Il dispositivo di prova per la gestione termica del metallo liquido nel campo dei test sulla tecnologia aerospaziale è stato sviluppato dall'Istituto di tecnologia fisica e chimica dell'Accademia cinese delle scienze e installato nella cabina di prova di base aerospaziale del modulo sperimentale Mengtian della stazione spaziale. Utilizza metallo a base di bismuto con basso punto di fusione, elevata biosicurezza e proprietà chimiche stabili. Svolgere ricerche caratteristiche e verifiche sperimentali della dissipazione del calore del flusso e della tecnologia di controllo della temperatura a cambiamento di fase in un ambiente di microgravità spaziale.
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La posizione del dispositivo di test di gestione termica del metallo liquido nella cabina di prova di base del settore aerospaziale
PARTE 1
Cos'è il metallo liquido? Quali principi sono coinvolti nei test?
Il metallo liquido è un metallo liquido amorfo e scorrevole. È un termine generale per una serie di metalli a basso punto di fusione e materiali in lega. È liquido a temperatura ambiente o a temperatura di riscaldamento inferiore e ha fluidità. Ha una forte conduttività elettrica e conduttività termica. Ha le caratteristiche di alta efficienza, bassa viscosità e ampio intervallo di temperature del liquido. Questo esperimento ha utilizzato principalmente due principi di dissipazione del calore del metallo liquido, vale a dire il trasferimento di calore per convezione e il controllo termico del cambiamento di fase solido-liquido.
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metallo liquido
Il trasferimento di calore per convezione significa che il metallo liquido scorre attraverso una superficie riscaldante, assorbe il calore superficiale e mantiene la temperatura della superficie riscaldante a un determinato valore appropriato. Il calore che assorbe il metallo liquido si riscalda, trasferisce il calore all'ambiente in un determinato dispositivo di dissipazione del calore, quindi si riprende. alla temperatura iniziale, scorrendo quindi nuovamente attraverso la superficie riscaldante per ottenere un flusso circolare;
Il controllo termico del cambiamento di fase solido-liquido è un dissipatore di calore a cambiamento di fase installato sulla superficie riscaldante che si scioglie dopo aver assorbito il calore e passa da solido a liquido. Il processo di fusione assorbe calore ma la temperatura non cambia, controllando così la superficie riscaldante ad una determinata temperatura appropriata. Quando la superficie riscaldante non funziona più, il metallo liquido si solidifica gradualmente fino a raggiungere lo stato solido. Durante il processo di solidificazione la temperatura rimane invariata ma viene rilasciato calore. Questo calore si dissipa gradualmente nell'ambiente. Il metallo completamente solidificato è pronto per il successivo lavoro della superficie riscaldante. Lo stato solido I materiali metallici utilizzati per il controllo termico del cambiamento di fase liquida hanno un basso punto di fusione, generalmente inferiore a 100 gradi, e possono essere regolati in base alle esigenze.
PARTE 2
Quali risultati ha ottenuto la sperimentazione?
In questo test in orbita, il modulo di test di dissipazione del calore per convezione ha ottenuto le caratteristiche di variazione del coefficiente di trasferimento del calore con la portata, che è principalmente rivolto ad applicazioni a bassa portata di piccoli circuiti di fluidi. Prima di ciò, non esistevano dati affidabili sulle caratteristiche del coefficiente di trasferimento termico a cui i progettisti potessero fare riferimento nell'area a bassa portata su cui si concentrava questo progetto di prova. I risultati di questo test hanno colmato questa lacuna;
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Il modulo di controllo della temperatura a cambiamento di fase ottiene la curva di variazione della temperatura del processo di fusione del materiale metallico nel tempo. La distribuzione della temperatura del materiale durante il processo di fusione è notevolmente influenzata dalla gravità. Quando c'è gravità, la differenza di densità causata dalle diverse temperature del fluido innescherà un flusso naturale. Questo flusso farà sì che la temperatura interna del metallo liquido si uniformi più rapidamente; mentre la gravità dell'ambiente spaziale è estremamente debole, la differenza di densità non causerà un flusso naturale e la distribuzione della temperatura all'interno del metallo liquido sarà relativamente irregolare. Questo test è dotato di un cambiamento di fase del metallo. Nella cavità del materiale è installata una struttura di trasferimento del calore migliorata, che può trasferire rapidamente il calore all'interno del materiale metallico, facendolo sciogliere in modo più uniforme, con conseguente temperatura più uniforme. I risultati della verifica del test sono in linea con le aspettative.
Oltre a verificare il trasferimento di calore per convezione e la tecnologia di controllo della temperatura a cambiamento di fase, questo test ha anche verificato tecnologie chiave come la fusione controllata, il buffer di espansione e la conduzione termica dell'interfaccia del metallo a base di bismuto in un ambiente di microgravità spaziale.
Post di conoscenza chiave della terminologia tecnica
Fusione controllata: si riferisce alla fusione controllata di metalli in sequenza secondo posizioni e sequenze prestabilite.
Buffer di espansione: si riferisce al buffering della variazione di volume quando cambia il liquido solido metallico. Per un circuito chiuso, se questa variazione di volume non viene tamponata, la tubazione scoppierà.
Conduttività termica dell'interfaccia: si riferisce ai minuscoli spazi che appariranno quando due superfici solide sono in contatto. L'aria rimanente in questi spazi ostacolerà il trasferimento di calore tra le due superfici solide. Pertanto, gli spazi devono essere riempiti con materiali di interfaccia termica, come il metallo liquido. Questo riempimento La conduttività termica del materiale è molto superiore a quella dell'aria, consentendo il trasferimento del calore tra due superfici solide con una piccola differenza di temperatura.
PARTE.3
Quali sono le implicazioni del test per la ricerca?
Questo progetto è la prima volta al mondo che utilizza una lega a base di bismuto a basso punto di fusione con elevata biosicurezza per effettuare test in orbita e verifica delle tecnologie chiave per la gestione termica dello spazio del metallo liquido. I risultati rilevanti potranno essere utilizzati per futuri alimentatori nucleari spaziali, avionica ad alta densità di potenza e sistemi civili ad alta potenza. Fornire supporto tecnico chiave per applicazioni ingegneristiche o industriali che richiedono un efficiente trasferimento e dissipazione del calore, come i dispositivi.
PARTE.4
In quali ambiti ti aspetti di vedere applicazioni in futuro?
I risultati ottenuti da questo progetto nella dissipazione del calore per convezione del metallo liquido e nel controllo della temperatura a cambiamento di fase sono principalmente mirati alle esigenze di controllo termico ingegneristico come il riscaldamento continuo o il riscaldamento intermittente ad alto carico di dispositivi elettronici ad alta densità di flusso termico. Con lo sviluppo della tecnologia dell'intelligenza artificiale, della realtà virtuale e dell'alta velocità Con il continuo sviluppo della tecnologia di elaborazione delle immagini a flusso e di altri campi, la densità di potenza delle apparecchiature elettriche con queste funzioni continua ad aumentare. Per garantire le prestazioni di funzionamento dei componenti elettrici in condizioni di carico elevato, è necessario adottare una tecnologia di dissipazione del calore più efficiente, semplice e affidabile. Questo progetto Le due tecnologie di dissipazione del calore del metallo liquido coinvolte sono verifiche sperimentali effettuate in risposta a questa domanda industriale e si prevede che svolgeranno un ruolo importante in molti campi.
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Fonte del contenuto: Volo spaziale con equipaggio in Cina Autore: Liu Guilin, Istituto di fisica e chimica, Accademia cinese delle scienze
