Контрольная работа по тепловым явлениям: Тест по физике Тепловые явления 8 класс

Тест по физике Тепловые явления 8 класс

Тест по физике Тепловые явления 8 класс с ответами. Тест включает в себя 9 заданий с выбором ответа.

1. К тепловым явлениям относятся:

А. движение Земли вокруг Солнца
Б. падение мяча на землю
В. нагревание воды в чайнике
Г. притяжение магнитом иголки

2. Температура тела зависит от:

А. размеров тела
Б. скорости движения молекул
В. скорости движения тела
Г. положения тела относительно Земли

3. Книгу переместили с нижней полки на верхнюю, её внутренняя энергия:

А. изменилась
Б. не изменилась
В. превратилась в кинетическую
Г. книга не обладает внутренней энергией

4. Теплопередача — это:

А. изменение внутренней энергии при совершении работы над телом
Б. изменение внутренней энергии при совершении работы самим телом
В. изменение внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом
Г. явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой

5. Установите соответствие между физическими величинами и единицами их измерения.

Физические величины

А) количество теплоты
Б) удельная теплоёмкость
В) удельная теплота сгорания

Единицы измерения

1) Дж/кг
2) Дж
3) Дж/(кг·°С)

6. Агрегатное состояние вещества определяется:

А. только расположением молекул
Б. характером движения и взаимодействия молекул
В. расположением молекул, характером движения и взаимодействия молекул

7. Влажность воздуха характеризуется:

А. плотностью водяного пара, содержащегося в воздухе
Б. температурой, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным

В. температурой, при которой жидкость начинает кипеть
Г. температурой, при которой тело начинает плавиться

8. Установите соответствие между физическими величина ми и их обозначением.

Физические величины

А) удельная теплота плавления
Б) относительная влажность воздуха
В) удельная теплота парообразования
Г) коэффициент полезного действия

Обозначения

1) φ
2) λ
3) η
4) L

9. КПД теплового двигателя может быть:

А. больше 100%
Б. равен 100%
В. меньше 100%
Г. всегда 50%

Ответы тест по физике Тепловые явления 8 класс

1-В
2-Б
3-Б
4-В
5. А2 Б3 В1
6-В
7-А
8. А2 Б1 В4 Г3
9-В

Физика 8 Контрольная работа 1 (Марон)

Физика 8 Контрольная работа 1 (авт. Марон). Контрольная работа по физике в 8 классе к учебнику А.В. Перышкина с ОТВЕТАМИ (в четырех вариантах). Проверяемый раздел учебника: ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ. Цитаты из пособий использованы в учебных целях.

Контрольная работа № 1. Тепловые явления
(физика 8 класс, учебник УМК Перышкин)

Вариант 1 (транскрипт)

1. Сколько граммов воды можно нагреть от 0 до 100 °С, сообщив ей количество теплоты, равное 1200 Дж?
2. Во сколько раз количество теплоты, выделившееся при полном сгорании водорода массой 5 кг, больше, чем при полном сгорании сухих дров той же массы?
3. Определите абсолютную влажность воздуха, который в объёме 40 м³ содержит 200 г водяного пара.

Вариант 2 (транскрипт)

1. Какова была масса каменного угля, если при его полном сгорании выделилось 6 • 10⁴ МДж теплоты?
2. Какое количество теплоты выделится при конденсации паров эфира массой 20 г, взятого при температуре 35 °С, и его дальнейшем охлаждении до температуры 10 °С?
3. В паровой турбине для совершения полезной работы используется 1/4 часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Чему равен КПД турбины?

Вариант 3 (транскрипт)

1. Для нагревания бетонной плиты массой 200 кг от 10 до 40 °С потребовалось 5,3 МДж теплоты. Рассчитайте удельную теплоёмкость бетона.
2. Рассчитайте количество теплоты, которое потребуется для нагревания и плавления меди массой 28 кг, если её начальная температура равна 25 °С.
3. В комнате объёмом 10 м³ содержится 100 г водяного пара при температуре 20 °С. Плотность насыщенного водяного пара при той же температуре равна 17,3 г/м³. Чему равна относительная влажность воздуха в комнате?

Вариант 4 (транскрипт)

1. Какое количество теплоты потребуется для плавления алюминия массой 25 кг, взятого при температуре плавления?
2. Для получения раннего урожая грунт утепляют паром. Сколько потребуется стоградусного пара, выделяющего количество теплоты, равное 36,6 МДж, при конденсации и охлаждении его до температуры 30 °С?
3. Чему равен КПД тепловой машины, если за цикл тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное 100 Дж, и совершает полезную работу, равную 25 Дж?

---

 

Ответы на контрольную работу № 1

 

---

Физика 8 Контрольная работа 1 (авт. Марон). Контрольная работа по физике в 8 классе к учебнику А.В. Перышкина с ОТВЕТАМИ. Раздел учебника: ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

Вернуться к Списку контрольных работ по физике в 8 классе.

Контрольная работа Тепловые явления

	Записаны и использованы не все исходные формулы, необходимые для решения задачи, Или Записаны все исходные формулы, но в одной из них допущена ошибка.	1
	Все случаи решения, которые не соответствуют критериям выше указанным.	0

10-11«5» 8-9«4» 7-5«3» 4-0«2»

Вариант 1

Справочный материал

Удельная теплоёмкость:

Вода 4200(Дж/кг^.0С)

Свинец 140Дж/(кг ^.0С)

Медь 400(Дж/кг^.0С)

А 1 Тепловым движением можно считать

1) движение одной молекулы;

2) беспорядочное движение всех молекул;

3) движение нагретого тела;

4) любой вид движения.

А2 В один стакан налили холодную воду, а в другой — горячую в том же количестве. При этом…

1) внутренняя энергия воды в обоих стаканах одинакова;

2) внутренняя энергия воды в первом стакане больше;

3)внутренняя энергия воды во втором стакане больше;

4) определить невозможно.

А 3 Перенос энергии от более нагретых тел к менее нагретым в результате теплового движения взаимодействия частиц, называется…

1) теплоотдачей;;2) излучением;

3) конвекцией;4) теплопроводностью;

А 4 Единицей измерения удельной теплоёмкости вещества является…

1)Дж;2) Дж/кг^.0С3) Дж/кг4) кг/Дж^.0С

А 5 Количество теплоты, израсходованное при нагревании тела, рассчитывается по

формуле…

1)Q=m (t₂—t₁)2)Q=c (t₂—t₁)3)Q=cm4)Q=cm(t₂—t₁₎

Часть 2

При выполнении задания В1 установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов. Для этого каждому элементу первого столбца подберите позицию из второго столбца. Впишите в таблицу задания цифры- номера выбранных ответов.
В 1. Установите соответствие между утверждениями и примерами их поясняющими.

Утверждения	Примеры
А) При конвекции теплота переносится струями газа или жидкости. Б) Различные вещества имеют разную теплопроводность. В) Воздух является плохим проводником теплоты.	1)На зиму в окна вставляют двойные рамы, а не стекло двойной толщины. 2) Жидкости (в чайнике, котле и т. д.) всегда нагревают снизу, а не сверху. 3) Алюминиевая кружка с горячим чаем обжигает губы, а фарфоровая не обжигает.

Получившеюся последовательность цифр перенесите в бланк ответов (без пробелов и каких-либо символов).

В 2. Какое количество теплоты необходимо сообщить куску свинца массой 2 кг, чтобы нагреть его от 10до 110⁰С. Ответ выразите в кДж.

Часть 3

С 1.В холодную воду массой 2 кг, имеющую температуру 10⁰С опускают брусок массой 1кг, нагретый до 100⁰С.Определите удельную теплоёмкость материала, из которого изготовлен брусок, если через некоторое время температура воды и бруска стала равной 15⁰С. Потерями теплоты пренебречь.

Вариант 2.

Справочный материал

Удельная теплоёмкость:

Вода 4200(Дж/кг^.0С)

Свинец 140Дж/(кг ^.0С)

Медь 400(Дж/кг^.0С)

А 1.От каких величин зависит внутренняя энергия?

от скорости тела и его массы;

от температуры и его массы;

от положения одного тела относительно другого;

от температуры тела и его скорости.

А 2.В каком из приведенных примеров внутренняя энергия увеличивается путём совершения механической работы над телом?

нагревание гвоздя при забивании его в доску;

нагревание металлической ложки в горячей воде;

выбиванием пробки из бутылки газированным напитком;

таяние льда.

А 3.Конвекция может происходить…

только в газах;

только в жидкостях;

только в жидкостях и газах;

в жидкостях, газах и твёрдых телах.

А 4. Единицей измерения количества теплоты является…1) Дж/кг⁰С 2) Дж 3) Дж/кг 4) кг/Дж⁰С

А 5. Количество теплоты, выделяемое при охлаждении тела, рассчитывается по формуле:

1) 1) Q=m (t₂-t₁)2) Q=c(t₂-t₁)3) Q=cm4) Q=cm(t₂-t₁₎

Часть 2

При выполнении задания В1 установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов. Для этого каждому элементу первого столбца подберите позицию из второго столбца. Впишите в таблицу внизу задания цифры – номера выбранных ответов.

В1Установите соответствие между утверждениями и примерами их поясняющими.

Контрольная работа 1, по теме Тепловые явления.

Контрольная работа № 1, по теме «Тепловые явления».

Знак № — это номер ученика по электронному журналу. Ответы к задачам округляются до одного знака после запятой.

Вариант 1 1.Железный диск массой № г. нагрели от 30 до 230° С.. Определите количество теплоты, затраченное на его нагревание (Удельная теплоёмкость железа равна 450 Дж/кг ° С).

2.В бак ёмкостью № л. налили растительное масло. Какое количество теплоты выделится при его полном сгорании? (Плотность масла 800 кг/м³, удельная теплота сгорания растительного масла 5,1*10 ⁷ Дж/кг).

3. Какой керамзитный блок – сплошной или с пустотами лучше обеспечит теплоизоляцию дома. Ответ обоснуйте.

4. В одном термосе находится холодная вода массой 400 г, в другом горячая той же массы. В каком из термосов вода имеет большую внутреннюю энергию? Обоснуйте ответ, используя понятия: молекула, тепловое движение.

Вариант 2 1.Удельная теплота сгорания природного газа 4,4*10⁷ Дж/кг. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании газа массой № г.?

2. Длина пожарной ёмкости 10 м, ширина — 5 м и глубина -3 м. Вода в ёмкости нагрелась от 11 до 43 ° С.. Какое количество теплоты получила вода? (Плотность воды 1000 кг/м³, её удельная теплоёмкость 4200 Дж/кг*° С)

3. Деталь при перемещении из одного цеха в другой нагрелась. Спустя какое то время она остыла. Какой из способов изменения внутренней энергии имел место в первом и во втором случае?

4. Тела из кирпича и стекла одинаковой массы получили одинаковое количество теплоты. Какое из них нагреется до более высокой температуры? Почему?(Удельная теплоёмкость кирпича 880 Дж/кг °С, стекло 840 Дж/кг ° С).

Тепловые явления тесты с ответами по физике 8 класс

Тест по физике 8 класс на тему: «Тепловые явления»

1. Энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, определяет его

— Кинетическую и кинетическую энергию

— Давление

— Тепловую энергию

+ Внутреннюю энергию

2. Как изменится внутренняя энергия если его в начале нагрели, а затем подняли вверх?

+ В начале увеличится, затем не изменится

— В начале уменьшится, затем увеличится

— Будет постоянно увеличиваться

— Не изменится

3. Какое из перечисленных явлений можно отнести к тепловым?

+ Горение костра

— Работа монитора компьютера

— Движение автомобиля по дороге

— Растворение краски в воде

4. Внутренняя энергия тела изменилась в результате теплопередачи если …

— его переместили относительно другого тела

— оно нагрелось после удара молотка

— оно упало с некоторой высоты

+ его положили в холодильник

5. В каком случае внутренняя энергия тела изменилась в процессе излучения

— Тело опустили в кипяток

+ Тело положили возле костра

— Тело бросили с некоторой высоты

— Тело положили в холодильник

6. Вид теплопередачи, при котором энергия передается холодному телу с помощью потока газа или жидкости, называется…

— парообразованием

— теплопередачей

+ конвекцией

— механической работой

7. К какому виду теплопередачи относится изменение внутренней энергии при нагреве шин автомобиля во время торможения?

— Излучение

+ Ни к какому

— Теплопроводность

— Конвекция

8. Изменение внутренней энергии происходит за счет теплопроводности, если

— энергия передается с помощью лучей

— тело нагревается потоком воздуха, нагретого нагревателем

+ тепло передается от более нагретого тела к мене нагретому при соприкосновении

— тела нагреваются во время трения одного о другое

9. Удельная теплоемкость цинка 400 Дж/кг*⁰С. Сколько энергии необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг цинка на 1 ⁰С?

— 800 Дж

+ 400 Дж

— 200 Дж

— 0 Дж

тест 10. Тело нагревают два раза: первый на 15 ⁰С, а второй на 45 ⁰С. В каком случае и во сколько раз было ему передано большее количество теплоты?

— Во 2, в 3 раза

— В 1, в 3 раза

+ Во 2, в 2 раза

— В 1, в 2 раза

11. При сгорании 2 кг каменного угля выделилось 54 МДж энергии. Чему равна удельная теплота сгорания каменного угля?

+ 27 МДж/кг

— 27 МДж/кг*⁰С

— 54 МДж/кг

— 81 МДж/кг*⁰С

12. Тигель рассчитан на максимальную температуру нагрева 660 ⁰С. Какой из металлов нельзя расплавить в этом тигле?

+ Серебро

— Олово

— Цинк

— Свинец

13. Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называется….

— испарением

+ конденсацией

— диффузией

— кристаллизацией

14. Температура воды 50 ⁰С. Какие тепловые процессы в этом случае возможны

— Кипение

— Плавление

— Кристаллизация

+ испарение

15. Какая физическая величина определяется с помощью психрометра?

— Давление

— Температура

— Абсолютная влажность

+ Относительная влажность

16. С помощью какой формулы определяют количество энергии, необходимое для того, чтобы жидкость расплавилась при температуре плавления?

— Q = сm (t2 — t1)

+ Q = λm

— Q = λ/m

— Q = Lm

17. Что показывает значение КПД тепловой машины равное 45%?

+ На совершение полезной работы идет 45% от энергии сгорания топлива

— На совершение полезной работы идет 55% от энергии сгорания топлива

— При полном сгорании топлива 45% энергии переходит во внутреннюю энергию двигателя

— Сгорает только 45% топлива.

18. Для нагревания на 1 ⁰С какого из вещества одинаковой массы необходимо больше энергии?

— Лед

+ Вода

— Одинаковая для воды и льда

— Однозначный ответ дать невозможно

19. В каких единицах измеряется абсолютная влажность?

— Дж

— %

+ кг/м3

— ⁰С

тест-20. С помощью какой формулы определяют количество энергии, необходимое для того, чтобы вещество нагреть от начальной до конечной температуры?

+ Q = сm (t2 — t1)

— Q = λm

— с = Q/m (t2 — t1)

— Q = Lm

Контрольная работа по теме Тепловые явления

Контрольная работа №1 «Тепловые явления» 8 класс

Вариант 1
Часть А
Выберите правильное утверждение:
Внутренняя энергия тела
А. складывается из кинетических энергий движения всех молекул, входящих в состав тела, и потенциальной энергии их взаимодействия

Б. зависит от положения тела, его взаимодействия с другими телами
В. зависит от движения тела в целом
1) А 2) Б 3) В 4) А, Б и В

Изменяется ли скорость беспорядочного движения молекул при повышении температуры вещества?
1) Увеличивается с повышением температуры в любом состоянии вещества.
2) Уменьшается с повышением температуры в любом состоянии вещества.
3) Не изменяется. 4) Изменяется только у газов и жидкостей.

Метеорит, влетевший в земную атмосферу, раскалился. Выберите правильное утверждение:
1) Атмосфера передала метеориту некоторое количество теплоты

2) Метеорит нагрелся вследствие трения о воздух
3) После падения на землю внутренняя энергия метеорита не изменилась
4) Метеорит не может раскалиться в таких условиях

Автомобиль в солнечный день нагревается в основном
1) вследствие теплопроводности 3) вследствие конвекции
2) за счет излучения 4) за счет теплопроводности, излучения и конвекции

Один конец металлического стержня нагревают в пламени горелки. Энергия вдоль стержня передается за счет
1) теплопроводности 2) излучения 3) конвекции

4) теплопроводности, излучения и конвекции

Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?
1) Излучение 2) Конвекция 3) Теплопроводность
4) Ни один из видов теплопередачи не сопровождается переносом вещества

График зависимости температуры Т от времени t
нагревания для трех тел равной массы В
в одинаковых условиях представлен на рисунке. Т, ОС Б
Удельная теплоемкость какого из трех тел является
наименьшей? А
1) А
2) Б
3) В

Изучение термического поведения молочной кислоты с использованием термоаналитических методов

На самом деле, растет интерес к биотехнологическому производству молочной кислоты путем ферментации с целью замены путей использования ископаемого топлива. Разработка эффективного метода его отделения и очистки от ферментационного бульона очень важна для обеспечения экономической жизнеспособности производства. Из-за его высокой реакционной способности и тенденции к разложению при высоких температурах изучение термического поведения молочной кислоты имеет важное значение для процессов ее разделения и потенциального применения.В настоящем исследовании анализ дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) показал эндотермические пики, связанные с процессом испарения. Данные термогравиметрии (TG / DTG) коррелировали с уравнениями Аррениуса и Киссинджера для получения кинетических параметров испарения и использовали для определения энтальпии испарения. Энергия активации составляла 51,08 и 48,37 кДж · моль ^-1 , а значения частоты составляли 859,97 и 968,81 с ^-1 , полученные с помощью уравнений Аррениуса и Киссинджера, соответственно.Термогравиметрия в сочетании с масс-спектроскопией (TG-MS) предоставила полезную информацию о продуктах разложения, когда молочную кислоту нагревали при 573 K в течение приблизительно 30 минут.

1. Введение

Молочная кислота или 2-гидроксипропионовая кислота, органическая кислота, полученная путем ферментации из возобновляемых источников, таких как кукуруза, картофель и другие сельскохозяйственные продукты, является альтернативой традиционным маршрутам нефтяного сырья. Он имеет широкий спектр применения в косметике (увлажняющие средства, осветляющие средства, омолаживающие кожу средства, регуляторы pH, средства против угрей, увлажнители и средства против зубного камня), в фармацевтических продуктах (раствор для диализа, минеральные препараты, таблетки, протезы, хирургические швы и системы контролируемой доставки лекарств), в химии (средства для удаления накипи, регуляторы pH, нейтрализаторы, хиральные промежуточные соединения, зеленые растворители, чистящие средства, агенты с медленным выделением кислоты и комплексообразователи металлов), а также в пищевой промышленности (подкислители, консерванты, ароматизаторы , регуляторы pH, микробиологические агенты, улучшающие качество, и обогащение минералов) [1, 2].Кроме того, он используется в качестве предшественника нескольких других продуктов, таких как оксид пропилена, ацетальдегид, акриловая кислота, пропионовая кислота, 2,3-пентандион, этиллактат и полимолочная кислота [3]; последний используется для производства биоразлагаемых полимеров медицинского назначения. В последнее десятилетие все больше и больше внимания уделяется ее потенциальной производительности из-за растущего спроса на нее на практике. Однако по-прежнему трудно извлечь высококачественную молочную кислоту из ферментационного бульона из-за ее характеристик, таких как высокая вязкость и термочувствительность [4].

Температурную чувствительность и высокую реакционную способность молочной кислоты можно объяснить наличием двух соседних функциональных групп, кислоты и спирта, в небольшой молекуле, содержащей всего три атома углерода, а также их склонностью к разложению при высоких температурах [5] . Однако из обзора литературы не удалось найти точных исследований, подробно описывающих термическое поведение мономера молочной кислоты. С другой стороны, полимолочная кислота (PLA), полимер, полученный полимеризацией молочной кислоты, широко изучалась [6–10].

Разработка эффективного метода отделения и очистки карбоновых кислот из ферментационного бульона очень важна для обеспечения возможности его биотехнологического производства в промышленных масштабах, поскольку на эти стадии приходится 30-40% общих производственных затрат [11]. Однако для извлечения и концентрации термически нестабильных молекул, таких как молочная кислота, важно понимать, как эти молекулы ведут себя при высоких температурах, что может быть достигнуто с помощью термического анализа, такого как дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК), термогравиметрия (ТГ) и термогравиметрия в сочетании с масс-спектроскопией (TG-MS).

ДСК выполняется по разнице энергии, подводимой к образцу и эталонной чашке, в зависимости от температуры. Изменяя энергию образца в зависимости от температуры, можно наблюдать физические и химические явления. Обычно фазовые переходы, реакции дегидратации, восстановления и разложения вызывают эндотермические эффекты, тогда как кристаллизация, окисление и некоторые реакции разложения вызывают экзотермические эффекты [12]. DSC часто используется из-за его скорости, простоты и доступности [13].В литературе имеется несколько обзоров, охватывающих основные концепции, инструменты и общие приложения [13–16].

TG — это методика, регистрирующая изменение массы при нагревании образца. Потеря массы может быть связана со многими явлениями, такими как обезвоживание, сублимация, испарение и разложение. TG использовался для оценки кинетических параметров, таких как энергии активации, порядки реакций и предэкспоненциальный фактор Аррениуса, процессов деградации [17] и испарения [18], а также для определения физических свойств, таких как давление пара и энтальпия испарения [19].

TG-MS — это мощный метод с переносом через дефис, сочетающий прямое измерение потери веса как функции температуры с использованием чувствительных спектроскопических детекторов. Такие детекторы позволяют качественно и количественно определять выделяющиеся летучие продукты, чтобы предоставить кинетическую информацию о конкретных механизмах реакции [20]. Другими преимуществами являются скорость, упрощенная обработка образцов, уникальный образец и отсутствие времени удерживания [21]. Опубликованы научные статьи об инструментах и ​​приложениях ТГ [22–24] и ТГ-МС [21, 25, 26].

Итак, целью данной работы было изучение термического поведения молочной кислоты с помощью ДСК, ТГ / ДТГ и ТГ-МС. Полученные результаты позволили лучше понять термическое поведение молочной кислоты, что позволило разработать адекватные процессы разделения.

2. Экспериментальная

2.1. Материал

DL-молочная кислота (молекулярная масса 90,08 кг · моль ^-1 , номер CAS 50-21-5) ~ 90% стандарт, поставляемый Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, EUA), использовался в термическом анализе. с помощью DSC, TG / DTG и TG-MS без предварительной очистки.Вода и остаточные вещества являются примесями, о которых сообщает поставщик.

2.2. Дифференциальная сканирующая калориметрия

ДСК-эксперимент проводили на оборудовании Shimadzu (Япония), модель DSC-50. Динамическое сканирование проводили при скорости нагрева 10 К · мин ^-1 в диапазоне температур от 294 К до 773 К. Образец анализировали в динамической атмосфере азота при скорости потока 50 мл мин ^-1 . Эксперименты проводились с размером образца ~ 7 мг. Образцы взвешивали в открытых алюминиевых чашах и герметично закрывали.

2.3. Термогравиметрия

Эксперименты по ТГ проводили на термоанализаторе Shimadzu (Япония), модель TGA-50. Применялись постоянные скорости нагрева 5, 10, 15, 20, 25 и 30 К · мин ^-1 . Данные были собраны в диапазоне температур от 296 K до 773 K в динамической атмосфере азота (50 мл · мин ^-1 ). Масса образцов составляла около 15 мг. Оборудование регистрировало данные ТГ и ДТГ (производный термогравиметрический анализ) одновременно. Данные, полученные TG, были использованы для определения кинетических параметров испарения и энтальпии испарения.Данные, полученные DTG, были полезны, чтобы показать стадии испарения и влияние скорости нагрева.

2.4. Термогравиметрия в сочетании с масс-спектрометром

TG-MS анализ проводили с использованием Setaram SetSys Evolution 16/18, соединенного с масс-спектрометром (МС) Thermostar Pfeiffer Vacuum GSD 301T. МС отвечал за мониторинг масс соединений, которые выделялись из образца во время нагревания. Первоначально образец нагревали от 298 К до 773 К со скоростью нагрева 10 К · мин ^-1 в атмосфере азота (16 мл · мин ^-1 ), чтобы наблюдать температурный диапазон, в котором происходит изменение массы произошло.После этого анализ проводили с подключенным масс-спектрометром, нагревая образец от 293 К до 573 К при скорости нагрева 10 К · мин ^-1 в атмосфере азота (16 мл · мин ^-1 ). Кроме того, за 2 ч построена изотермическая печь на 573 К. В этом случае сканирование всех фрагментов, выделившихся из образца во время нагрева, использовалось для получения теплового и масс-спектра. Наконец, ТГ-МС выполняли мониторинг фрагментов более высокой интенсивности. Данные были собраны и использованы для получения термического поведения молочной кислоты и продуктов разложения в зависимости от температуры и времени.

2,5. Кинетические модели

Термогравиметрия — наиболее распространенный метод, используемый для кинетического анализа. Изменение массы образца по температурным данным, полученным с помощью TG / DTG, использовали для определения кинетических параметров испарения. Фактор частоты () и энергия активации () были получены с использованием методов Аррениуса и Киссинджера.

Расчеты основаны на следующем кинетическом уравнении [18]: где соответствует количеству испарившегося материала, — время, — очевидный порядок реакции и — константа скорости.

Количество испарившегося материала () определяется как где — начальная масса образца, — масса образца в определенный момент времени и — конечная масса образца.

зависит от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса: где — коэффициент частоты, соответствует энергии активации, а — газовая постоянная.

Учитывая (1) и (3), получаем следующее выражение:

2.6. Метод Аррениуса

Этот подход предполагает поведение Аррениуса и кинетику реакции нулевого порядка.Взяв натуральный логарифм в (4), получим следующее выражение:

Для реакций нулевого порядка () уравнение может быть вычислено по (7). Значение представлено графиком DTG.

Таким образом, построив график зависимости и коррелируя значения с помощью методов наименьших квадратов для получения прямой линии, наклон будет давать энергию активации после умножения на. Перехват этого уравнения будет эквивалентен.

2.7. Метод Киссинджера

Киссинджер разработал безмодельный неизотермический метод, в котором нет необходимости рассчитывать для каждого значения преобразования для оценки кинетических параметров [27].Этот метод основан на изучении уравнения скорости при максимальной скорости реакции, что означает, что

1998 Intersociety Conference on by IEEE Components Packaging & Manufacturing Technology Society

• Домой
• Мои книги
• Обзор ▾
  • Рекомендации
  • Choice Awards
  • Жанры
  • Подарки
  • Новые выпуски
  • Списки
  • Изучить
  • Новости и интервью

  Жанры

• 0
• Биография
• Бизнес
• Детская
• Христианская
• Классика
• Комиксы
• Поваренные книги
• Электронные книги
• Фэнтези

• Художественная литература
• Графические романы
• Историческая фантастика

  90

• История
• Музыка
• Тайна
• Документальная литература
• Поэзия

• Психология
• Романтика
• Наука
• Научная фантастика
• Самопомощь
• Спорт
• Триллер
• Путешествия
• Молодые люди
nres

Сообщество ▾

• Группы
• Обсуждения
• Котировки

Текущие и будущие методы управления тепловым режимом космических аппаратов 1.Драйверы дизайна и современные технологии

Современные и будущие методы управления тепловым режимом космических аппаратов 1. Драйверы дизайна и современные технологии

---

Современные и будущие методы управления тепловым режимом космических аппаратов 1. Драйверы дизайна и современные технологии

М.Н. De Parolis & W. Pinter-Krainer

Терморегулятор и обогрев Отдел отказа, ESTEC, Нордвейк, Нидерланды

В первой части статьи рассматриваются драйверы дизайна. и технологии, используемые в настоящее время для тепловых контроль.Вторая часть посвящена технологиям будущего. разработки в области терморегулирования появятся в следующих выпусках Вестник.

Зачем нужен терморегулятор?

Потребность для системы терморегулирования (TCS) диктуется технологические / функциональные ограничения и требования к надежности всего оборудования, используемого на борту космического корабля, и, в случае пилотируемых полетов, необходимостью обеспечения экипажа подходящим жилая / рабочая среда. Практически все сложное оборудование имеет определенные температурные диапазоны, в которых он будет работать правильно.Таким образом, роль TCS заключается в поддержании температура и температурная стабильность каждого элемента на борту космический корабль в этих заранее определенных пределах во время всей миссии фазы и тем самым используя минимум ресурсов космического корабля.

общая функция терморегулирования может быть разделена на несколько различные подфункции (рис. 1).

Рисунок 1. Взаимодействие между подфункциями TCS.

Взаимодействие с окружающей средой
Внешнее поверхности космического корабля могут нуждаться в защите от локальная среда или улучшенное взаимодействие с ней, включая:

• уменьшение или увеличение поглощенной окружающей среды флюсы
• уменьшение или увеличение тепловых потерь в Окружающая среда.

Теплоснабжение и хранение
В некоторых случаях или поддерживать желаемый уровень температуры, тепло должно быть и / или должна быть обеспечена подходящая способность аккумулирования тепла. предвиден.

Сбор тепла
Во многих случаях рассеиваемое тепло удаляться из оборудования, в котором он производится, чтобы избегать нежелательного увеличения мощности агрегата и / или температура космического корабля.

Теплопередача
Вообще говоря, это не можно отводить тепло прямо там, где оно генерируется, и необходимо использовать соответствующие средства для транспортировки его из устройство сбора к излучающему устройству.

Отвод тепла
Тепло, собираемое и переносимое должен быть отклонен при соответствующей температуре в радиатор, которым обычно является окружающая космическая среда. Отказ температура зависит от количества задействованного тепла, контролируемая температура и температура среда, в которую устройство излучает тепло.

Конструкция драйверов
Основные параметры движущими силами конструкции TCS являются:

• среда, в которой космический корабль должен работать
• общее количество тепла рассеивается на борту космического корабля
• распределение тепловыделение внутри космического корабля
• температура потребности различных предметов оборудования
• конфигурация космического корабля и его надежность / проверка требования.

Об окружающей среде
Для всех космических аппаратов, поступающая энергия от Солнца и тепло, излучаемое глубоко пространство обычно является основным взаимодействием с окружающей средой. Однако в зависимости от орбиты и положения космического корабля другие параметры могут иметь важное влияние на тепловые дизайн управления. Например, тип стабилизации отношения использование может повлиять на дизайн TCS. В целом стабилизация спина более мягкий, поскольку вращение вызывает усреднение вход экологического потока.Требуется трехосный стабилизированный космический корабль повышенная защита от кратковременных колебаний потребляемой энергии от Солнца или Земли.

Низкая околоземная орбита (НОО)
Эта орбита часто используется космическими аппаратами, которые отслеживают или измеряют характеристики Земля и ее окружающая среда (наблюдение Земли, геодезия и др.), а также в беспилотных и пилотируемых космических лабораториях. (Эврика, Международная космическая станция и др.). Орбиты близость к Земле имеет большое влияние на потребности ТКС, с инфракрасным излучением Земли и альбедо, играющим очень важную роль, а также относительно короткий орбитальный период (менее 2 ч) и большой продолжительности затмения (до трети время).Небольшие инструменты или придатки космических аппаратов, например солнечные панели с низкой тепловой инерцией могут серьезно пострадать в этой постоянно меняющейся среде и может потребовать очень конкретные решения теплового дизайна.

Подъем и возвращение в атмосферу
Для космических перевозок системы, подъем на рабочую орбиту и возвращение с нее (обычно LEO) может вводить дополнительные конструктивные ограничения TCS. Во время этих двух фаз окружающая среда часто слишком теплая, чтобы отклоняют тепло излучением, а радиаторы, используемые на орбите, часто закрытые или охраняемые.Следовательно, альтернативные радиаторы (например, мгновенные испарители) или специальные конструкции TCS, обеспечивающие высокую Для управления этими тепловыми нагрузками необходимо предусмотреть тепловую инерцию.

Геостационарная орбита (GEO)
На этой 24-часовой орбите Влияние Земли почти не заметно, за исключением затенения. во время затмений, продолжительность которых может меняться от нуля в день солнцестояния максимум 1,2 часа в день равноденствия. Длительные затмения влияют на проектирование систем теплоизоляции и обогрева космического корабля.Сезонные колебания направления и интенсивности солнечная энергия оказывает большое влияние на дизайн, усложняя перенос тепла из-за необходимости передавать большую часть рассеиваемого тепла к радиатору в тени, а системы отвода тепла через требуется увеличенная площадь радиатора. Почти все телекоммуникации и многие метеорологические спутники находятся на этой орбите.

Высокоэксцентрические орбиты (HEO)
Эти орбиты могут иметь широкий диапазон высот апогея и перигея в зависимости от конкретная миссия.Обычно они используются в астрономии. обсерваторий (Exosat, IRAS, ISO и др.), а также дизайн TCS требования зависят от орбитального периода КА, количество и продолжительность затмений, относительное положение Земля, Солнце и космические корабли, вид приборов на борту и их индивидуальные температурные требования и т. д.

Специальные орбиты
Миссии, рассчитанные на длительный срок наблюдение отдельных явлений требует постоянного, стабильного окружающей среде и поэтому склонны использовать стабильные орбиты требуется очень мало ресурсов для содержания станции, вдали от любых небесное тело, e.грамм. вокруг лагранжевой точки. Научный космических аппаратов типа SOHO и будущей научной миссии COBRAS- САМБА, типичные для этого класса миссий. Космический корабль Направлен на солнце и поэтому одна сторона постоянно светится и все другие лица, открытые для открытого космоса. Следовательно, ТКС дизайн можно довольно легко оптимизировать, если только особые температурные требования или недостаточно электрическая мощность для обогревателей.

В частности, для космических аппаратов с криогенной нагрузкой низкотемпературная и стабильная по массе среда (если криостаты) или мощности и сложности (для спутников, использующих криоохладители).

Дальний космос и исследование планет
Этот класс миссия включает в себя множество различных подсценариев в зависимости от конкретное небесное тело или целевую зону исследования. В общем, общие черты — большая продолжительность миссии и необходимость справиться с экстремальными тепловыми условиями, такими как круизы близко или далеко от Солнца (от 1 до 4-5 а.е.), низкий вращение очень холодных или очень горячих небесных тел, спуски через враждебную атмосферу и выживание в экстремальных условиях (пыльная, ледяной) среды на поверхностях посещенных тел.В Задача TCS — обеспечить достаточный отвод тепла способность во время горячих фаз эксплуатации и при этом выжить холодные неактивные. Основной проблемой часто является предоставление мощности / энергии, необходимой для этой фазы выживания.

О тепловыделении и его распределение
Здесь важны два фактора. в контексте проектирования TCS, абсолютное значение тепла, которое необходимо рассеивается и его распределение на борту космического корабля, т. е. удельная мощность.Первое значение имеет большое влияние на тепло- функция отбраковки (увеличиваются размеры площади радиатора при увеличении мощности), а плотность мощности определяет тепло функции сбора и транспортировки (вызовы с высокой плотностью мощности для высокоэффективного отвода тепла). Типичные установленные мощности для Сравнение различных типов космических аппаратов представлено в таблице 1.

Таблица 1

 
                                                         Установленная мощность (Вт)
 Миссия Орбита Отношение мин.Максимум.

Наука:
  - астрономия HEO, фиксированная точка наведения на Солнце (в основном)
  - дальний космос Различные переходные орбиты Солнце или наведение планеты 200 1 500

Телекоммуникации GEO Наведение на Землю 500 5 000
Наблюдение за Землей НОО Земля наведение 500 5 000
Метеорология GEO Направление Земли 200 1 500
Перемещение пилотируемых транспортных средств + LEO Разное 1000 10 000
Пилотируемые станции LEO Солнце указывает 3000 30 000
 
 

Два противоречащих друг другу требования могут быть обнаружены с точки зрения мощности загрузка:

• прирост установленной мощности на многоцелевые, многодиапазонные спутники связи и следовательно, потребность в более крупном и эффективном отводе тепла системы
• уменьшение габаритов других классов космических аппаратов и оборудования за счет миниатюризации электроника.С одной стороны, это означает снижение общее количество энергии, потребляемой на борту, но с другой стороны существует риск увеличения плотности мощности, тем самым порождает другой класс проблем.

Еще одним очень важным фактором является рабочий цикл. Самый лучший решением будет рассеивание мощности, которое компенсирует изменение потоков окружающей среды (например, максимальная рассеиваемая мощность во время затмений!), чтобы иметь почти постоянную глобальную жару ввод в космический корабль.Учитывая настоящее, близкое и, вероятно, среднесрочные методы производства электроэнергии, реальность такова напротив: максимальная рассеиваемая мощность происходит вместе с максимальные потоки окружающей среды. Это подталкивает дизайн TCS к завышение размеров теплопередачи и отвода оборудование, чтобы справиться с параллельными пиками. В свою очередь, это пере- определение размеров вызывает увеличение сложности конструкции и потребность в дополнительных ресурсах во время холодных фаз миссия.

Это вводит третье взаимодействие между силовыми подсистемы и TCS, а именно наличие питания во время фазы холодного задания для функции теплоснабжения.Во время тех фаз, питание обычно обеспечивается батареями и поэтому ограниченное. Это ограничение может еще больше усложнить TCS. дизайн.

О требованиях к температуре
Это фактор во многом связан с технологией космического корабля оборудование. Как уже упоминалось, задача TCS — сохранить все элементы оборудования, работающие в пределах допустимой температуры диапазоны, которые, в свою очередь, зависят от внутренней конструкции, используемые компоненты и, наконец, что не менее важно, необходимые надежность.Это особенно касается электронных и электромеханическое оборудование, конструкция которого зачастую слишком похож на своего «земного» аналога, который должен работать в гораздо более благоприятных условиях (воздух — дополнительная ценность для TCS!). Улучшенные тепловые конструкции в сочетании с лучшими определение допустимых температурных диапазонов, позволяющих сэкономить проекты и время, и деньги в долгосрочной перспективе.

Можно определить три соответствующих диапазона температур:

• криогенный диапазон: все температуры ниже 120 K
• обычный диапазон: температура от 120 до 420 K
• высокая- температурный диапазон: все температуры выше 420 К.

Здесь мы сосредоточимся на «обычном ассортименте», статьях относящиеся к двум другим диапазонам, уже опубликованным в прошлых выпусках Бюллетеня ЕКА (например, № 75, август 1993 г. и № 80, ноябрь 1994 г.).

В рамках нашего стандартного диапазона могут быть определены в соответствии с различными требованиями к оборудованию. К классическим примерам относятся:

• батареи, которые являются «худшее» подсистемное оборудование, поскольку оно может иметь широкий диапазон рассеиваемой мощности и, в то же время, всегда имеют очень узкий рабочий (и нерабочий!) диапазон температур (обычно от -5 до + 20 ° C)
• движитель подсистемы, обычно ограниченные по соображениям безопасности диапазоном от 5 до 40 ° C, даже если, в зависимости от конкретной системы, более широкий диапазон может быть приемлемым
• универсальная электроника, с средний рабочий диапазон от -20 до + 70 ° C.

Неэлектронные элементы могут иметь широкий диапазон температур требования, большинство из которых носит функциональный характер, например ограничение теплового шума в датчиках. Некоторые крайние примеры: показано в таблице 2.

Таблица 2

 
                      Операционная стабильность / стабильность при хранении
Позиция Температура (° C) Температура (° C) (° C / м) (° C / мин)

                         Мин. Максимум. Мин. Максимум.
Видеокамера CCD -150-100 - - - ± 0.5
Лазерный тепловой I / F 5 10 5 10 ± 0,5 ± 0,1
Образцы физики жидкости 5 90 5 40 ± 0,1 ± 0,01
Образцы биологических наук 4 38-80-80 ± 1,0
 
 

Температурная однородность и стабильность могут иметь еще большую влияние на конструкцию ТКС, чем абсолютные значения температуры самих себя. Первое можно выразить как максимальное допустимая разница температур между двумя соседними частями, или как максимальный градиент температуры в сплошных телах.В температурная стабильность относится к максимально допустимому изменению изменения температуры конкретного предмета с течением времени. Способность к справиться с этими требованиями зависит от окружающей среды и драйверы конструкции рабочего цикла мощности и на реальном космическом корабле конфигурация.

Следует проявлять особую осторожность, чтобы различать иметь ‘и действительно обязательные требования, а иногда даже несколько градусов (или несколько десятых для устойчивости) могут сделать разница между выполнимой и невыполнимой системой или, по крайней мере, между доступной и очень дорогой системой.

О конфигурации космического корабля, надежности и требования к проверке
Одна из основных проблем конструкции ТКС заключается в том, что конфигурация КА обычно определяется на основе физического размещения различных полезная нагрузка и базовая подсистема (двигательная установка, солнечные батареи и т. д.) элементы. Только когда физическая конфигурация виртуальная заморожен — это дизайнер TCS, чтобы оценить, все ли требования к температуре могут быть выполнены. Если это не будет в этом случае нужно потратить много времени (и денег) на пытаясь переместить оборудование и найти специальные решения, которые никогда не бывают ресурсоэффективными.Параллельная разработка должна применять чаще на всех уровнях, от оборудования до конструкции космического корабля, чтобы попытаться преодолеть эти нередкие проблемы.

Надежность влияет на TCS напрямую (функция TCS имеет собственное требование) и косвенно через оборудование температурные требования. Наибольшее влияние оказывает тепло- функции предоставления, транспортировки и отказа. Для пилотируемых автомобили, например, надежность, необходимая для охлаждения петли могут привести к огромному увеличению сложности и массы ТКС.

Требования к верификации и, в частности, испытаниям слишком часто были причиной того, что эффективный дизайн TCS отклонено. Нежелание использовать тепловые трубки из-за усложнения, вносимые в испытания тепловой системы (см. раздел по теплопроводным системам) является классическим примером. В качестве уже продемонстрированный на многих коммерческих космических аппаратах, настоящий сочетание тестирования на уровне компонентов и системы с методы аналитической корреляции могут решить такие проблемы, что приводит к более простому и эффективному регулированию температуры система.

Важность параметров
Различные драйверы дизайна по-разному влияют на различные TCS функций и по массе, сложности и стоимости их соответствующие дизайнерские решения. Таблица 3 дает представление о отношения между исследованными драйверами дизайна и каждым TCS функция (‘o’ означает незначительное влияние или его отсутствие, а ‘x’ означает растущий уровень важности; M = масса; CX = сложность; CT = Стоимость). Охрана окружающей среды Тепло Пров. и накопление тепла отвод тепла

Таблица 3

 

                   Окружающая среда Тепло Пров.Тепло Тепло Тепло
                   Защита и хранение Сбор отказ от транспортировки

Конструкция Драйверы M CX CT M CX CT M CX CT M CX CT M CX CT
Окружающая среда xx xx xx x xx x o o o o o o xxx xx xx
Рассеивание тепла
- абсолютное o o o o o o xx x xx xx x xx xxx xxx xxx
- плотность o o o o o o xx xxx xxx xx x xx x x x

Температура
- уровень x x x xx xx x x x x x x xx xx xxx x xx
- стабильность x x x xx xxx xx xx xx xx xx xx xx x x x
- однородность x x x xx xxx xx xx xx xx xx xx xx x x x

Надежность o o o x xxx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx

Конфигурация x x x x x x x xxx x xx xx xx xx xx xx

Сборка, x x x xx x x xx x x xx xx xx xx x x
 Интеграция
  
 

Современные методы

Взаимодействие с внешняя среда
Покрытия
Самые простые способ изменить поведение поверхности — покрыть ее краской или слой другого подходящего материала.Все космические корабли используют много разных видов покрытий, от относительно простых до наносить краски на более сложные химически или физически изготовлены конверсионные покрытия. Покрытия характеризуются своим термооптические свойства: поглощающая способность, излучательная способность, отражательная способность и прозрачность.

Основным недостатком покрытий является их деградация. окружающей среды и загрязнения, вызванного наземное обслуживание или космические операции с поглощающей способностью параметр больше всего пострадал.И управляемость на земле, и космическая среда, как правило, увеличивает первоначальную поглощающую способность покрытие, приближающееся к значению конца срока службы (EOL). Последнее зависит от времени, проведенного на орбите, соответствующая среда (частица потоки, УФ-поток и т. д.) и ориентацию поверхности по отношению к по движению космического корабля.

Правильная конструкция TCS должна должным образом учитывать все эти факторы и используйте подходящие для начала жизни (BOL) и EOL ценности.

Многослойная изоляция (MLI)
При простом покрытии недостаточно, чтобы избежать больших тепловых потерь или выгод для поверхность, можно использовать многослойную изоляцию.Он состоит из определенное количество слоев пластика (обычно майлара или Каптон), покрытый с одной или двух сторон слоем металлического материал для уменьшения излучения и разделен листами прокладочный материал (например, дакроновая сетка), чтобы избежать прямого контакта между смежные фольги. Внешний вид фольги зависит от конкретное применение: он может быть окрашен или металлизирован, или может даже состоят из другого материала (например, армированного стекловолокном ткань).

Эффективность MLI может быть определена как линейная проводимость через одеяло или через так называемый «эффективный эмиссия ‘.В первом случае тепловой поток можно рассчитать как произведение заданного значения на температуру разница между внешним слоем и фурнитурой, покрытой одеялом. Во втором случае он рассчитывается как лучистый теплообмен с использованием эффективного эмиттанса (рис. 2). Этот параметр имеет очень простую математическую формулировку, но он может иметь совершенно разные физические значения и выбор определение зависит от используемой техники моделирования.

Фигура 2.Определение эффективного излучения для различных макетов MLI

Факторами, влияющими на эффективность, являются физические состав одеяла (количество слоев, тип покрытий, и т. д.), средняя температура одеяла (обычно арифметическая среднее значение между двумя крайними слоями), возможное присутствие воздух или влажность внутри слоев и давление между ними. Очень важный фактор — это то, как одеяло нанесенный на поверхность космического корабля: цельный кусок одеяла покрытие большой поверхности более эффективно, чем несколько небольших одеяла, покрывающие ту же поверхность.Одеяло, подвешенное над поверхность (случай 3 на рис. 2) более эффективна, чем в прямом контакт с поверхностью (случай 1 на рис. 2).

Вообще говоря, эффективность MLI измеряется на относительно небольшие выборки, в то время как реальная эффективность MLI Система известна только во время тепловых испытаний на уровне системы. Следовательно, соответствующие факторы безопасности должны применяться во время этап проектирования.

На рис. 3 показана зависимость теплопроводности от температуры для Образцы MLI, измеренные в ESTEC для некоторых недавних программ ESA.На рисунке 4 показана зависимость теплопроводности от среднего значения. температура для образцов и реальных (с нахлестом, швами, и т. д.) MLI (имеющий идентичный состав), измеренный для Spacelab.

Рисунок 3. Теплопроводность нескольких образцов MLI как функция средней температуры

Рисунок 4. Влияние перекрытия и наличия пропусков на MLI теплопроводность

Жалюзи / ставни
Поверхность может потребоваться только защищен во время определенных фаз миссии, в то время как в другое время он должен быть свободным, чтобы излучать в глубокий космос.Жалюзи можно использовать либо для обеспечения радиатора во время фаз с Sun освещение, или для уменьшения теплопотерь в холод (тень) фазы.

В решетчатом радиаторе, показанном на рис. 5а, каждая пластина снабжен сенсорным / исполнительным элементом (например, биметаллическим пружины), который измеряет температуру радиатора опорной плиты и соответственно вращает лезвие. Радиатор можно заблокировать полностью выключается, когда температура ниже (или выше для Солнца жалюзи), чем предварительно определенное значение, и подвергаются разной степени в зависимости от преобладающего уровня температуры.Точность регулирование температуры зависит от физического характеристики механизма жалюзи и обычно ограничены до ± 5 ° C.

Рис. 5. Схема жалюзи (а) и заслонки (б)

Жалюзи для установки на радиаторы были разработаны в Европе. в начале 1970-х годов ERNO и SNIAS (сегодня DASA Aerospace и Aerospatiale соответственно), но они не часто использовались на борту европейского космического корабля.

Затвор (рис. 5 б) состоит из тонкой металлической пластины (или одеяло), которое можно скользить по поверхности (обычно электродвигатель), чтобы изменить открытую площадь радиатора почти непрерывным образом от нуля до максимальной экспозиции.Преимущества по сравнению с жалюзи более эффективный коэффициент излучения, когда заслонка полностью открыта (многоотражение отсутствует или очень ограничено эффекты) и лучшая эффективность изоляции, когда полностью закрыто. Тепловой затвор этого типа использовался на Джотто ЕКА. космический корабль.

Преимущества жалюзи и жалюзи — большая адаптация к условиям окружающей среды и снижению мощности и энергия, необходимая для обогрева во время холодных фаз. Недостатки масса и наличие связанных механизмов, которые могут снизить надежность ТКС.

Теплоснабжение
Электрооборудование обогреватели
Нагреватели электрические сопротивления самые простые средства обеспечения теплом оборудования космических аппаратов. Обеспечение и функции хранения разделены тем, что первый осуществляется TCS, а последний обеспечивается за счет мощности подсистема.

Обогреватели могут иметь постоянное питание или, как правило, включаться и выключаться в зависимости от температуры контролируемый элемент. В последнем случае возможно наличие местное управление с помощью термостатов или центральное управление через специальный коммутационный блок (так называемый терморегулятор) или через Система обработки данных космических аппаратов (DHS).Это подразумевает использование датчики температуры и данные и командные строки. В зависимости от особенности конфигурации космического корабля и температурные требования, эта система контроля и управления нагревателем может стать весьма сложный. Поэтому основными недостатками обогревателей являются необходимость для электроэнергии и либо сложности DHS, либо снижение надежности при использовании термостатов.

На всех космических аппаратах используются электронагреватели. В последнее время лет европейские обогреватели были квалифицированы в соответствии с строгие спецификации ESA для одинарной и двойной плотности конструкции (до 200 Ом / см²).

Радиоизотопные нагреватели
Некоторые планетарные и исследовательские миссии к периферии Солнечной системы не могут полагаться на Солнце и батареи для производства и хранения электроэнергии мощность для целей TCS. Радиоизотопные нагревательные установки (РУ) на базе на плутонии, затем использовались либо для обогрева космического корабля напрямую или для производства электроэнергии с помощью радиоизотопа Термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) для питания нагревателей. Есть в настоящее время нет европейских производителей RHU или RTG, но оба США и Россия разработали и использовали эти устройства для своих миссии в дальний космос.Политические проблемы, а также проблемы с закупками сделает использование этого типа RHU все менее приемлемым в будущем.

Накопитель тепла
Материалы с фазовым переходом (PCM) предлагают возможность накапливать тепловую энергию непосредственно как скрытую тепло плавления или сублимации. Контролируемый элемент связан с сосудом, заполненным ПКМ. Когда элемент активен, PCM поглощает тепло и плавится или сублимирует при стабильной температура; когда оборудование неактивно, PCM может затвердеть, выпуская соответствующее количество тепла.Обычно плавильные ПКМ можно легко использовать в обратимых, закрытых системах, в то время как сублимирующие ПКМ используются в открытых, необратимых системы (т. е. газ выпускается после фазового перехода, чтобы избежать избыточное давление).

Наиболее важными параметрами являются температура, при которой происходит фазовый переход, и количество поглощенного тепла или выпущен во время изменения. Диапазон температур обычно составляет интерес представляют околонулевой диапазон (от 5 до + 10 ° C), или конкретные диапазоны для конкретных экспериментов, e.грамм. 80 ° C для медико-биологические эксперименты. Другими важными параметрами являются теплопроводность и плотность двух фаз; то бывший из-за необходимости передачи тепла эффективно внутри PCM, а последний, потому что содержащий конструкции должны выдерживать объемное изменение ПКМ.

Два преимущества устройства PCM — это стабильность контроль температуры и отсутствие движущихся частей. Жара- требования к хранению определяются продолжительностью включения обратимого систем, а также по общему времени работы для нереверсивных (т.е.грамм. системы сублимации, кипячения ПКМ. Так как масса устройства прямо пропорциональна способности аккумулировать тепло, это сложно использовать устройство PCM без серьезного удара на общий массовый бюджет. Более того, проблемы, связанные с ограниченная теплопроводность многих ПКМ делает необходимым использовать оребренные емкости, которые снова увеличивают массу и объем устройств. Еще один повод для беспокойства — дизайн контейнер от утечки, для безопасности (PCM могут быть довольно коррозионные) и функциональные причины.

устройств на базе ПКМ использовались на космических аппаратах США, в том числе несколько миссий, запускаемых шаттлами. Различные макеты были разработан в Европе в 1970-х годах, но, помимо приложения на Spacelab нет упоминаний об их использовании на других Европейский космический корабль.

Сбор и транспортировка тепла
выбор наиболее подходящей системы и компонентов зависит на общий уровень мощности, удельную мощность и температуру требования.

Механические элементы
Обычный способ сбора тепло, рассеиваемое любым элементом оборудования, проходит через его опорную плиту и элементы крепления (монтажные ножки).С увеличением мощности рассеивания, вся опорная плита должна соприкасаться с панель космического корабля. Передаваемое тепло зависит от такого параметры как межфазное давление, чистота поверхности, типы используемых материалов и т. д., что иногда бывает сложно для количественной оценки (на уровне проектирования) и контроля (во время производства и интеграция). Способы увеличения проводимости за счет интерфейсные поверхности включают использование металлических или синтетических матов, или нанесение термопасти.Это последнее решение должно использовать с осторожностью из-за очевидного потенциального загрязнения проблемы.

В некоторых случаях несколько блоков подключаются вместе к одному промежуточная сплошная панель, называемая дублером, обычно изготовлен из алюминия. Этот удвоитель распределяет тепло по большую площадь, тем самым обеспечивая улучшение равномерность температуры и увеличение эффективного контакта область к теплопередающему или теплоотводящему устройству. это удобно размещать резервные блоки или блоки, работающие с различные рабочие циклы на одном удвоителе, чтобы использовать тепло, рассеиваемое рабочими блоками для поддержания других в установленных пределах без необходимости в дополнительной мощности нагрева.В Недостатком этого простого решения является масса дублера, которые должны быть достаточно толстыми для достижения хорошей эффективности.

Иногда используются оплетки из проводящего материала (например, меди) для подключения теплоотводящего оборудования к «выносному» радиатору. В качестве общая проводимость пропорциональна поперечной сечение и обратно пропорционально его длине, этот метод может очевидно, что его можно использовать только на короткие расстояния и очень низкие тепловые нагрузки. Например, понадобится медный стержень весом около 22 кг. для транспортировки 10 Вт на расстояние 1 м при температуре разница 10 °.Для сравнения простая тепловая трубка (например, тепловая трубка из нержавеющей стали / аммиака диаметром 9,5 мм) обеспечивает лучшую производительность (меньший перепад температур) для масса 0,25 кг / м, т.е. примерно в 100 раз меньше. Одно преимущество коса — это ее гибкость, которая обеспечивает определенную степень изоляция от вибрации и помогает избежать конфигурации проблемы.

Тепловые трубки
Тепловые трубки — это устройство, которое позволяет эффективный транспорт тепловой энергии. Обычно он состоит из герметичная металлическая трубка с капиллярной структурой внутри, заполнен подходящей рабочей жидкостью.Тепло поглощается одним концом за счет испарения жидкости, а с другой стороны высвобождается конденсация пара. Жидкость возвращается обратно в испаритель капиллярными силами.

На космических кораблях чаще всего используются тепловые трубки. тип алюминия / аммиака, обеспечивающий оптимальный контроль температуры в диапазоне 0-40 ° C. Поскольку количество переносимого тепла по трубе определяется ее конструкцией и размерами, эквивалентная теплопроводность фиксирована, что приводит к постоянному Теплопроводная трубка (CCHP на рис.6а).

Рис. 6. Схемы ЦТЭУ (а) и ВТЭУ (б).

Существует также специальный тип тепловой трубки, известный как переменная Теплопроводная трубка (ВЧП, рис. 6б). Это устройство обеспечивает лучший контроль температуры, когда оборудование может рассеиваются на разных уровнях мощности, или конденсатор обнажается в различных условиях. Количество передаваемого тепла составляет обычно контролируется путем блокировки части области конденсатора с помощью инертный газ.

Так как капиллярные силы слабее гравитационных, тепловые трубки могут работать только в поле силы тяжести, если испаритель и конденсатора на одном уровне, или если испаритель находится ниже конденсатор (так называемый «режим рефлюкса»).Следовательно, если у космического корабля тепловые трубки расположены в разных плоскостях, это не всегда можно полностью проверить полный тепловой расчет с только тестирование на уровне системы. Однако, как уже было сказано, это ограничение может быть преодолено и поэтому не должно ограничивать использование тепловых трубок, что дает большие преимущества.

Контуры охлаждения
Для большего или большего рассеивания мощности строгие требования к температуре, другой сбор тепла и могут использоваться транспортные системы.Различные виды жидких петель были предложены и применены, чтобы справиться с этими ситуациями.

В однофазных контурах охлаждающая жидкость поглощает тепло от рассеивающих тепло предметов (например, через холодную пластину или теплообменник), увеличивая его температуру, и транспортирует к теплоотводящему устройству (теплообменнику или напрямую через радиатор), в котором жидкость охлаждается. Механический насос — это необходим для обеспечения гидравлической энергии, необходимой для этой задачи (Рис. 7а).

Рисунок 7.Схема охлаждающих контуров: (а) Однофазный контур. (б) Двухфазная петля с механическим управлением. (c) Двухфазный капилляр петля. (d) Двухфазный гибридный контур

Преимущества этих систем заключаются в их гибкости и отсутствие чувствительности к их ориентации и механическим Окружающая среда. Скорость потока жидкости можно легко регулировать (например, через насос с регулируемой скоростью), что позволяет использовать любой из вариантов мощности рабочие циклы (возможно соотношение от 1 до 10) и / или разные уровни точности, стабильности и однородности температуры.В диапазон температур может быть адаптирован к конкретному применению выбрав подходящую жидкость. Поскольку жидкость циркулирует за счет механического воздействия насоса система работает с одинаковая эффективность на земле, на борту космического корабля или во время спуска на небесное тело. Недостатки — мощность необходим для привода насоса и возможных вибраций, вызванных насос и потоки жидкости.

Однофазные жидкостные контуры широко используются с самого начала дни пилотируемых космических полетов.В России их тоже использовали часто для беспилотных космических аппаратов; например были использованы воздушные петли на Протоне, жидкостные петли на мощных телекоммуникациях космический корабль (в сочетании с развертываемыми радиаторами), и комбинированные жидкостно-воздушные контуры на извлекаемых низкоорбитальных космических аппаратах (например, Foton). В Европе они использовались на Spacelab и Eureca, и в будущем будет использоваться на орбитальной орбите Колумбуса. Помещения, а также мини-логистический модуль под давлением.

Двухфазные контуры с механической накачкой (ПДК, рис.7b) являются аналогичен однофазным петлям, за исключением того, что жидкость меняет состояние (испаряется при поглощении тепла и конденсируется в устройства для отвода тепла) вместо того, чтобы просто изменять температуру. В преимущество по сравнению с однофазным типом заключается в более низкий расход жидкости, необходимый для управления тем же количеством тепла (за счет использования скрытой теплоты испарения) и связанное с этим снижение уровня ресурсов, необходимых для TCS (меньшее потребление электроэнергии насоса, меньшая масса за счет более мелкие трубопроводы и запас жидкости и т. д.).

В контурах с капиллярной накачкой (CPL: рис. 7c) движущая сила обеспечивается капиллярным действием материала фитиля внутри испарители и отдельный механический насос не нужны. Однако существуют определенные операции или этапы миссии для какая помощь капиллярному действию может быть желательной (например, запуск контура, пиковые нагрузки, высокие механические нагрузки или заземление тестирование).

Гибридные петли (рис. 7d), состоящие из CPL с механической насос сейчас предлагаются.При номинальных режимах работы насос обходится, и поток жидкости обеспечивается капилляром действия. Только во время критических фаз насос вставляется в петля для обеспечения дополнительной энергии, необходимой для жидкости. Многие экспериментальные CPL летали или летят, чтобы продемонстрировать технология, которая в настоящее время используется в нескольких земных наблюдательные эксперименты, например европейский ATLID и американский EOS-AM.

Термические стыки
Используются для передачи тепла от фиксированный элемент космического корабля к любому развертываемому / подвижному / вращающемуся элемент (e.грамм. радиатор). В зависимости от характера и степени допустимое движение (одиночное развертывание, непрерывное вращение, и т. д.), соединение может быть очень простым (упомянутая коса выше для малых тепловых нагрузок) или значительно более сложный.

Гибкие тепловые трубы были предложены для одиночного развертывания, и вращающиеся термические соединения (на основе сплавов с памятью формы или газа давление) для периодического вращения. Их еще предстоит летать на Европейский космический корабль.

Отвод тепла
Радиаторы
A радиатор — это просто (очень) проводящая панель, открытая глубоко пространство и (обычно) покрытые покрытием с высоким коэффициентом излучения.В зависимости от размеров и конфигурации космического корабля возможны быть центральными радиаторами, к которым отводится все тепло на борту передается, или несколько радиаторов, каждый из которых предназначен для полезной нагрузки блок или группа полезных нагрузок и / или подсистем.

Рассеивающее оборудование может быть установлено непосредственно на радиатора или подключенных к нему через тепловые трубки или контуры жидкости. В последнем случае тепловые трубы или жидкостные трубопроводы могут быть крепится к внешним поверхностям радиатора или прямо встраивается в его структуру.Второе решение более эффективно из структурная (экономия массы) и тепловая точки зрения, но также может быть менее надежным из-за вероятности микрометеороидов воздействует на радиатор, и более критично в отношении деятельность по интеграции космических аппаратов.

Размер радиатора зависит от рассеиваемой мощности, температура отбраковки (определяется контролируемыми объектами) и температура окружающей среды (рис. 8). В в большинстве случаев радиатор устанавливается на панели космического корабля и поэтому излучает только с одной стороны.В случае высокого и / или переменная мощность или меняющиеся условия окружающей среды, это конфигурация не очень производительная. Лучшее решение — использовать обе стороны радиатора, но это подразумевает необходимость развертывание радиатора.

Рисунок 8. Влияние на радиатор площади окружающей среды (раковина) и температура радиатора

Один из способов справиться с изменяющейся тепловой нагрузкой — использовать жалюзи. или жалюзи на радиаторе, как обсуждалось ранее.

Тепловые насосы термоэлектрические
Насосы тепловые обратимые машины, способные передавать тепловую энергию от нижних от температуры к телам с более высокой температурой с помощью дополнительного источник энергии.Использовались только термоэлектрические тепловые насосы. в космосе до сих пор, основной особенностью которого является Пельтье элемент, который получается в результате соединения через металлический язычок полупроводниковых материалов типа n и типа p.

Эффективность элемента Пельтье зависит от его внутренней характеристики (термоэлектрический эффект, тепловой и электрический проводимость), электрический ток, температура контролируется и температура радиатора. Общая производительность термоэлектрического теплового насоса строго связана к эффективности тепловой связи между Пельтье выступы элементов и охлаждаемые или нагреваемые поверхности.

Для низких нагрузок охлаждения / нагрева элементы крепятся болтами между опорной плитой регулируемого элемента и теплом тонуть. Термопаста обычно наносится на поверхность раздела с повысить термическую эффективность соединения. Однако, как давление на границе раздела не может быть высоким по механическим причинам, это метод не подходит, когда требуются высокие тепловые характеристики (очень строгий контроль температуры и / или сильное охлаждение / нагрев нагрузки). В этом случае предпочтительным решением является пайка элементы к радиатору.

Самыми эффективными радиаторами в настоящее время являются водяные. обменники. Хорошие характеристики также можно получить при воздушном нагреве. обменники, за счет большего объема и большей мощности расход (нужен для привода вентиляторов). Во всех остальных случаях нагрузки охлаждения / нагрева, а также разница температур между холодной и горячей стороной должно быть очень мало, иначе требуемая электрическая мощность становится недопустимой.

Термоэлектрические тепловые насосы обычно используются для герметичных контроль температуры маломощных приборов (преимущества отсутствие вибрации и простота монтажа) и оборудование, используемое для экспериментов в условиях микрогравитации.Многие системы имеют были разработаны и используются как для пилотируемых (например, ESA’s Biorack), так и для беспилотный космический корабль (например, Biobox на борту Foton).

---

О нас | Поиск | Обратная связь

---

Бюллетень ESA Nr. 87.
Опубликовано в августе 1996 г.
Разработано ESA-ESRIN ID / D.

Что такое конечно-элементный анализ и как он работает?

Анализ методом конечных элементов или FEA — это моделирование физического явления с использованием численного математического метода, известного как метод конечных элементов или FEM.Этот процесс лежит в основе машиностроения, а также множества других дисциплин. Это также один из ключевых принципов, используемых при разработке программного обеспечения для моделирования. Инженеры могут использовать эти МКЭ для уменьшения количества физических прототипов и проводить виртуальные эксперименты для оптимизации своих конструкций.

Для понимания физических явлений, происходящих вокруг нас, требуется сложная математика. К ним относятся такие вещи, как гидродинамика, распространение волн и термический анализ.

Анализ большинства этих явлений может быть выполнен с использованием уравнений в частных производных, но в сложных ситуациях, когда требуется несколько уравнений с высокой степенью переменных, анализ методом конечных элементов является ведущим математическим методом.

СВЯЗАННЫЕ: ИЗУЧИТЕ 15 СТЕПЕНИ ИНЖЕНЕРА: ЧТО НАИБОЛЕЕ ПОДХОДИТ ДЛЯ ВАС?

История анализа методом конечных элементов

Истоки FEA восходят к известному математику Эйлеру в 16 веке. Однако более жесткое определение «FEA» восходит к первым упоминаниям метода еще в работах Шельбаха в 1851 году.

Анализ методом конечных элементов — это процесс, разработанный инженерами для решения проблем структурной механики в гражданском строительстве и в аэрокосмической отрасли.

Источник: Craig Bonsignore / Flickr

Это практическое намерение методологии означало, что с самого начала эти методы были разработаны как нечто большее, чем просто математическая теория. К середине 1950-х годов методы FEA стали достаточно продвинутыми, чтобы инженеры могли начать использовать их в реальных ситуациях.

Математические принципы FEA также полезны в других областях, таких как вычислительная гидродинамика или CFD. Ключевое отличие здесь в том, что метод FEA фокусируется на структурном анализе, а CFD — на гидродинамике.

Что влечет за собой выполнение FEA?

По сути, алгоритмы FEA интегрированы в программное обеспечение для моделирования, такое как Autodesk Inventor Nastran или набор программного обеспечения ANSYS.

Эти программы обычно интегрируются в программное обеспечение автоматизированного проектирования (САПР), что значительно упрощает инженерам переход от проектирования к выполнению сложного структурного анализа.

Для запуска моделирования FEA сначала создается сетка, содержащая миллионы мелких элементов, составляющих общую форму. Это способ преобразования трехмерного объекта в ряд математических точек, которые затем можно проанализировать. Плотность этой сетки может быть изменена в зависимости от сложности или простоты моделирования.

Вычисления выполняются для каждого отдельного элемента или точки сетки, а затем объединяются, чтобы получить общий окончательный результат для конструкции.

Так как вычисления выполняются на сетке, а не на всем физическом объекте, это означает, что между точками должна выполняться некоторая интерполяция. Эти приближения обычно находятся в пределах того, что необходимо. Точки сетки, в которых данные известны математически, называются узловыми точками и обычно группируются вокруг границ или других областей изменения в дизайне объекта.

FEA может также применяться для термического анализа материала или формы.

Например, если вы знаете температуру в одной точке объекта, как бы вы могли определить точную температуру в других точках объекта в зависимости от времени? Используя метод FEA, эти точки можно аппроксимировать с использованием различных режимов точности. Есть квадратное приближение, полиномиальное приближение и дискретное приближение. Каждый из этих методов становится более точным и сложным.

Если вас действительно интересует интенсивная математическая сторона FEA, прочтите этот пост от SimScale, в котором подробно рассказывается о деталях.

Computational Fluid Dynamics

Другой тип FEA, о котором мы упоминали ранее, — это Computational Fluid Dynamics, который требует изучения того, как он используется.

Суть CFD основана на уравнениях Навье-Стокса, которые исследуют однофазные потоки жидкости. В начале 1930-х годов ученые и инженеры уже использовали эти уравнения для решения жидкостных задач, но из-за нехватки вычислительной мощности уравнения были упрощены и уменьшены до двух измерений.

Хотя эти первые практические приложения гидродинамического анализа были примитивными, они уступили место тому, что вскоре стало важным активом моделирования.

В первые годы решение задач CFD требовало упрощения уравнений до такой степени, что их можно было решать вручную. Ни в коем случае не средний инженер использовал эти вычисления; скорее, вплоть до конца 1950-х годов CFD оставалась в основном теоретической и исследовательской практикой. Как вы, наверное, догадались, в 1950-е годы вычислительные технологии улучшились, что позволило разрабатывать алгоритмы для практического CFD.

Первая функциональная компьютерная имитационная модель CFD была разработана командой из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в 1957 году.Команда потратила большую часть 10 лет, работая над этими вычислительными методами, которые позволили создать ранние модели для большей части основы современных программ, охватывающих функцию завихренности в потоке до анализа частиц в ячейках.

К 1967 году компания Douglas Aircraft разработала работающий метод трехмерного анализа CFD. Анализ был довольно простым и был разработан для потока жидкости над профилями. Позже он стал известен как «панельный метод», так как анализируемая геометрия была значительно упрощена, чтобы упростить вычисления.

С этого момента история CFD в значительной степени основана на инновациях в математике и компьютерном программировании.

Уравнения полного потенциала были включены в методологию Boeing в 1970-х годах. Уравнения Эйлера для трансзвуковых потоков были включены в коды в 1981 году. Несмотря на то, что ранняя история CFD созрела с развитием, компании, участвовавшие в разработке этой технологии, также были заметны. Двумя ключевыми игроками в развитии методов вычислений для CFD были НАСА и Boeing.

К 1990-м годам, однако, технологии и вычислительные возможности стали настолько развитыми, что автопроизводители также увидели применение CFD в автомобильном дизайне. GM и Ford переняли эту технологию в 1995 году и начали производить автомобили, которые были намного более аэродинамичными по сравнению с квадратными фургонами прошлого.

История CFD пронизана громкими именами в отрасли, каждая из которых превратила анализ CFD в один из крупнейших доступных инструментов моделирования.

Для многих современных инженеров понимание сложной математики, лежащей в основе CFD, не является необходимым для проведения моделирования.Инструменты используются не только экспертами в области гидродинамики и математики, но теперь к ним также может получить доступ обычный инженер, имеющий практически любой уровень квалификации.

Не знаю, как вы, но иметь доступ к одному из самых мощных в математическом отношении программ для анализа симуляций в качестве обычного инженера — это довольно круто.

Вместе алгоритмы FEA и CFD, встроенные в современные инструменты САПР, дают инженерам доступ к тому, что по сути является математическими сверхспособностями.

.