Телескопы покупают здесь


A A A A Автор Тема: Как избавиться от лишней массы радиатора  (Прочитано 3643 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Как это ни при чём? Ионник работает за счёт электроэнергии, вырабатываемой ядерным реактором, являющимся нагревателем тепловой машины. Холодильником является радиатор. По теореме Карно к.п.д. тепловой машины равно (в лучшем случае) отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. То тепло, что не превращается в электричество стекает к холодильнику, нагревая его.
В земных условиях холодильник сбрасывается в бесконечную ёмкость - земной шар и потому не перегревается. Но в космосе приходится это тепло излучать через вакуум во Вселенную. А вакуум - очень плохой проводник тепла. Вот в чём главнейшая проблема космического ядерного реактора.
Верно. А теперь смотрите, что у меня вырисовывается. Итого, любой крупный радиатор состоит из активной части, состоящей из трубок с хладагентом. И пассивной части, где хладагента нет - просто излучающей поверхности сложной формы. Рабочим телом для ионного двигателя обычно является металлический порошок. Он выбрасывается на горячий катод, испаряется, ионизуется и вылетает через ускоряющие решётки анода. Бак представляет собою просто алюминиевую тонкостенную коробку с порошком. Делаем её весьма ажурной по форме, подводим к ней трубки с хладагентом от реактора и делаем из неё пассивный радиатор (трубки с хладагентом, местами, облегают коробку, но не проходят внутрь неё, чтобы с рабочим телом чего-нибудь не случилось). Схематически это показано на верхнем рисунке. Это, так сказать, типовой элемент замены (ТЭЗ), из которых набирается радиатор любого размера и формы по желанию. Можно снабдить каждый такой ТЭЗ и персональным ионным двигателем, как показано на рисунке.
Пример. Теперь представим себе, что реактор имеет ресурс 25 лет, а один ионный двигатель - 5 лет. Включаем сначала крайние движки, вырабатываем рабочее тело в крайних ТЭЗах. Движки крайних ТЭЗов за это время тоже умерли. Настаёт время отбросить эту ступень. Реактор, допустим, за это время тоже деградировал процентов на двадцать и такой большой радиатор ему уже не нужен. Отключаем крайние отработанные ТЭЗы от системы перекачки хладагента и производим их отделение от ракеты. Включаем следующие и т. д. На втором рисунке изображён момент отделения отработанных ТЭЗов и включения следующих.

P.S. Изящно? А Вы говорили - теплофизика с термодинамикой мне помешают. Хиловаты они, чтобы мне помешать. ;)

Псосмотрел я на ваши творения - а не хрена оперение? В земных условиях оперения днлается для улучшения принудительного конвективного теплопереноса...В у словияъ околоземного пространства - оно равным счетом ничего не дает...Если вы думаете, что таким образом вы уселичиваете поверхность излучения - то вы глубоко ошибаетесь, потому что излученние, направленное в сторону конструкции тут же поглащается... в дуругой части кострукции - то есть самым идеальным решением будет сфера - на крайняк цилиндр...Далее... идея вообще спорная ...если у вас рабочее тело - ксенон,(а не металлические порошки, как вы тут пишете), нагревается - оно может переходить в газ - а значит - дай увеличивай толщину стеноу бака, далее м это еще не все при сббросе тепла в бак для радочего тела увеличивается температура рабочего тела, и следовательно тепловой режим самого реактоа , а какая там механическая устойчивость материалов по темпратуре - хер знает, так же зер знает, как вообще будет идти процесс теплоотвода в самом реакторе. 

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
Псосмотрел я на ваши творения - а не хрена оперение? В земных условиях оперения днлается для улучшения принудительного конвективного теплопереноса...В у словияъ околоземного пространства - оно равным счетом ничего не дает... самым идеальным решением будет сфера - на крайняк цилиндр
Совсем тему не читаете. Это уже давно предложили. Форма такого бака-радиатора остаётся на Ваше усмотрение. Можно сделать сферу, можно набрать цилиндр из подобных блоков, не обязательно крестообразных, как на том рисунке, а плоских или с вогнутыми сегментами - пожалуйста. Главное - сам принцип.

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Просто оребрением - ажурностью форм ничего не выиграешь. Оребрённое или гладкое тело одинаковых габаритов излучают одно и то же тепло. Увеличить теплоизлучение можно только увеличив габариты холодильника (сделав его скажем тонкоплёночным и широко раскинув эту плёнку, напимер, за сёт центробежности (подкрутив плёночный диск с системой "капиллярных" трубочек жидкого теплоносителя.
Тепло как вы подводить будете к этому радиатору....естественной конвекции нет...Рабочий интеравл температур от 3 К до 1500K - то есть охлаждающее вещество может находиться во всех фазовых состояниях по пути движения от рекитора к радиатору и обратно...

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Псосмотрел я на ваши творения - а не хрена оперение? В земных условиях оперения днлается для улучшения принудительного конвективного теплопереноса...В у словияъ околоземного пространства - оно равным счетом ничего не дает... самым идеальным решением будет сфера - на крайняк цилиндр
Совсем тему не читаете. Это уже давно предложили. Форма такого бака-радиатора остаётся на Ваше усмотрение. Можно сделать сферу, можно набрать цилиндр из подобных блоков, не обязательно крестообразных, как на том рисунке, а плоских или с вогнутыми сегментами - пожалуйста. Главное - сам принцип.

Дык принципа никакого -то и нет...Вот в чем фишка...Как был радиационные перенос - так и остался...Вам правильно вопрос изгачально задали о площади...Нахрена изагонять тепло в баки назад - там что лучше теплоперенос в баках?

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
Тепло как вы подводить будете к этому радиатору....естественной конвекции нет...
Трубками с теплоносителем. Мы выигрываем просто в площади. Трубки редкие, баки протяженные.
Рабочий интеравл температур от 3 К до 1500K - то есть охлаждающее вещество может находиться во всех фазовых состояниях по пути движения от рекитора к радиатору и обратно...
Не обязательно. Если используем теплоносителем ксенон, к примеру. Газ, он и есть газ.
Нахрена изагонять тепло в баки назад - там что лучше теплоперенос в баках?
Нет, не лучше. Но ими можно сделать выигрыш в излучающей площади. Иначе Вы будете иметь просто обычный радиатор того же размера, той же массы и той же конструкции, который не сможете использовать иначе как просто радиатор. И вдобавок к нему ещё и баки, висящие отдельно. Альтернативой моему решению является обычная традиционная схема, когда Вы вынуждены всю дорогу тащить на себе радиатор фиксированного размера, бесполезным грузом: там баки Вы отбрасываете, а радиатор остаётся висеть до упора.
Можно, конечно, вместе с баками отбрасывать лишние сегменты радиатора, но зачем нам удваивать массу конструкции? Лучше их объединить в одно целое, и отстреливать вместе: экономия в массе обшивки того и другого получается примерно в два раза.

P.S. Ещё раз подумал насчёт оптимальной формы. Полая сфера это теплофизически оптимально. Но придётся остановиться либо на цилиндре, либо на длинной плоскости. Потому, что механика проще: их проще сложить по сгибам и упаковать под обтекатель носителя, а потом развернуть. Рисковать с разворачиванием сферы или додекаэдра не будем.
« Последнее редактирование: 12 Мар 2017 [19:11:47] от bob »

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Трубками с теплоносителем. Мы выигрываем просто в площади. Трубки редкие, баки протяженные.


Это все бла-бла...Расчеты гидродинамики, фазовых переходов, механических напряжений в трубках у вас есть?
Не обязательно. Если используем теплоносителем ксенон, к примеру. Газ, он и есть газ.

ксеноне при температуре 166K становится жидкочть а при 161 К становится газом (при н.у. - но думаю что при пониженных давлениях не сильно изменится)...А за ботром радиатора у вас 2.7K...Вы у уверены что температура на поверхности (хотя бы локально) не опустится ниже 150 K, и нарастающий слой твердого ксенона не перекроет сечение трубки....

ЗЫ

Теплоперенос в космических аппаратах - всеьма нетривиальная штука (по существу исключительно экспериментальна 0- т.е. не попробуешь не узнаешь), что бы вот так вот с кондачка идеями бросаться...Вы думаете капельное охлаждение упомянутое здесь - вот так вот просто всплыло...


Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
ксеноне при температуре 166K становится жидкочть а при 161 К становится газом (при н.у. - но думаю что при пониженных давлениях не сильно изменится)...А за бортом радиатора у вас 2.7K...Вы у уверены что температура на поверхности (хотя бы локально) не опустится ниже 150 K, и нарастающий слой твердого ксенона не перекроет сечение трубки....
Если температура в теплосистеме упадёт ниже 200К, у нас вся электроника передохнет. Гораздо раньше замерзания газов. Зачем нам это? Конечно, приемлемую для оборудования температуру придётся держать весь полёт. "Вояджеры" же держат. Значит - можно.
Расчеты гидродинамики, фазовых переходов, механических напряжений в трубках у вас есть?
Зачем ещё раз считать то, что посчитано до нас?
Теплоперенос в космических аппаратах - всеьма нетривиальная штука
Не спорю. Так и есть.
по существу исключительно экспериментальна 0- т.е. не попробуешь не узнаешь
Вы сами противоречите себе. Только что Вы предложили посчитать то, что, как теперь выясняется, можно установить только экспериментально. :) Так давайте установим. Вперёд, и с песней.
« Последнее редактирование: 12 Мар 2017 [19:14:04] от bob »

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Если температура в теплосистеме упадёт ниже 200К, у нас вся электроника передохнет.

А шо ей запрещает служить в жидком азоте к примеру?
Зачем ещё раз считать то, что посчитано до нас?

затем, что задачи гидродинамики и теплопереноса тяжело масштабируемые - каждый раз считайте все заново
Вы сами противоречите себе. Только что Вы предложили посчитать то, что, как теперь выясняется, можно установить только экспериментально.

Раччеты они разные бывают...Бывают по общим уравнениям, бывают с масштабированием более мелких систем, а бывают с интерполяцией аналогичного объекта...И доверие к ним разное...
Так давайте установим. Вперёд, и с песней.

Не возражаю - устанавливайте...Как установите кидайте в ветку реальные результаты... ИМХО...Пока ваша идея нерабочая - за отстутствием модели

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
А шо ей запрещает служить в жидком азоте к примеру?
Засуньте свой комп в жидкий азот. Потом по почте в бумажном письме напишете, что получилось. В технике нет правила "заткнись и считай". Есть другое правило: сначала идея излагается на пальцах. Если на пальцах получается нормально, создаётся рабочая модель, чтобы проверить, работает ли идея в принципе. Если в принципе работает, и её захотелось оптимизировать - вот тогда начинаются потуги с расчётами и проектированием деталей узлов и механизмов на уровне чертежей, а не салфетки в столовой. Но большинство устройств так и работает, как их в первый раз собрали на коленке. Потому, что лень считать, почему они работают. Голая эмпирика, сэр. Но это так, в общем. Я имею в виду только то, что перед обсчётом чего-либо, надо быть абсолютно заранее уверенным, что это следует обсчитывать. Если уверенности нет, расчёты бесполезны.
Вот у меня пока нет уверенности на уровне "на пальцах". Мне интересно, нет ли довода, который разобъёт исходную идею именно "на пальцах". И тогда её не нужно будет считать и парить мозги.
« Последнее редактирование: 12 Мар 2017 [19:53:09] от bob »

Оффлайн FRIM@N

  • *****
  • Сообщений: 1 082
  • Благодарностей: 26
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от FRIM@N
P.S. Для примера приведу абсолютный апофеоз потерь на массу радиатора из проектов НАСА, на картинке. Там радиатор раз в десять больше корабля. В таких случаях теряется сам смысл применения ядерной энергоустановки.
bob, вы мыслите как гуманитарий и поэтому не видите полную абсурдность вашего предложения.
Вот вы пишите "Там радиатор раз в десять больше корабля." А если будете использовать баки с рабочим телом в качестве радиатора площадь будет меньше? Конечно же нет, площадь радиатора даже увеличится потому что для баков с рабочим телом нельзя использовать высокую температуру.
В свою очередь радиатор заточенный для охлаждения реактора вполне может иметь рабочую температуру 600-700°С. В качестве теплоносителя используя натрий. Он довольно популярный в системах охлаждения, его с давних времен используют например в выпускных клапанах двигателей внутреннего сгорания, именно для охлаждения, так же в реакторах. Так называемые реакторы с жидкометаллическим теплоносителем.
Ну а сейчас представьте, допустимы ли такие температуры для бака с рабочим телом, ксеноном или металлическим порошком? Конечно нет. Вы вообще можете сказать какую температуру вы предполагаете в вашем варианте радиатора? Так же можете подсчитать эффективность радиатора при температуре 600°С и в вашем случае. Заодно прикинуть площадь.
ИМХО, ни один инженер в здравом уме и твердой памяти не будет проектировать такую систему где охлаждение реактора будет завязано на баки с рабочим телом. Я уже писал, баки с рабочим телом имеют мизерный объем по сравнению с радиаторами охлаждения, поэтому использовать их бессмысленно. Пострадает общая надежность системы, увеличится масса, плюс не стоит забывать про возможность повреждения микрометеоритами.
В эскизе он НАСА дизайн радиаторов кстати оптимальный. Плоская форма, минимальное сечение набегающему потоку, установлены под углом 180 градусов, друг к друга не греют, излучение уходит полностью в окружающее пространство.

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
баки с рабочим телом имеют мизерный объем по сравнению с радиаторами охлаждения, поэтому использовать их бессмысленно. Пострадает общая надежность системы
Вот это другое дело. Надо подумать.

Оффлайн FRIM@N

  • *****
  • Сообщений: 1 082
  • Благодарностей: 26
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от FRIM@N
Не надо думать. Дайте ответ простой и ясный, какую температуру баков с рабочим телом вы предполагаете? Дальше будем считать.

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
Не надо думать. Дайте ответ простой и ясный, какую температуру баков с рабочим телом вы предполагаете? Дальше будем считать.
Спасибо за готовность помочь. Видимо, действительно приходит первое время на посчитать хоть что-то в общих чертах. Возьму небольшой тайм-аут. Надо пошуршать по справочникам, чтобы исходные данные были достойны обсчёта.

Оффлайн FRIM@N

  • *****
  • Сообщений: 1 082
  • Благодарностей: 26
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от FRIM@N
Немного информации по охлаждению реакторов, загуглил сейчас что они из себя представляют.
Цитата
Конструкция быстрых реакторов с натриевым охлаждением определяется главным образом теплотехническими и ядерно-физическими характеристиками натрия: хорошими теплопередающими свойствами, низкой замедляющей способностью и небольшим сечением захвата нейтронов. Температура плавления натрия относительно высока — 98 °С, температура кипения при атмосферном давлении 892 °С, а в рабочих условиях активной зоны реактора 900 -1000 °С. Натрий имеет высокую теплоемкость и хорошую теплопроводность.
Высокая температура кипения натрия позволяет поддерживать высокую рабочую температуру теплоносителя при низком давлении в контуре (0,6 — 1,0 МПа). Благодаря этому достигается высокий термодинамический КПД. Относительно высокая теплоемкость натрия обеспечивает теплоотвод при умеренных скоростях теплоносителя в активной зоне (2 — 6 м/с) и низкой мощности циркуляционных насосов. В то же время хорошая теплопроводность натрия в совокупности с другими высокими тепловыми характеристиками обеспечивает хорошие условия для охлаждения активной зоны в режиме естественной циркуляции при отключении или поломке насосов.
Давление в системе достаточно низкое. Используя плоские радиаторы из нержавеющей стали вероятно можно обеспечить рабочие температуры порядка 800°С. А если грамотно закрутить потоки теплоносителя можно добиться гироскопического эффекта и тем самым стабилизировать положение КА в пространстве, этакий небольшой бонус.

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
этакий небольшой бонус.
Быстрые реакторы с натриевым охлаждением отпадают исходно. Нам некуда торопиться с нашими ионными ЭРД, плавно работающими десятки лет. Мы же не на Марс летим, он нам не интересен. Нам нужен просто рекорд скорости в белый свет, как в копеечку. Возьмём что-нибудь другое... Ну и возьмём, конечно - плоский складной-раскладной прямоугольный радиатор, самый простой. Это проще в расчётах, да и технически проще и удобнее во всех отношениях... Квадратиш, практиш, гут...
« Последнее редактирование: 12 Мар 2017 [20:38:54] от bob »

Оффлайн FRIM@N

  • *****
  • Сообщений: 1 082
  • Благодарностей: 26
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от FRIM@N
Натрием можно охлаждать реакторы не только на быстрый нейтронах, при желании даже РИТЭГи. Суть не в этом, теплоноситель может быть другим. Для КА главное минимизировать массу, а это возможно только при высокой температуре радиаторов. Чем выше тем лучше эффективность охлаждения. Например при разработке прототипов всерьез говорят про температуру панелей охлаждения 1500К, это около 1226 цельсия.

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Засуньте свой комп в жидкий азот. Потом
по почте в бумажном письме напишете, что получилось.

Пользуясь слусаем попутной почтовой оказией высылаю вам пару отчетов(из 100500) о том, что получилось

http://www.youtube.com/watch?v=eS3w1SYukn8
http://www.youtube.com/watch?v=zrJUx3DE7LY

Оффлайн mbrane

  • *****
  • Сообщений: 13 627
  • Благодарностей: 292
  • Мне нравится этот форум!
    • Сообщения от mbrane
Для КА главное минимизировать массу, а это возможно только при высокой температуре радиаторов. Чем выше тем лучше эффективность охлаждения. Например при разработке прототипов всерьез говорят про температуру панелей охлаждения 1500К, это около 1226 цельсия.

Только один вот нюанс ...Чем выше теипература радиатора - тем хуже эффективность реактора - ибо нагревать космос занять богоугодное, но абсолютно бесполезное

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
Натрием можно охлаждать реакторы не только на быстрый нейтронах, при желании даже РИТЭГи. Суть не в этом, теплоноситель может быть другим. Для КА главное минимизировать массу, а это возможно только при высокой температуре радиаторов. Чем выше тем лучше эффективность охлаждения. Например при разработке прототипов всерьез говорят про температуру панелей охлаждения 1500К, это около 1226 цельсия.
Пока продолжаю шуршать по сусекам, небольшой вопрос: то, что главная задача ЭРД - это минимизировать затраты энергии на разгон полезной нагрузки, а не на достижение высоких скоростей - это и ежу понятно. Но чем этому помогает высокая температура радиаторов - не очень ясно. Наоборот, чем меньше реактор отдаёт энергии в единицу времени, тем кажется, что лучше. Не путаете ли Вы энергетическую эффективность вообще с энергетической эффективностью при коротких по времени полётах? Уж ритеги-то точно не любят высоких температур. Зачем поднимать температуру реактора и радиатора высоко, если можно их высвечивать медленно?
Пользуясь слусаем попутной почтовой оказией высылаю вам пару отчетов(из 100500) о том, что получилось

http://www.youtube.com/watch?v=eS3w1SYukn8
http://www.youtube.com/watch?v=zrJUx3DE7LY
Завидую Вам. Хорошая у Вас материнка. То, что матрицы могут и должны работать при максимальном охлаждении. это понятно. Но обычная бытовая электроника так обычно не может.
« Последнее редактирование: 13 Мар 2017 [00:21:21] от bob »

Оффлайн bobАвтор темы

  • *****
  • Сообщений: 32 032
  • Благодарностей: 664
  • Carthago delenda est
    • Сообщения от bob
Дайте ответ простой и ясный, какую температуру баков с рабочим телом вы предполагаете? Дальше будем считать.
Да, давайте считать. Рабочее тело - порошок микрочастиц цезия (Cs).
http://mirznanii.com/a/322148/elektricheskie-raketnye-ionnye-dvigateli
Температура плавления цезия = +28,6°C
Соответственно, 273,15 °C + 28,6°C  = 301,75 К.
Максимальная температура теплоносителя, соответственно, не выше 300 К.  Минимальная температура в контуре охлаждения = 190 К, чтобы работала любая электроника, а не крутая из видео сверху. Это мало, порядка разности между кипящим чайником и комнатным воздухом, но мы никуда и не торопимся. Реактивный разгон чайника его выхлопом в единицу времени нас вполне устраивает энергетически, как и Герона Александрийского.
Удельная теплоёмкость цезия 0.24 кДж/кг на 1 град/с. Толщину слоя рабочего тела в плоском протяжённом баке можно варьировать в любых желаемых пределах. Но лучше - тоньше.
Толщина алюминиевой стенки бака с цементированным покрытием = 0,1 мм.
Удельная теплоёмкость алюминия 0.92 кДж/кг на 1 град/с.
Подводимый по трубкам к тепловыделяющему элементу теплоноситель - любой инертный газ - ксенон, аргон - на выбор. Не натрий. Температур и мощностей нам не надо. Нам нужен рекорд конечной скорости после полного исчерпания баков (не важно, за какое время он будет достигнут), а не рекорд термостойкости оборудования.
« Последнее редактирование: 13 Мар 2017 [01:11:59] от bob »