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Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites

Capacitor térmicoCapacitor térmico

Dr. Valeri VlassovDivisão de Mecânica Espacial e Controle - DMC

Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites

INPE-2003

Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003

Capacitor térmico com PCM

Funções térmicas:

•Redução da amplitude detemperatura do equipamentofuncionando em modo cíclico

•Prevenção de super-aquecimento para todos osmodos transientes

•Prevenção de sub-resfriamentopara todos os modos transientes

PCM: Material de mudança de fase(Phase Change Material)


Propriedades do PCMTable 1. Properties of selected PCM [form Hale, Hoover and O’Neill, 1971]

Name Formula Melting

point, 0C

Latent

heat,

kJ/kg

Specific

heat,

kJ/kg

Conduc-

tivity,

W/m0C

Density,

(solid/liqid)

kg/m3

n-Tetradecane C14H30 5,5 228,0 - - - / 771

n-Pentadecane C15H32 10 205 - - - / 768

n-Hexadecane C16H34 16,7 237,1 2,11 0.15 835 / 774

n-Heptadecane C17H36 21.7 213 - - - / 778

n-Octadecane C18H38 28,0 243,0 2,16 0,15 814 / 774

n-Eicosane C20H42 36,7 247,0 2,21 0,15 856 / 778

n-Heneicosane C21H44 40,2 200 - - - / 756

n-Decosane C22H46 44,0 249 - - - / 763

n-Tricosane C23H48 47,5 232 - - - / 764

Polyethylene

Glycol 600

H(OCH2CH2)nOH 20-25 146,0 2,26 0,16 -

Acetic acid CH3COOH 16,7 187,0 2,04 0,18 1215 / 1050

Lithium nitrate

trihydrate

LiNO3.3H20 29,9

(s/cooling

up to 00C)

296,0 - - 1550 / 1430


Protótipo PCM-1de 570 ml (INPE/DMC)


Protótipo PCM-1de 570 ml


PCM-1: Teste ambiental de aquecimento comparafina 130/135 .

0 2000 4000 6000 8000 10000time, sec

20

40

60

80

100

Tem

pera

ture

, oC

Case: 35 W, 130/135 paraffin, heating at ambient, sw-off on 8000 s.. File: PCM3_hp2

T1

T2


PCM-1: Teste em vácuo com um radiadoracoplado.


PCM-1: Teste em vácuo com n-hexadecano.

0 2000 4000 6000 8000time. sec

-10

0

10

20

30

40

50

Tem

pera

ture

, oC

90 W, vacuum 10^-5 torr, Tw= 223 K

Power

3200 3600 4000

8

10

12


PCM-1: Fases de estabilização durante aquecimneto.

100 150 200 250 300 350time, min

10

15

20

25

30

35Tem

pera

ture

T02

, oC

T 02

37.5 W, Radiator down, Code: 1rd37m

melting - solidification

0.266 oC/min (112-143 min)

0.0832 oC/min (143-192 min)

0.0176 oC/min (192-310 min)

0.131 oC/min (310-350 min)


PCM-1: Influência da distribuição interna de cavidades

0 20 40 60 80time, min

5

10

15

20

25

30

35

40

Tem

pera

ture

, oC

melting-solidification

60 W, Run 2, Radiator down versus up, Code: 1rdu60-2

T 02

0 20 40 60 80


PCM-1: Efeito de super-estabilidade após inícioda solidificação.

��

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140time, min

10

15

20

25

30T

empe

ratu

re, o

C90 W, Run 2, Radiator up, Code: 1ru90-2s

T 02

Period of super-stabilization:0.00096 oC/min (64-84 min)


Protótipo PCM-2: de 120 ml, com n-eicosane ou n-hexadecane

Com estrutura de honeycomb


PCM –2: Influência de gravidade

0 10 20 30 40time, min

0

10

20

30

40

Tem

pera

ture

, oC

PCM-2; 30 W; Code: 30-30

0 10 20 30 40


Resultados de simulação numérica:redução de amplitude

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

Tem

pera

ture

, oC

Case: PCM with radiator, n-hexodecane, orbital simulation. tsw-on=2398 sec, Q=100W, qIR=120, qs=0, Mpcm=0.5 kg, Tms=16.8 oC . File: PCM3orbs

0

50

100

Q, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Tms, Tfav

Q

qext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb1

Tb2

i

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

Tem

pera

ture

, oC

Case: PCM with radiator, no phase change, orbital simulation. tsw-on=2398 sec, Q=100W, qIR=120, qs=0, Mpcm=0.5 kg, Tms=***** . File: PCM3orno

0

50

100

Q, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Q

qext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb1

Tb2

Tf


Caso de redução de amplitude:alta sensitividade a variações de fluxo de calor aplicado

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

Tem

pera

ture

, oC

Case: PCM with radiator, n-hexodecane, orbital simulation. tsw-on=2398 sec, Q=103W, qIR=120, qs=0, Mpcm=0.5 kg, Tms=16.8 oC . File: PCM3orQ1

0

50

100Q

, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Tf, Tfav

Q

qext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb1

Tb2

i

46.5)(max

maxmax ==+ Q

Q

S

SQSK

δδ

δδ

65.5)(max

maxmax −==− Q

Q

S

SQSK

δδ

δδ


Casos de prevenção de super-aquecimento ousub-resfriamento

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

60

Tem

pera

ture

, oC

Case: PCM with radiator, n-octodecane, orbital simulation. tsw-on=2700 sec, Q=110W, qIR=60, qs=0, Mi=0.5*Mi; Mpcm=0.25 kg, Tms=28. oC . File: PCM3o2bs

0

100

200Q

, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Tms

Qqext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb1

Tb2

i

Tf

Tfav

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

60

Tem

pera

ture

, oC

Case: PCM with radiator, n-pectadecane, orbital simulation. tsw-on=2750 sec, Q=110W, qIR=60, qs=0, Mi=0.5*Mi; Mpcm=0.25 kg, Tms=10. oC . File: PCM3o3bs

0

100

200

Q, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Tms

Qqext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb1

Tb2

i

Tf

Tfav

Baixa sensitividade a variações de fluxo de calor

94.1)(max

maxmax ==+ Q

Q

S

SQSK

δδ

δδ 17.1)(max

maxmax ==− Q

Q

S

SQSK

δδ

δδ


Concepção de um capacitor com dois volumes

852000 854000 856000 858000 860000 862000 864000time, sec

-10

0

10

20

30

40

50

60

Tem

pera

ture

, oC

Case: 2PCM with radiator, n-octadecane(1) and n-pectadecane(2). tsw-on=2380 sec, Q=100W, qIR=60, qs=0, Mi=0.5*Mi; Mpcm=(0.15+0.15) kg, Tms=28. and 10 oC . File: PCM4orbs

0

50

100

Q, W

0

200

400

qext

, W/m

2

Qqext

-1

0

1

2

Enth

alpy

, i [

-]

Tb

i1

Tf1

Tf2

i2


Protótipo PCM -3de 150+170 ml de n-pectadecane e n-octodecane


Capacitor térmico de 2 volumes: teste

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130time, min

0

20

40

60

80

Tem

pera

ture

, oC;

Pow

er, W

Code: MP4125h

12

34


bloco girométrico Parede da PSO

amplificadorbloco suspenso

#1#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

pontos de medida de temperatura

PSO –Plataforma Sub-Orbital


bloco girométrico

Parede da PSO


capacitor térmico

#3

#8

#7

#6

#5

#4

#1#2

#9

#10

bloco girométrico Parede da PSO


#1#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

pontos de medida de temperatura

Plataforma Sub-OrbitalAplicação do capacitor térmico


Plataforma Sub-Orbital: Capacitor de 1100 ml


0 2000 4000 6000tempo (sec)

20

30

40

50

Tem

pera

tura

(C

)

Centro da face aquesida

0

40

80

Pot

ênci

a (W

)

Centro da face não aquesida

60 W

PSO: Teste do capacitor - 60 W


20

40

60

80

Tem

per

atur

a (C

)

#1 amplificador

#2 bloco suspenso

#3 tampa da caixa

#4 parede da caixa

#5 prato

#6 anel de aço

#7 tubo, prox. do prato

#8 tubo, longe do prato

#9 capacitor, superior

#10 capacitor, inferior

bloco girométricoligado

bloco girométricodesligado

F ã d lidifi ã0 20 40 60 80

Tempo (min)

20

30

40

50

60

70

80

90

Tem

pera

tura

(C

)

PSO: Testes sem e com o capacitor


PCM: Aplicações possíveis para satélites








Aplicações de PCMEstabilização térmica de unidades DCE e SPU em LRV


Aplicações de PCMPCM em Skylab


Aplicações de PCM “Switch” de PCM em experimento LHP no Granat


Capacitores térmicos: aplicações

T. Knowles, Energy Science Laboratories, Inc; 2003 Spacecraft Thermal Control Workshop



http://mscweb.gsfc.nasa.gov/545web/Technology.html

Phase Change Thermal Storage

•Vegetation Canopy LidarSpacecraft (VCL

•PCM (hexadecane) in 5honeycomb panels

•absorbs peak heat from 4 lasers

• Isothermal Blackbody Targets(room temp)

•MODIS ground democalibration target; +/- 0.1°C

TEB – Thermal Engineering Branch of GSFC/NASA



http://esapub.esrin.esa.it/microgra/micrv10n2/images/briv10n2f3.gif


Capacitores térmicos

www.esli.com

ESLI's paraffin basedheatsinks can bedesigned to operate at ornear 5, 18, 28, 37, 44, 55, or61 °C. Non-paraffin baseddesigns are also availablefor cryogenic or hightemperature applications.ESLI's PCM compositeheatsinks have been spaceflight tested on the SpaceShuttle (STS-95) aboard theCRYOTSU experimentmodule, and will fly aboardNASA's Vegetation CanopyLIDAR experiment in 2000

Energy Science Laboratories,Inc. (ESLI)


Capacitores térmicos: uso de grafite

http://www.pocothermal.com/html/whatis2.html#http://www.poco.com/


http://www.batteriesdigest.com/x_38.htm

Capacitores térmicos: aplicaçãopara X-38

Qualification test datashowing the thermalperformance of thebatteries with their heatsink shows that the heatabsorbed by the meltingwax properly maintainsbattery temperature inthe 50 to 60 0C rangefor performance andsafety. The datasuggests that the waxtook four hours fromonset to completelymelt.


Capacitor térmico no X-38

http://www.batteriesdigest.com/x_38.htm

Lithium- manganese dioxide primarybatteries which provide all initialvehicle power including a ctivation ofrockets for re-entry

Technology: Energy Sciences Laboratories

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