретического анализа была создана термодинамическая модель для описания описанного выше процесса охлаждения на основе вентиляции и прогнозирования необходимой массы обоих видов для достижения 24-часовой работы. Для экспериментальной работы был построен и испытан экспериментальный прототип с несколькими парами расходуемых жидкостей (т. е. рабочей жидкостью и сжатым газом). Прототип был сначала испытан с водой в качестве рабочей жидкости из соображений безопасности и простоты обращения. Позже прототип был испытан с аммиаком в качестве рабочего тела, которое будет использоваться в реальных приложениях (например, посадочный модуль Венеры). Частью этого исследования является определение полезных характеристик сжатого газа для этого применения. Были испытаны два инертных газа (аргон и гелий), и гелий оказался лучшим выбором из-за его низкой плотности и высокой удельной теплоемкости.

A. Разработка математической модели 

На основе законов термодинамики была разработана математическая модель концепции охлаждения на основе расходных материалов. Как показано на рис. 2, процесс охлаждения с использованием расходных материалов можно разделить на три последовательных этапа: сбор тепла, выпуск расходуемой жидкости и заправка сжатым газом. Соответствующие термодинамические состояния каждого компонента (пара, жидкости и газа) на разных стадиях, такие как температура, давление, плотность и энтальпия, рассчитываются путем решения набора основных уравнений (сохранение массы, энтальпии и объема). При заданных конструктивных параметрах, таких как уставка, давление сброса, входная мощность и объем сосуда, можно предсказать массу сброса обоих видов в зависимости от времени. Результаты моделирования были проверены путем сравнения с результатами испытаний прототипа для подтверждения концепции.

Рис. 2. Рабочий цикл охлаждения на основе вентиляции

B. Разработка и испытания прототипа для проверки концепции

Прототип системы охлаждения на основе вентиляции был спроектирован и построен для демонстрации выполнимости концепции. Из-за различных ограничений на этапе I (бюджет, время, безопасность, сложность и т. д.) вместо 92 бар (~ 1300 фунтов на кв. дюйм), как в окружающей среде Венеры, экспериментальный прототип был разработан для вентиляции в среде с более низким давлением, установленным на 110 ± 10 фунтов на кв. дюйм (7,6 ± 0,7 бар). Полезная тепловая нагрузка 100 Вт непрерывно применялась к основному сосуду в течение 3 часов, чтобы имитировать отработанное тепло полезной нагрузки внутри посадочного модуля. Экспериментальные результаты были использованы для проверки математической модели, которая в дальнейшем использовалась для прогнозирования полномасштабной конструкции, работающей в условиях Венеры.

Были испытаны две рабочие жидкости: вода с заданной температурой 147ºC и аммиак с заданной температурой 8,8ºC. Соответствующие кривые давления пара показаны на рис. 3 (а) и (б). Давление насыщения водой при заданной температуре 147 ºC (фиолетовая пунктирная линия) составляет 62 фунта на кв. дюйм (~ 4,3 бар), что ниже давления окружающей среды, выбранного как 110 фунтов на кв. дюйм (~ 7,6 бар). Чтобы заполнить разрыв между давлением окружающей среды и давлением насыщенного пара, который соответствует заданному значению, в первичный сосуд был заправлен сжатый газ (например, аргон или гелий), чтобы увеличить общее давление до 150 фунтов на квадратный дюйм (~ 10,3 бар). показан красной пунктирной линией на рисунке 3 (а), поэтому может произойти вентиляция. Аналогично испытанию аммиака (рис. 3 (b)), давление пара при заданной температуре (8,8ºC) составляет 82 фунта на кв. дюйм (5,7 бар), что также ниже давления окружающей среды, равного 110 фунтам на кв. ) добавляли в первичный сосуд, чтобы увеличить общее давление до 150 фунтов на квадратный дюйм (10,3 бар) для вентиляции.

Рисунок 3. Условия эксплуатации экспериментального прототипа (a) вода в качестве рабочей жидкости (b) аммиак в качестве рабочей жидкости

Показана системная схема экспериментального прототипа (с использованием воды в качестве рабочей жидкости) как на рис. 4. В дополнение к основному сосуду и вторичному сосуду (т. е. баллону со сжатым газом) был введен третий сосуд под давлением, называемый «Имитатор давления окружающей среды (EPS)», для создания среды высокого давления для выпуска смеси расходуемой жидкости в Давление в сосуде EPS поддерживается на постоянном уровне ~110 фунтов на квадратный дюйм (7,6 бар) с помощью предохранительного клапана. Термопары Т-типа и датчики давления были установлены в различных местах системы для измерения температуры и давления. Вентиляционный клапан и клапан пополнения газа контролировались вручную, отслеживая температуру и давление жидкости в первичном сосуде. Стандартный ленточный нагреватель из стекловолокна был обернут вокруг первичного сосуда для имитации тепловой нагрузки. Процедура тестирования резюмируется следующим образом:

1. Создайте давление в сосуде EPS (желтый сосуд на рис. 4) до 110 фунтов на кв. дюйм (7,6 бар) через перепускную линию газа.
2. Заправить рабочую жидкость в первичную емкость
3. Нагревать первичный сосуд до тех пор, пока температура жидкости не достигнет заданного значения (или немного ниже)
4. Откройте клапан пополнения газа, чтобы наполнить сжатым газом первичный сосуд и поднять общее давление до 150 фунтов на кв. дюйм (10,3 бар)
5. Подайте 100 Вт полезной входной мощности и начните операцию вентиляции
6. Открыть выпускной клапан, когда температура жидкости превышает заданное значение
7. Закройте выпускной клапан, когда давление в первичном сосуде упадет ниже 118 фунтов на кв. дюйм (~8,1 бар)
8. Откройте клапан заполнения сжатым газом, чтобы восстановить давление в первичном сосуде до номинального давления 150 фунтов на кв. дюйм (10,3 бар)
9. Повторять шаги с 6 по 8 в течение 3 часов

Рисунок 4. Схема системы для проверки концепции (с водой в качестве рабочей жидкости)

Рисунок 5. Фотография системы для проверки концепции

IV. Результаты испытаний прототипа для подтверждения концепции

A. Результаты испытаний водой

На рис. 6 показана температура рабочей жидкости (жидкости), измеренная в течение 3 часов работы при полезной подводимой теплоте 100 Вт. Из температурных данных видно, что температура жидкости (синяя сплошная линия) успешно поддерживалась ниже заданной температуры (420±1K) в течение 3 часов за счет вентиляции. Эффективность охлаждения на основе расходных материалов можно наблюдать путем сравнения с гипотетической температурой жидкости (желтая пунктирная линия) на рисунке 6, которая была рассчитана путем решения приведенного ниже дифференциального уравнения, где mCp и   h _потери представляют собой эквивалентную тепловую массу жидкости и сосуда и паразитные потери тепла из основного сосуда в окружающую среду в заданной точке, которые были тщательно определены посредством калибровочных испытаний. Q _в – общее (электрическое) тепло, подведенное к ленточному нагревателю. Как показано на Рисунке 6, без охлаждения на основе вентиляции температура жидкости в конечном итоге достигнет 475 К (202ºC) после 3 часов нагрева мощностью 100 Вт.

Массовый расход воды и аргона показан на рис. 7(а). Через 3 часа стравливания оставшуюся рабочую жидкость в первичном сосуде собирали из дренажа и взвешивали для определения общей массы стравливаемой рабочей жидкости. Расход сжатого газа рассчитывали, измеряя перепады давления в баллоне со сжатым газом до и после испытаний. Система выпускает общую массу расходуемой жидкости 1,49 кг, которая состоит из 0,38 кг воды и 1,11 кг аргона. При сравнении с предсказаниями модели (сплошные линии на рис. 7(а)) видно, что описанная выше модель может достаточно точно предсказывать выброшенную массу (как общую, так и компоненты). Суммарный расход тепловой энергии за 3 часа работы составил 989 кДж. Теплота, отводимая скрытой теплотой воды, и явная теплота сжатого газа оценивались по следующим уравнениям.

Где h _OUT и h _IN – энтальпия сжатого газа, выходящего и поступающего, соответственно, в первичный сосуд, которую можно рассчитать по данным температуры и давления. Энергетический анализ показывает, что более 80% подведенной тепловой энергии отводится двухфазным рабочим телом путем испарения и только 8,91% тепла отводится явным теплом аргона. Оставшиеся 11% энергии, необходимой для закрытия баланса, могут быть связаны с ошибками измерения, оценки тепловых потерь и расчетными ошибками.

Рис. 6. Температура рабочей жидкости (воды) за 3 часа работы (синяя сплошная линия: фактическая температура жидкости, измеренная термопарой, установленной внутри основного сосуда; желтая пунктирная линия: гипотетическая температура жидкости без охлаждающего эффекта на основе вентиляции)

Рисунок 7. Сравнение массы вентилируемой флюидной смеси, полученной в результате эксперимента и модели для системы вода-аргон (а) и системы вода-гелий (б)

меньшая плотность и в 10 раз более высокая удельная теплоемкость, чем у аргона. Сравнение вентилируемой массы обоих видов, полученной в результате модели и эксперимента, показано на рисунке 7 (б). При подаче 100 Вт в течение 3 часов работы общая вентилируемая масса системы вода-гелий составила 0,622 кг, состоящая из 0,42 кг воды и 0,202 кг гелия. Сделан вывод, что использование гелия в качестве сжатого газа позволяет значительно уменьшить общую массу системы за счет его малой плотности и высокой удельной теплоемкости.

B.

Результаты испытаний с аммиаком

Прототип системы был модифицирован и испытан с использованием аммиака в качестве рабочей жидкости. В качестве сжатого газа использовался только гелий, так как его превосходство над аргоном было четко установлено. Как видно из результатов измерения температуры жидкости (синяя линия) на рис. 8, система-прототип успешно продемонстрировала свою охлаждающую способность, поддерживая температуру жидкости на заданном уровне (8,8°C) в течение 3 часов при подаче тепла электроникой на 100 Вт. Опять же, без вентиляционного охлаждения через 3 часа нагрева температура жидкого аммиака достигла бы 370К (96,85°С). На основании измерений массы система выпустила 0,859 кг аммиака и 0,157 кг гелия. Опять же, прогнозируемый массовый расход, полученный в результате аналитического моделирования, хорошо согласуется с измеренной массой, как показано на рис. 9. Обратите внимание, что испытания аммиачной системы проводились при более низкой заданной температуре, чем температура окружающей среды. Кроме того, температура впрыскиваемого гелия также была равна температуре окружающей среды, что означает, что в систему добавлялось ощутимое тепло, которое затем удалялось посредством вентиляции. Это в дополнение к утечкам тепла из окружающей среды в систему придает результатам определенную степень консервативности. Суммарная тепловая нагрузка, подводимая к системе, представляет собой сумму тепловой нагрузки, обеспечиваемой электронагревателем, и явного тепла сжатого газа. Поскольку система была хорошо изолирована, утечки тепла из окружающей среды в систему предполагались небольшими, и поэтому они не оценивались.

• Тепло от нагревателя на 3 часа работы:
  
• Тепло, выделяемое гелием при температуре окружающей среды:
  
• Теплота, отводимая скрытой теплотой аммиака:
  

Этот анализ показывает, что почти все (99,97 %) тепло, подаваемое в систему, включая 99 Вт электронной тепловой нагрузки и явное тепло сжатого газа, отводится скрытой теплотой рабочего тела (аммиака). Опять же, утечки тепла из окружающей среды в систему не оценивались.

Рисунок 8. Изменение температуры жидкого аммиака при подводе тепла мощностью 100 Вт в течение 3 часов (синяя сплошная линия: фактическое измерение температуры с охлаждением на основе вентиляции; желтая пунктирная линия: гипотетическое изменение температуры без охлаждения на основе вентиляции)

смесь гелия (эксперимент против предсказания)

Расходная жидкость

H ₂ O-Ar

H ₂ O-He

НХ ₃ -Не

Заданная температура (°C)

147

147

8,8

Давление пара (psi)

62 62 82

Масса выпускаемой рабочей жидкости (кг)

0,378

0,420

0,859

Масса сжатого газа (кг)

1. 113

0,202

0,157

Общая вентилируемая масса (кг)

1.491

0,622

1.016

Нагреватель Q _в (кДж)

989

1080

1055

Процент тепла, удаленного при испарении

81,2%

82,5%

99,7%

Результаты испытаний прототипа для подтверждения концепции приведены в таблице 1, из которой можно сделать следующие выводы: имеет более высокое давление 110 psi (~7,6 бар), чем давление насыщенного пара, соответствующее заданной температуре (для воды 62 psi (4,3 бар) и для аммиака 82 psi (~5,7 бар)).

Система способна обеспечить эффективное двухфазное охлаждение и отвести 100 Вт тепла в течение не менее 3 часов. Энергетический анализ показывает, что большая часть подводимого тепла (>80%) действительно охлаждается за счет испарения рабочего тела.

Использование гелия в качестве сжатого газа может сэкономить значительное количество массы жидкости благодаря его превосходным физическим свойствам (низкой плотности и высокой удельной теплоемкости).

Аналитическая термодинамическая модель успешно подтверждена экспериментальными результатами для всех трех случаев вода-аргон, вода-гелий и аммиак-гелий.

V. Прогноз производительности полномасштабного посадочного модуля «Венера»

Затем проверенная модель использовалась для прогнозирования массы жидкой смеси, необходимой для достижения 24-часового выживания посадочного модуля «Венера». Размеры и конструктивные параметры посадочного модуля, предоставленные НАСА JPL [5], приведены в таблице 2. В этом примере рассматривались два давления окружающей среды Венеры (92 бар и 100 бар). Давление в вентиляционном сосуде в этом анализе было на 5 бар выше, чем окружающее в каждом случае. Расходные жидкости, используемые в этом анализе, представляют собой аммиак (рабочая жидкость) и гелий (сжатый газ). Поскольку давление паров аммиака намного выше (~ в 100 раз), чем давление паров воды при заданной температуре (70 ℃), количество сжатого газа для заполнения разрыва между давлением паров и давлением сброса будет значительно уменьшено. Из-за своей низкой плотности и высокой удельной теплоемкости гелий был признан лучшим герметиком для этого применения.

Таблица 2. Расчетные параметры для 24-часового спускаемого аппарата Венеры [5]

Посадочное судно ID	112 см
Внутренние тепловые нагрузки	150 Вт
Продолжительность	24 часа
Установка температуры	70°С
Температура окружающей среды	460°С
Давление окружающей среды	92 бар/100 бар
Давление сброса	97 бар/105 бар

Рис. 10. Накопленная вентилируемая масса за 24 часа охлаждения посадочного модуля «Венера» с использованием аммиака в качестве рабочей жидкости и гелия в качестве сжатого газа (сплошная линия: атмосферное давление при 92 бар; пунктирная линия: атмосферное давление при 100 бар)

На рисунке 10 видно, что общая масса 18 кг жидкой смеси (13,5 кг аммиака и 4,5 кг гелия) необходима для отвода 150 Вт тепловой нагрузки электроники и поддержания температуры системы на уровне 70°C в течение 24 часов. вентиляцией в среде 92 атм. Для потенциально более высокого давления окружающей среды (например, в местах на Венере, где высота способствует более высокому атмосферному давлению) система все еще может работать, но требуется штраф в виде увеличения массы. Например, пунктирные линии на Рисунке 10 представляют собой общую массу расходуемых жидкостей, необходимых для работы при давлении окружающей среды 100 бар. Можно заметить, что потеря массы жидкости минимальна.

Обратите внимание, что в этом примере начальная температура системы охлаждения посадочного модуля Venus рассматривается как уставка 70°C вместо 0°C. Если учитывать условия предварительного охлаждения, общая требуемая масса жидкой смеси будет еще ниже.

Еще одно примечание касается того факта, что оставшаяся явная теплоемкость 18 кг смеси вентилируемой жидкости (от 70°C до, скажем, 410°C) будет в дальнейшем использоваться для сбора и отвода поступающих утечек тепла из окружающей среды при движении через система теплозащиты. Разработан эскизный проект системы теплозащиты, который будет представлен в следующем документе.

VI. Заключение

В рамках программы SBIR компания ACT разработала систему охлаждения на основе расходных материалов, обеспечивающую 24-часовую выживаемость и работу посадочного модуля Venus в экстремальных условиях. Концепция охлаждения на основе расходных материалов позволит выпускать двухфазную рабочую жидкость в среду с более высоким давлением, чем давление насыщения рабочей жидкости, соответствующее температуре полезной нагрузки. Концепция была полностью продемонстрирована с помощью математического моделирования и проверки прототипа. Согласно прогнозу модели, системе охлаждения на основе расходных материалов потребуется всего 18 кг расходуемой жидкости (75% аммиака и 25% гелия), чтобы обеспечить 24-часовую выживаемость посадочного модуля Венеры. Технология охлаждения на основе расходных материалов считается революционной благодаря следующим преимуществам:

• Малая масса: масса жидкости, которая потребуется для управления температурным режимом посадочного модуля Venus в течение 24 часов, составляет менее 18 кг.
• Простота и надежность: количество движущихся частей сведено к минимуму, компонентами предлагаемой системы являются сосуды под давлением, содержащие рабочую жидкость/сжатый газ, трубопроводы со встроенными фланцами и клапанами (с возможностью автоматического управления).
• Эффективное охлаждение: полезная нагрузка внутри посадочного модуля будет охлаждаться за счет испарительного охлаждения, а поступающие утечки тепла могут быть устранены за счет оставшегося физического тепла расходуемой жидкости.
• Пассивный: выпускной клапан и клапан подачи газа будут автоматически открываться и закрываться в зависимости от заданных значений давления или температуры.
• Нет потребления энергии: за исключением незначительного количества энергии срабатывания клапанов, энергия не потребуется.

Благодарности

Этот проект финансируется Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) в рамках программы SBIR Phase I (контракт 80NSSC18P2186). Технический монитор — Эрик Сунада. Особая признательность Филипу Мартину и Шайенну Джонсу за их техническую поддержку, а также членам комитета по безопасности ACT за их ценный вклад в работу с аммиаком и его испытания.

Ссылки

[1] Национальная академия наук, «Десятилетнее исследование планетарных наук Vision & Voyages», National Academies, Press, 2011.

[2] Космический центр Годдарда НАСА, «Хронология исследования Венеры NSSDC, 2014. [Онлайн]. Доступно: http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/chronology_venus.