Kylare med vätskedroppar

Vätskedroppsradiatorn (LDR) eller tidigare kallad vätskedroppstrålare är en föreslagen lättviktsradiator för bortledning av spillvärme som genereras av kraftverk, framdrivning eller rymdfarkostsystem i rymden.

Bakgrund

Ett avancerat eller framtida rymduppdrag måste ha en kraftkälla eller framdrivning som kräver avvisning av spillvärme. Att omhänderta stora mängder spillvärme måste övervägas för att realisera en storrymdsstruktur (LSS) som hanterar hög effekt såsom en kärnreaktor eller en rymdsolenergisatellit (SPS) .

uppdrag	kraftnivå	varaktighet
Framtida rymdstation	75–300 kW	30 år
Rymdbaserade lasrar	1–10 MW	10 år
Partikelstråle	1 MW	10 år
Rymdbaserad radar	30–100 kW	10 år
Månbas	100–300 kW	30 år
uppdrag till Mars	15 MWe	7 år
uppdrag till Jupiter	63 GW	285 d transit
interstellära solsegel 5 × 10 ⁶ kg	0,6 MW	1433 år till Alpha Centauri
interstellär antimateriaraket 80,7 × 10 ⁹ kg	122 650 TW	128,5 år till 40 LY

Sådana rymdsystem kräver avancerade termiska styrsystem för hög temperatur . Värmerör i flytande metall med konventionella radiatorer anses vara idealiska för sådana applikationer. Emellertid är den erforderliga radiatorytan enorm, därför är systemmassan mycket stor. Vätskedroppsradiatorn (LDR) har en fördel när det gäller det avvisade värmeeffekt-viktförhållandet. Resultaten av studierna indikerar att för avvisningstemperaturer under cirka 700 K är LDR-systemet betydligt lättare i vikt än de andra avancerade radiatorkoncepten. En LDR kan vara sju gånger lättare än konventionella värmerörsradiatorer av liknande storlek. LDR är mer motståndskraftig mot meteoritpåverkan på grund av mindre kritisk yta eller vindstyrka och kräver mindre lagringsvolym. Därför har LDR väckt uppmärksamhet som en avancerad radiator för rymdsystem med hög effekt.

År 1978 föreslog John M. Hedgepeth, i "Ultralightweight Structures for Space Power," i Radiation Energy Conversion in Space, Vol. 61 av Progress in Astronautics and Aeronautics, KW Billman, red. (AIAA, New York, 1978), sid. 126, användningen av en dammradiator för att minska radiatorvikten hos solenergisatelliter. Praktiska problem med detta dammsystem ledde till LDR-konceptet 1979. Många studier har gjorts av företag, organisationer och universitet runt om i världen.

Praktiska experiment utfördes till exempel med STS-77 och vid fallschakt i Japan: Japan Microgravity Center (JAMIC) och Microgravity Laboratory of Japan.

Begrepp

allmän LDR-konceptmekanik

Systemet för vätskedroppsradiator (LDR) består av en droppgenerator, en kollektor, en värmeväxlare , en recirkulationspump och en tryckregulator av bälgtyp ( ackumulator ). Medan den genomgår en minskning av trycket sprutas den mättade vätskan ut i rymden som sammanhängande strömmar av små, diskreta droppar. Droppströmmen kan vara en kolonn eller ett ark av vätskedroppar som rör sig genom rymden från droppgeneratorn till uppsamlaren. Dropparna transporterar spillvärmen som genereras av ett rymdkraftsystem och strålar ut denna spillvärme direkt till rymden under sin flygning genom transient strålningsvärmeöverföring . Vätskedropparna samlas upp vid en lägre temperatur, återuppvärms och pumpas till droppgeneratorn och återanvänds för att fortsätta att ta bort spillvärme från den termodynamiska kraftcykeln.

Trycket vid vilket vätskedroppar bildas kan variera kraftigt i olika tillämpningar, men det visade sig att när droppflödet väl har etablerats krävs väsentligt lägre tryck för att upprätthålla flödet av droppströmmar.

Värmeöverföring

Spillvärme från rymdfarkoster avvisas i slutändan till rymden av radiatorytor. Radiatorer kan ha olika former, såsom strukturella paneler för rymdfarkoster, platta radiatorer monterade på sidan av rymdfarkosten, paneler utplacerade efter att rymdfarkosten är i omloppsbana och droppar. Alla radiatorer avvisar värme genom infraröd (IR) strålning från sina ytor. Strålningseffekten beror på ytans emittans och temperatur. Radiatorn måste avvisa både rymdfarkostens spillvärme plus eventuell strålningsvärmebelastning från miljön eller andra rymdfarkostytor. De flesta radiatorer får därför ytfinish med hög IR-emittans ( $ε$ > 0,8) för att maximera värmeavvisning och låg solabsorption ( $α$ < 0,2) för att begränsa värmebelastningar från solen. Högtemperaturradiatorer föredras för bättre effektivitet och storleksreduktion, men vätskeegenskaper och droppmolnegenskaper är ytterligare faktorer. Bildning av droppstorlek och dropptäthet styr emission och reabsorption . En mindre droppe är väsentlig för att erhålla effektiv strålning i vätskedroppsradiatorn. En droppe med en diameter på 1 μm har beräknats kyla från 500 K till 252 K på två sekunder. Ett tätt moln av dropparket kommer att fördröja nedkylningshastigheten för dropparna på grund av återabsorptionen av det emitterade ljuset.

En enda droppe utstrålar värme när den färdas genom rymden och när som helst denna värmeförlust ges av:

${\dot {q}}=(4\pi a^{2})\sigma FT^{4}$

där $\sigma$ är Stefan–Boltzmann-konstanten , ${\dot {q}}$ är droppens värmeförlusthastighet till rymden (joule/sekund), $a$ är droppradie (meter), $F$ är den genomsnittliga gråkroppsvisningsfaktorn för droppe i strömcentrum (mindre än en), och $T$ är den absoluta dropptemperaturen vid varje tidpunkt ( kelvin ).

Denna ekvation modellerar droppen som en grå kropp med konstant medelemissivitet. Den momentana strålningshastigheten är lika med graden av energiförlust som resulterar i denna ekvation:

$(4\pi a^{2})\sigma FT^{4}=-c\rho {\ frac {4\pi a^{4}}{3}}{\frac {dT}{dt}}$

där $c$ är den specifika värmekapaciteten , $\rho$ är densiteten för droppen (kg/m ³ ), $t$ är droppens transittid (sekunder).

Begränsningar, utmaningar och lösningar

Driftsmiljön är inte bara det svarta rymden, utan en med solstrålning och diffus strålning som reflekteras och emitteras från solen (stjärnor), jorden, andra objekt och eller rymdfarkostens egen framdrivning. Det är möjligt att "orientera" den droppande arkkanten mot en extern värmekälla men arkytan skulle fortfarande vara utsatt för strålning från andra källor. De flesta av de presenterade lösningarna av ekvationen för strålningsöverföring är praktiska förenklingar genom att införa antaganden.

För att uppnå hög uppsamlingseffektivitet måste stänk av droppen på uppsamlarens yta minimeras. Det fastställdes att droppsamlare med en infallsvinkel på 35 grader kan förhindra att en likformig droppström med droppdiameter 250 µm och en hastighet av 16 m/s stänker under mikrogravitationsförhållanden . En annan lösning är att ha en vätskefilm bildad på den inre ytan av uppsamlaren. När droppströmmarna absorberas i denna vätskefilm bör inga stänk bildas. En felfångsthastighet av inkommande droppar krävdes vara mindre än ^10-6 . Droppdiametern bestämdes vara mindre än 300 µm och dropphastigheten mindre än 20 m/s. Om en ferrofluid används kan ett magnetiskt fokuseringsorgan effektivt undertrycka stänk.

När dropparket är i fritt fall skulle en rymdfarkost som utför en manöver eller vinkelacceleration förlora kylvätska. Även en magnetiskt fokuserad LDR har en mycket begränsad tolerans på mindre än 10 ⁻³ g.

En droppgenerator har cirka 10 ⁵ – 10 ⁶ hål (öppningar) per system med diametrar på 50–20 µm. Dessa öppningar är mer känsliga för skador än en konventionell solid radiator eller värmerör, vilket kan påverka droppbildningen och droppströmmens flödesriktning, vilket potentiellt kan orsaka vätskeförlust.

Vätskor

Vätskor med lågt ångtryck är att föredra för arbetsvätskorna för att minimera avdunstningsförluster på grund av snabbavdunstning . Det har visat sig att vätskor i intervallet 300 till 900 K har ett så lågt ångtryck att avdunstningsförlusten under den normala livslängden för ett rymdsystem (möjligen så länge som 30 år) bara blir en liten bråkdel av den totala massan av kylaren. Vätskans livslängd i LDR-miljön påverkas av termisk stabilitet , oxidativ stabilitet och motståndskraft mot strålning .

temperaturområde ( K )	typ av kylvätska	exempel
250 K – 350 K	silikonoljor siloxan	Trimetyl-pentafenyl-trisiloxan
370 K – 650 K	flytande metall eutektik
500 K – 1000 K	flytande tenn

Om en flytande metall används som kylvätska, kan pumpningen av vätskan använda en elektromagnetisk anordning. Enheten inducerar virvelströmmar i metallen som genererar en Lorentzkraft med tillhörande magnetfält. Effekten är pumpningen av den flytande metallen vilket resulterar i en förenklad design utan rörliga delar. Detta är känt som MHD- pumpning. Till exempel befanns en enkel blandning av mineralolja och järnspån närma sig en lämplig ferrofluid under flera sekunder, innan separation av järnspån och olja observerades i närvaro av ett magnetfält. Vid droppstorlekar på cirka 200 µm kommer ytspänningen att hålla de två komponenterna vid accelerationer upp till cirka 1 g.

Om en jonisk vätska används som kylvätska kan vätskan användas för momentumöverföring mellan rymdfarkoster som färdas med olika hastigheter. Det kan vara möjligt att syntetisera vätskan på plats. exempel är BMIM-BF4 ₍ [ _C8H15N2_]⁺ BF4− ) _42,5 viktprocent ^kol . Månregolit innehåller vanligtvis flera föreningar med kol och cirka 5 % av asteroiderna är kolhaltiga kondriter som är rika på kol såväl som metaller och vatten. Det kan vara möjligt att bryta månen efter kol och kombinera det med andra grundämnen för att producera jonisk vätska. En annan bra källa till kol är Mars största måne, Phobos , som är en infångad asteroid som tros vara rik på kol.

LDR-designkonfigurationer

olika LDR-konfigurationer

Det finns två olika droppuppsamlingsscheman: det centrifugala tillvägagångssättet och det linjära uppsamlingsschemat. Den linjära kollektorn anses vara enklare, mer pålitlig och lättare.

Flera olika LDR-konfigurationer har föreslagits och utvärderats.

Spiralen LDR använder en generator och kollektor som roterar med samma vinkelhastighet. Detta koncept ansågs vara mer komplext på grund av onödig rotation av uppsamlaren.
Den medföljande skivan LDR innehåller en droppgenerator i mitten för att skapa en skiva av droppar. Endast uppsamlaren roterar. Hela kylaren är omsluten av ett genomskinligt hölje, vilket minimerar förorening av rymdfarkoster till följd av eventuella felande droppar. Detta koncept ansågs vara mer komplext på grund av onödig rotation av uppsamlaren.
Den ringformade LDR använder en roterande uppsamlare för att fånga upp ett ringformat ark av droppar från en ringformig generator. Den ringformiga LDR har en ineffektiv strålningsprestanda - arket strålar ut till sig självt mer än dropparken med alternativa konfigurationer.
Flera föreslagna varianter av LDR använder elektriska fält för att kontrollera droppbanor som i bläckstråleskrivaren . Den elektrostatiska termiska (energi) radiatorn (ETHER) är i huvudsak en föreslagen variant av LDR. Dropparna är laddade och i samband med en laddning på rymdfarkosten som är mittemot droppladdningen kommer dropparna att utföra en något elliptisk bana. Denna stängda bana skulle minska den totala systemstorleken. Detta koncept kräver oro för dropp-plasma-interaktioner. Vidare, i låg omloppsbana om jorden kommer rymdfarkosten att förvärva sin egen potential .

Rektangulära och triangulära versioner av LDR har undersökts mest.

Den rektangulära LDR använder en linjär kollektor som är lika bred som droppgeneratorn. Uppsamlaren kan vara tvåsidig, där två droppark som rör sig i motsatta riktningar träffar en enda uppsamlare. En alternativ variant skulle använda en ensidig uppsamlare, med endast en generator och droppark. I en rektangulär LDR finns det ingen fokusering av dropparket, och dropptätheten förblir konstant längs flygbanan. Det är den enklaste LDR-designen med den största strålningsytan.
Det triangulära LDR- konceptet använder en droppgenerator för att bilda en konvergerande strömmatris (ark) av droppar. Uppsamlaren, belägen vid konvergenspunkten för dropparket, använder en centrifugalkraft för att fånga upp dropparna. Den triangulära LDR är i sig mindre massiv på grund av den mindre uppsamlaren. Systemstudier har visat att en triangulär LDR kan vara 40 procent mindre massiv än en rektangulär LDR. Men för alla jämförbara storlekar har den triangulära LDR halva arean av ett rektangulärt ark och avvisar därför mindre värme. För närvarande har användningen av pitotrörspickuper ersatt de ursprungliga komplexa roterande tätningarna. Kollisioner i ett fokuserat droppark resulterar i koalescens av de stötande dropparna. Den triangulära LDR utvecklas nu mer omfattande.
Den magnetiskt fokuserade LDR använder ett magnetfält för att fokusera strömmar av droppar riktade från generatorn mot uppsamlaren, och säkerställer därigenom att i stort sett alla droppar fångas upp, även om några av strömmarna kan vara felriktade när de lämnar generatorn. Det magnetiska fokuseringsorganet är också effektivt för att undertrycka stänk av vätska när dropparna träffar uppsamlaren. Den magnetiskt fokuserade LDR undersöktes och patenterades av Brookhaven National Laboratory (BNL) under ett bidrag från Department of Energy (kontrakt DE-AC02-76CH00016). Det magnetiska organet kan åstadkommas med en toroidformad elektromagnet eller permanentmagneter. Eftersom endast en sida av dropparket skulle fokuseras av en enda permanentmagnet, måste ett jämnt tal placeras tvärs över varandra intill uppsamlaren. En permanent dipolmagnet har begränsad fältstyrka, vilket begränsar radiatorstorleken. Elektromagneter eller (kryogeniskt kylda) supraledande magneter erbjuder högre fältstyrkor, men kan ha massavvägning. En viktig slutsats från beräkningar är att en rymdfarkost kan manövreras vid accelerationer mindre än 10 ⁻³ g. Högre accelerationer kräver många mindre LDR som kommer att vara mer massiva i summan, men som skulle vara mer benägna att överleva.

Övervakning och underhåll

Systemkontroll och övervakning med hjälp av artificiell intelligens skulle kunna förbättra driften av det autonoma kraftsystemet.

Vidare forskning

LDR studeras som en biprodukt av ett koncept som använder en vätskeström för momentumöverföring mellan en annalkande rymdfarkost och en annan rymdfarkost, station eller månbas. Denna metod kan minska rymdfarkostens massa samtidigt som den ökar effektiviteten i rymdflygningen.

En Liquid Sheet Radiator (LRS), anpassad för planetariska ytor, är i huvudsak en fontän innesluten i ett transparent hölje. Vätskan rinner ner på insidan av detta kuvert. Radiatorkonceptet med flytande ark är exceptionellt stabilt och kräver ingen speciell bearbetning av öppningen för att uppnå dess prestanda.

Se även

Anteckningar