مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ساخت یک صفحه رادیاتور فضایی مجهز به لوله حرارتی مبنی بر بهینه سازی حداکثر یکنواختی توزیع دما درمقابل حداقل جرم

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
پژوهشگاه فضایی ایران
چکیده
دفع حرارت اتلافی تجهیزات موجود در زیر سیستم کنترل حرارت ماهواره‌ها به‌دلیل محدودیت های موجود در فضا (عدم وجود انتقال حرارت جابجایی، محدودیت توان الکتریکی، سبکی و قابلیت اطمینان بالا) از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. صفحه‌های رادیاتور غالبا وظیفه جمع آوری این حرارت های اتلافی و دفع آن را به فضای سرد به‌عهده دارند. صفحه‌های رادیاتور در طیف گسترده‌ای از ماهواره‌ها، از جمله ماهواره‌های علمی، ماهواره‌های مخابراتی و ماهواره‌های سنجش از دور، استفاده می‌شوند. در ماهواره‌های علمی، رادیاتورها برای دفع حرارت تولید شده توسط ابزارهای علمی مانند دوربین‌ها و طیف‌سنج‌ها استفاده می‌شوند. در ماهواره‌های مخابراتی و سنجش از دور ، رادیاتورها به ترتیب برای دفع حرارت تولید شده توسط تقویت‌کننده‌های توان و حسگرها و پردازنده‌ها استفاده می‌شوند. سبکی، راندمان و قابلیت اطمینان بالا بالای این تجهیز از مزایای استفاده از آن بوده و چالش اصلی استفاده از آن سطح کافی برای دفع حرارت و یکنواختی دمای صفحه رویی هنگام تابش حرارت اتلافی به محیط سرد (فضا) است. استفاده از لوله‌های حرارتی در ساختار سازه صفحه رادیاتور این یکنواختی را مهیا می‌سازد. رادیاتور‌ مجهز به لوله حرارتی شامل یک صفحه ساندویچی است که در آن شبکه‌ای از لوله‌های حرارتی قرار گرفته است. افزایش تعداد لوله‌های حرارتی آن، گرادیان دما در سطح رادیاتور را کاهش و وزن رادیاتور را افزایش می‌دهد. با توجه به اهمیت سبکی تجهیزات در سامانه‌های فضایی، بهینه‌سازی تعداد لوله‌ها و نحوه چیدمان هندسی آنها در رادیاتور باید به گونه‌ای باشد که حداکثر یکنواختی دما در سطح و حداقلی وزن رادیاتور تامین گردد. هدف از پژوهش حاضر، بهینه‌سازی عملکرد یک رادیاتور مجهز به لوله حرارتی(حداکثر یکنواختی دما در سطح) برای دستیابی به حداکثر بازده با لحاظ محدودیت وزنی و ابعادی اعمالی از طرف طراح سیستم می‌باشد. ابتدا یک مدل ریاضی با حل عددی توسعه یافته و به کمک آن اثر پارامترهای طراحی شامل ضخامت رویه و هسته، فواصل بین لوله های حرارتی، جرم و سطح رادیاتور در راندمان صفحه رادیاتور به طور جامع بررسی شده است.. با استفاده از مدل ارائه شده و ملزومات کارفرما برای یک صفحه رادیاتور، فواصل بهینه لوله‌های حرارتی بدست آمده و یک صفحه رادیاتور ساخته شده است. نتایج به دست آمده از آزمون رادیاتور ساخته شده با راندمان پیش بینی شده از مدل مقایسه گردید تا صحه سنجی مدل انجام گیرد. با توجه به نتایج حاصل از آزمایش، راندمان‌ رادیاتور ساخته شده 89% در دمای ریشه 39 درجه سانتی گراد به دست آمد. مقدار خطای این راندمان با راندمان محاسبه شده از تئوری در حدود 3 درصد است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Construction of a Space Panel Radiator Equipped with a Heat Pipe Based on the Optimization of the Maximum Uniformity of Temperature Distribution Against the Minimum Mass

نویسندگان English

amir amini
Abdollah Fani Sani
Isar Dashti Gohari
Mohammad Sadegh Berenjkoub
Saeed Asghari
ranian Space Research Center
چکیده English

Waste heat dissipation from spacecraft subsystems is crucial due to spatial limitations (no convective heat transfer, limited electrical power, lightweight, and high reliability). Radiators are often responsible for collecting and dissipating this waste heat into cold space. Panel radiators are widely used in various satellites, including scientific, communication, and remote sensing satellites. In scientific satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by scientific instruments such as cameras and spectrometers. In communication satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by power amplifiers. In remote sensing satellites, panel radiators are used to dissipate heat generated by sensors and processors. High efficiency, light weight, and high reliability are the advantages of using this equipment. The main challenge in using it is to provide sufficient heat dissipation area and uniformity of the surface temperature when radiating waste heat to the cold environment (space). The use of heat pipes in the panel radiator structure provides this uniformity. A heat pipe radiator consists of a sandwich panel with an embedded network of heat pipes. Increasing the number of heat pipes reduces the temperature gradient across the radiator surface but increases the radiator weight. Due to the importance of equipment lightness in space systems, optimization of the number of pipes and their geometric arrangement in the radiator should be such that maximum temperature uniformity on the surface and minimum radiator weight are achieved. The objective of this research is to optimize the performance of a radiator (maximum temperature uniformity on the surface) to achieve minimum weight while considering the weight and size constraints imposed by the system designer as requirements. Initially, a mathematical model is developed and solved numerically, and the effect of design parameters on the performance of a panel radiator, including face and core thickness, spacing between heat pipes, mass, and surface area, is comprehensively investigated. Based on the simulation results, considering the weight limitations and existing face and core thicknesses, the maximum allowable spacing between heat pipes is calculated to achieve maximum efficiency of the panel radiator. A network of heat pipes with this characteristic was produced and used in the panel sandwich. The results obtained from testing the manufactured panel radiator were compared with the design efficiency to validate the model. Based on the experimental results, an efficiency of 89% was obtained at a root temperature of 39°C. The error of this efficiency with the efficiency calculated from the theory is about 3%.

کلیدواژه‌ها English

Heat Transfer
space
Panel Radiator
Heat pipe
Optimization
[1] A. Razgordanisharahi, Ali, A. Alipour Ghassabi, and C. Hellmich, "Free vibration analysis of cylindrical honeycomb sandwich panels using state-space Levy method", Thin-Walled Structures 182 (2023): 110308.
[2] S. Rashiddadash, M. sadighi, “An Experimental and numerical investigation on low velocity impact properties of sandwich panels with bilateral connection”, Modares Mechanical Engineering, 2018; 18 (4) :23-31 URL: http://mme.modares.ac.ir/article-15-844-fa.html.
[3] F. Hassanpour Roudbeneh, G. H. Lighat, H. Sabouri, “Experimental Investigation of foam filled Sandwich Panels in Concentrated and Distributed Compressive loading”, Modares Mechanical Engineering 2017; 16 (12) :648-656URL: http://mme.modares.ac.ir/article-15-1313-fa.html.
[4] Y. Li, et al. "Study of the Heat Transfer Performance of Laminated Paper Honeycomb Panels", Biomimetics 8.1 (2023): 46.
[5] Z. Xu, et al. "Experimental, numerical and theoretical study on heat transfer in paper honeycomb structure", International Journal of Thermal Sciences 186 (2023): 108108.
[6] X. Zhou, et al. "Research and development of honeycomb door of full-side open boxcar and its simulation and vibration test", International Journal of Structural Integrity (2023).
[7] A. Shahsavar, and A. Müslüm, "Energy and exergy analysis and optimization of a novel heating, cooling, and electricity generation system composed of PV/T-heat pipe system and thermal wheel", Renewable Energy 203 (2023): 394-406.
[8] S. Shoeibi, et al. "Influence of PV/T waste heat on water productivity and electricity generation of solar stills using heat pipes and thermoelectric generator: An experimental study and environmental analysis." Energy Conversion and Management 276 (2023): 116504.
[9] R. Gad, et al. "Evaluation of thermal management of photovoltaic solar cell via hybrid cooling system of phase change material inclusion hybrid nanoparticles coupled with flat heat pipe", Journal of Energy Storage 57 (2023): 106185.
[10] A. Shahsavar and A. Müslüm, "Multi-objective energy and exergy optimization of hybrid building-integrated heat pipe photovoltaic/thermal and earth air heat exchanger system using soft computing technique", Engineering Analysis with Boundary Elements 148 (2023): 293-304.
[11] D. M. Weragoda, et al. "A comprehensive review on heat pipe based battery thermal management systems.", Applied Thermal Engineering (2023): 120070.
[12] A. Shahsavar and A. Müslüm, "Energy and exergy analysis and optimization of a novel heating, cooling, and electricity generation system composed of PV/T-heat pipe system and thermal wheel.", Renewable Energy 203 (2023): 394-406.
[13] A. G. Olabi, et al. "Implementation of Artificial Intelligence in Modeling and Control of Heat Pipes: A Review.", Energies 16.2 (2023): 760.
[14] Zohuri, B., Basic Principles of Heat Pipes and History, in Heat Pipe Design and Technology: Modern Applications for Practical Thermal Management. 2016, Springer International Publishing: Cham. p. 1-41.
[15] P. Qu, et al. "Numerical and experimental investigation on heat transfer of multi-heat sources mounted on a fined radiator within embedded heat pipes in an electronic cabinet." International Journal of Thermal Sciences 183 (2023): 107833.
[16] W. Q. Li, et al. "Experimental investigation on passive cooling, thermal storage and thermoelectric harvest with heat pipe-assisted PCM-embedded metal foam.", International Journal of Heat and Mass Transfer 201 (2023): 123651.
[17] V. R. Pawar and S. Sobhansarbandi. "Heat transfer enhancement of a PCM-porous metal based heat pipe evacuated tube solar collector: An experimental study.", Solar Energy 251 (2023): 106-118.
[18] H. CHANG, "Optimization of a heat pipe radiator design", AIAA 1984-1718. 19th Thermophysics Conference. June 1984.
[19] L. Bussolino, A. Cappelli, R. Gily, “Probabilistic Approach and Optimization for Spacecraft Heat Pipe Radiator Design”, Advances in Heat Pipe Technology, P 531-541, ISBN 9780080272849, 1982. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-027284-9.50053-X.
[20] A. Miyasaka and N. Katsuhiko, "A design method of axially grooved heat pipes embedded in equipment panel for communication satellite.", Japan Society for Aeronautical and Space Sciences 40.456 (1992): 54-60.
[21] C. K. Krishnaprakas and K. Badari Narayana, “Nonfree Space Radiating Fin Optimum Dimension and Efficiency Correlations”, Journal of Spacecraft and Rockets, 2005, 42:1, 187-191.
[22] R. D. Karam, Satellite thermal control for systems engineers vol. 181: Aiaa, 1998.
[23] D. G. Curran and T. T. Lam, "Weight optimization for honeycomb radiators with embedded heat pipes," Journal of spacecraft and rockets, vol. 33, pp. 822-828, 1996.
[24] Y. Wang and G. Peterson, "Optimization of micro heat pipe radiators in a radiation environment," Journal of thermophysics and heat transfer, vol. 16, pp. 537-546, 2002.