Urządzenie testowe do zarządzania temperaturą ciekłego metalu w dziedzinie testowania technologii lotniczej zostało opracowane przez Instytut Fizyki i Technologii Chemicznej Chińskiej Akademii Nauk i zainstalowane w podstawowej szafie testowej dla przemysłu lotniczego Mengtian Experimental Module stacji kosmicznej. Wykorzystuje metal na bazie bizmutu o niskiej temperaturze topnienia, wysokim bezpieczeństwie biologicznym i stabilnych właściwościach chemicznych. Przeprowadzić badania charakterystyczne i weryfikację eksperymentalną technologii rozpraszania ciepła przepływu i kontroli temperatury ze zmianą fazową w kosmicznym środowisku mikrograwitacji.
zdjęcie
Lokalizacja urządzenia testującego zarządzanie temperaturą ciekłego metalu w podstawowej szafie testowej dla przemysłu lotniczego
CZĘŚĆ 1
Co to jest ciekły metal? Jakie zasady obowiązują podczas testowania?
Ciekły metal to amorficzny, płynny metal ciekły. Jest to ogólny termin określający szereg metali i materiałów stopowych o niskiej temperaturze topnienia. Jest płynny w temperaturze pokojowej lub niższej temperaturze ogrzewania i ma płynność. Ma silną przewodność elektryczną i przewodność cieplną. Charakteryzuje się wysoką wydajnością, niską lepkością i szerokim zakresem temperatur cieczy. W eksperymencie tym wykorzystano głównie dwie zasady rozpraszania ciepła ciekłego metalu, mianowicie konwekcyjne przenoszenie ciepła i kontrolę termiczną ze zmianą fazy ciało stałe-ciecz.
zdjęcie
płynny metal
Konwekcyjne przenoszenie ciepła oznacza, że ciekły metal przepływa przez powierzchnię grzejną, pochłania ciepło powierzchniowe i utrzymuje temperaturę powierzchni grzewczej na określonej, odpowiedniej wartości. Ciekły metal pochłaniający ciepło nagrzeje się, przekaże ciepło do otoczenia w określonym urządzeniu rozpraszającym ciepło, a następnie odzyska. do temperatury początkowej, przepływając w ten sposób ponownie przez powierzchnię grzewczą, aby uzyskać przepływ kołowy;
Sterowanie termiczne ze zmianą fazy ciało stałe-ciecz to radiator ze zmianą fazy zainstalowany na powierzchni grzewczej, który topi się po pochłonięciu ciepła i przejściu ze stanu stałego w ciecz. Proces topienia pochłania ciepło, ale temperatura się nie zmienia, kontrolując w ten sposób powierzchnię grzewczą w określonej odpowiedniej temperaturze. Kiedy powierzchnia grzewcza przestanie działać, ciekły metal stopniowo krzepnie i przechodzi w stan stały. Podczas procesu krzepnięcia temperatura pozostaje niezmieniona, ale ciepło jest uwalniane. Ciepło to stopniowo rozprasza się do otoczenia. Całkowicie zastygły metal jest gotowy do dalszej obróbki powierzchni grzewczej. Stan stały Materiały metalowe stosowane do kontroli termicznej zmiany fazy ciekłej mają niską temperaturę topnienia, zwykle poniżej 100 stopni i można je regulować w zależności od potrzeb.
CZĘŚĆ 2
Jakie wyniki osiągnięto w badaniu?
W tym teście na orbicie moduł testowy konwekcyjnego rozpraszania ciepła uzyskał charakterystykę zmienności współczynnika przenikania ciepła w zależności od natężenia przepływu, co jest ukierunkowane głównie na zastosowania o niskim natężeniu przepływu w małych obwodach płynów. Wcześniej nie było wiarygodnych danych dotyczących współczynnika przenikania ciepła, do których mogliby się odwołać projektanci w obszarze niskiego natężenia przepływu, na którym skupiał się ten projekt testowy. Wyniki tego testu wypełniły tę lukę;
zdjęcie
Moduł kontroli temperatury zmiany fazowej uzyskuje w czasie krzywą zmian temperatury procesu topienia materiału metalowego. Na rozkład temperatury materiału podczas procesu topienia istotny wpływ ma grawitacja. Gdy występuje grawitacja, różnica gęstości spowodowana różnymi temperaturami płynu spowoduje naturalny przepływ. Ten przepływ spowoduje szybsze ujednolicenie temperatury wewnętrznej ciekłego metalu; chociaż grawitacja środowiska kosmicznego jest wyjątkowo słaba, różnica gęstości nie spowoduje naturalnego przepływu, a rozkład temperatury wewnątrz ciekłego metalu będzie stosunkowo nierówny. Test ten jest wyposażony w zmianę fazy metalu. We wnęce materiału tworzy się struktura o zwiększonej wymianie ciepła, która może szybko przenosić ciepło do wnętrza materiału metalowego, powodując jego bardziej równomierne topienie, co skutkuje bardziej jednolitą temperaturą. Wyniki weryfikacji testu są zgodne z oczekiwaniami.
Oprócz sprawdzenia technologii konwekcyjnego przenoszenia ciepła i kontroli temperatury ze zmianą fazy, w teście tym zweryfikowano także kluczowe technologie, takie jak kontrolowane topienie, buforowanie ekspansji i przewodnictwo cieplne na granicy faz metalu na bazie bizmutu w środowisku mikrograwitacji kosmicznej.
Kluczowe posty z wiedzą na temat terminologii technicznej
Kontrolowane topienie: odnosi się do kontrolowanego topienia metali w kolejności według zadanych pozycji i sekwencji.
Buforowanie ekspansji: odnosi się do buforowania zmiany objętości, gdy zmienia się metaliczny stały płyn. W przypadku obwodu zamkniętego, jeśli ta zmiana objętości nie zostanie buforowana, rurociąg pęknie.
Przewodność cieplna interfejsu: odnosi się do małych szczelin, które pojawiają się, gdy stykają się dwie stałe powierzchnie. Powietrze pozostałe w tych szczelinach będzie utrudniać przenoszenie ciepła pomiędzy dwiema stałymi powierzchniami. Dlatego szczeliny należy wypełnić materiałami łączącymi ciepło, takimi jak ciekły metal. To wypełnienie Przewodność cieplna materiału jest znacznie wyższa niż powietrza, co pozwala na przenoszenie ciepła pomiędzy dwiema stałymi powierzchniami przy niewielkiej różnicy temperatur.
CZĘŚĆ 3
Jakie są implikacje badawcze testu?
W ramach tego projektu po raz pierwszy na świecie zastosowano stop na bazie bizmutu o niskiej temperaturze topnienia i charakteryzujący się wysokim bezpieczeństwem biologicznym do przeprowadzenia testów na orbicie i weryfikacji kluczowych technologii zarządzania temperaturą w przestrzeni ciekłych metali. Odpowiednie wyniki można wykorzystać w przyszłych kosmicznych źródłach energii jądrowej, awionice o dużej gęstości mocy i cywilnych urządzeniach dużej mocy. Zapewnią kluczowe wsparcie techniczne dla zastosowań inżynieryjnych lub przemysłowych, które wymagają wydajnego przenoszenia i rozpraszania ciepła, takich jak urządzenia.
CZĘŚĆ 4
W jakich obszarach spodziewasz się zastosowań w przyszłości?
Osiągnięcia osiągnięte w ramach tego projektu w zakresie rozpraszania ciepła przez konwekcję ciekłego metalu i kontroli temperatury ze zmianą fazową mają na celu głównie zaspokojenie potrzeb inżynieryjnych w zakresie kontroli termicznej, takich jak ciągłe ogrzewanie lub przerywane ogrzewanie przy dużym obciążeniu urządzeń elektronicznych o dużej gęstości strumienia ciepła. Wraz z rozwojem technologii sztucznej inteligencji, technologii wirtualnej rzeczywistości i dużej szybkości. Wraz z ciągłym rozwojem technologii przetwarzania obrazu strumieniowego i innych dziedzin, gęstość mocy sprzętu elektrycznego wyposażonego w te funkcje stale rośnie. Aby zapewnić wydajność roboczą komponentów elektrycznych w warunkach dużego obciążenia, konieczne jest przyjęcie bardziej wydajnej, prostej i niezawodnej technologii rozpraszania ciepła. Projekt Dwie technologie rozpraszania ciepła ciekłych metali to weryfikacje eksperymentalne przeprowadzone w odpowiedzi na zapotrzebowanie przemysłu i oczekuje się, że odegrają główną rolę w wielu dziedzinach.
zdjęcie
Źródło treści: China Manned Spaceflight Autor: Liu Guilin, Instytut Fizyki i Chemii, Chińska Akademia Nauk
