Главная страница >  Цитатник 

Новое — хорошо забытое старое

В 1834 г. французский ученый Жан Шарль Пельтье решил определить, как изменяется температура вдоль однородного и вдоль разнородного проводников под влиянием электрического тока. Опыты принесли неожиданность: при протекании тока по разнородному проводнику в одном его спае тепло поглощалось, в то время как в другом выделялось. Другими словами, если температуру горячего спая поддерживать тем или иным способом на определенном уровне, то с помощью холодного спая можно охладить тело до более низких температур. В 1838 г. русскому ученому Э.X. Ленцу таким образом удалось заморозить каплю воды.

Новое — хорошо забытое старое

В 60–70-е годы эффект Пельтье начал применяться и в космической технике для решения различных тепловых задач. Известно, что ряд элементов радиоэлектронной аппаратуры лучше работает при низких температурах. В то же время на борту космического аппарата могут находиться устройства, не допускающие сравнительно, большого охлаждения. В результате возникает противоречие между требуемым температурным режимом одних и других элементов, устройств и т.п. Для выхода из этого противоречия и используют в ряде случаев эффект Пельтье. При этом во всем гермоотсеке поддерживают сравнительно высокие значения температур, а элементы, требующие низких температур, дополнительно охлаждают с помощью этого эффекта.

Чрезвычайно малая эффективность первых термоэлектрических холодильников, основанных на открытии Пельтье, стала основной причиной того, что они длительное время не находили практического применения. В конце 40-х годов XX в. этим явлением заинтересовался академик А.Ф.Иоффе — появившиеся новые полупроводниковые материалы позволяли надеяться на улучшение характеристик этих холодильников. Исследования вскоре подтвердили это, и у нас в стране началось широкое конструирование различных приборов, основанных на этом эффекте. Такие приборы начали применяться, например, в медицине; на основе этого эффекта создаются кондиционеры и даже (пока экспериментальные) холодильники.

Каждая термопара представляет собой небольшую пластинку полупроводника р— и n-типа, изготовленную, например; из теллурида висмута, соединенную с пластинками меди. Горячий спай каждой термопары соединяется с холодным спаем последующей так, чтобы в месте их стыка был хороший тепловой контакт. При прохождении по всей системе электрического тока холодный спай будет иметь температуру на 140°С ниже, чем горячий спай. Если на холодном спае разместить соответствующим образом оптический приемник, обеспечив по возможности минимальное тепловое сопротивление между спаем и приемником, то, очевидно, температура последнего будет существенно ниже температуры горячего спая. При этом, разумеется, от горячего спая тепло должно тем или иным способом отводиться для того, чтобы его температура (а, следовательно, и температура холодного спая) находилась на необходимом уровне.

Примером охлаждения с помощью термоэлектричества может служить охлаждение инфракрасных приемников оптических датчиков системы ориентации: На практике можно снизить температуру инфракрасного приемника на 60–65°С, но это не предел. При использовании нескольких термопар, специальным образом соединенных друг с другом (каскадное соединение), можно получить снижение температуры на 100°С и больше. На рис. 7 показана схема одного из таких соединений. Рис. Схема термоизоляционного холодильника: 1 — приемник лучистой энергии; 2 — медь; 3 — холодный спай; 4 — анодированный алюминий; 5 — теллурид висмута; 6 — источник электроэнергии; 7 — горячий спай.

Описанное термоэлектрическое устройство достаточно компактное: оно имеет площадь порядка 6 см2, потребляет ток 4 А при напряжении питания 6 В. Правда, из-за технологических трудностей изготовления теллурида висмута для работы при малых токовых нагрузках термоэлектрические устройства, выпускаемые промышленностью, используют ток большой силы (порядка 100 А) и малого напряжения (0,5 В).

К сожалению, сильное увеличение числа ступеней в каскаде невозможно из-за резкого падения эффективности их работы. Поэтому на практике обычно ограничиваются тремя-четырьмя каскадами.

К настоящему времени благодаря усилиям ученых различных стран появились тепловые трубы для решения широкого круга функциональных задач, весьма разнообразные по конструкции и своим характеристикам. Так, например, имеются трубы-диоды, передающие тепло только в одном направлении. Особенно целесообразно их применять в тех случаях, когда источник тепла 'Периодически отключается, а внешние фоновые потоки тепла сопоставимы с потоком от основного источника.

В 1944 г. американцу Р.С. Гауглеру выдали патент на устройство для отвода тепла, получившее в последнее время название тепловой трубы. Идея, положенная в ее основу, настолько же проста, насколько оригинальна. Труба состоит из корпуса, на внутренней стороне которого располагаются продольные (или другие) микроканалы (капиллярная структура), с рабочим телом внутри трубы. Если один конец этого устройства нагревать, то жидкость может, разумеется, превращаться в пар, который заполнит трубу. Если же другой ее конец при этом охлаждать, то пар будет на нем конденсироваться и капельки жидкости под действием капиллярного напора будут двигаться по микроканалам к нагреваемому концу, где вновь происходит нагрев, испарение и т.д. Этот процесс непрерывный и сопровождается переносом тепла от горячего к холодному концу трубы. Идея тепловой трубы была забыта, и о ней вспомнили лишь в середине 60-х годов, когда она была вновь запатентована в США Т.Л. Уайтом, но уже как метод обеспечения теплового режима элементов космических аппаратов. Следует отметить, что применение этого метода в космической технике весьма привлекательно, так как он, во-первых, не требует затрат энергии для переноса тепла рабочим телом, во-вторых, достаточно прост и, в-третьих, позволяет обеспечить тепловой режим элементов, находящихся в местах, неудобных для охлаждения с помощью других методов. Кроме того, широкий ассортимент рабочих тел с различными температурами кипения позволяет обеспечить в принципе любую температуру охлаждаемых элементов.

При повышении величины теплового потока, подводимого к нагреваемой части трубы, увеличиваются температура и, следовательно, давление пара, а значит, становится короче длина блокированной зоны, или, другими словами, увеличивается площадь теплоотвода. Уменьшение теплового потока, наоборот, уменьшает площадь съема тепла. Такая труба может обеспечить изменение передаваемой тепловой мощности более чем в 15 раз при незначительных изменениях температуры охлаждаемого ею элемента. Кроме того, ее использование позволяет также свести к минимуму колебания температуры этого элемента при изменении температуры холодильника.

Если в паровой канал тепловой трубы ввести дополнительный газ, не конденсирующийся при условиях ее работы, то получится труба переменной проводимости. Этот неконденсирующийся газ вытесняется потоком пара в зону конденсации, где он, не участвуя в циркуляции, и скапливается. При определенных условиях между паром и газом устанавливается относительно резкая граница раздела: в той части охлаждаемой поверхности трубы, которая занята неконденсирующимся газом, теплоотвод будет практически отсутствовать. Длина блокированной газом части определяется в первую очередь температурой и давлением пара.

В конце 60-х — начале 70-х годов в разных странах проводились исследования, направленные на применение тепловых труб даже в таких теплонапряженных элементах космических аппаратов, как жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Весьма высокие температуры, характерные для этих двигателей, естественно, привели к попыткам использовать наиболее теплостойкие материалы для корпуса труб и высокотемпературные рабочие тела. Корпуса изготавливались, как правило, из пиролитического графита, велись исследования по применению для этих целей вольфрама. В качестве рабочего тела использовались литий и натрий, а также серебро.

С конца 60-х годов тепловые трубы на космических аппаратах применяются довольно часто. Так, например, на космическом аппарате "ГЕОС" (1968 г.) тепло от передатчика отводилось двумя алюминиевыми трубами, использовавшими в качестве рабочего тела аммиак, а на "ОАО-1" (1972 г.) бортовое вычислительное устройство охлаждалось с помощью стальной трубы переменной проводимости, работавшей на метиловом спирте. Зона конденсации в последнем случае представляла собой холодильник-излучатель; труба поддерживала температуру устройства на уровне 17±3°С. На некоторых космических аппаратах количество тепловых труб исчисляется десятками (так, на американской орбитальной станции "Скайлэб" их было 40, а на спутнике "АТС-6" — 55).

Несмотря на принципиальную пригодность использования тепловых труб в небольших ЖРД, пока не известно ни одного случая практического применения двигателя с такой системой охлаждения. Сколь ни эффективными кажутся рассмотренные в настоящем разделе методы отвода тепла от нагретых тел, все-таки следует признать, что и тепловые трубы, и устройства, основанные на явлении, открытом Пельтье, носят при решении, проблемы теплопередачи в космической технике лишь вспомогательный характер, позволяя решать сравнительно небольшой круг стоящих перед конструкторами задач.

B результате этих исследований были созданы трубы большой мощности — они снимали тепловые потоки, равные 7*106 ккал/м2ч, что, вообще говоря, позволяло использовать их для охлаждения некоторых космических ЖРД: В начале 70-х годов фирмой "Тиокол" была разработана система охлаждения экспериментального ЖРД с использованием тепловых труб. Этот двигатель работал на окиси фтора и диборане и развивал тягу порядка 60 кгс при давлении в камере сгорания около 7 кгс/см От горловины сверхзвукового сопла, где плотность теплового потока максимальна, тепло отводилось с помощью 8 радиально расположенных труб из пиролитического графита. Внешние (по отношению к двигателю), концы труб были соединены с кольцевым теплообменником, внутренняя стенка которого служила поверхностью конденсации паров рабочего тела; торцы труб, примыкавшие к горловине сопла, образовывали испарительную поверхность.





Далее:
Опытно-конструкторское бюро по жидкостным ракетным двигателям для авиации.
ОН ПЕРВЫЙ СМЕРИЛ ЖИЗНЬ ОБРАТНЫМ СЧЕТОМ.
Космос — арена международного сотрудничества.
Монтажники-высотники.
БИТВЫ ЗА УМЫ.
Проект «Спираль» (ОКБ-155).
В КБ БОЛХОВИТИНОВА И КОСТРе.
«ВПЕРЕД, НА МАРС!».
СТАРТ В НЕИЗВЕСТНОСТЬ.


Главная страница >  Цитатник