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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)
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Protótipo PCM-1de 570 ml (INPE/DMC)
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Protótipo PCM-1de 570 ml
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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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
PCM-1: Teste em vácuo com um radiadoracoplado.
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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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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)
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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
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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)
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Protótipo PCM-2: de 120 ml, com n-eicosane ou n-hexadecane
Com estrutura de honeycomb
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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
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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
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Protótipo PCM -3de 150+170 ml de n-pectadecane e n-octodecane
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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
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bloco girométrico Parede da PSO
amplificadorbloco suspenso
#1#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
pontos de medida de temperatura
PSO –Plataforma Sub-Orbital
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bloco girométrico
Parede da PSO
amplificadorbloco suspenso
capacitor térmico
#3
#8
#7
#6
#5
#4
#1#2
#9
#10
bloco girométrico Parede da PSO
amplificadorbloco suspenso
#1#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
pontos de medida de temperatura
Plataforma Sub-OrbitalAplicação do capacitor térmico
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Plataforma Sub-Orbital: Capacitor de 1100 ml
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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
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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
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
PCM: Aplicações possíveis para satélites
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PCM: Aplicações possíveis para satélites
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PCM: Aplicações possíveis para satélites
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
PCM: Aplicações possíveis para satélites
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Aplicações de PCMEstabilização térmica de unidades DCE e SPU em LRV
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Aplicações de PCMPCM em Skylab
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Aplicações de PCM “Switch” de PCM em experimento LHP no Granat
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
Capacitores térmicos: aplicações
T. Knowles, Energy Science Laboratories, Inc; 2003 Spacecraft Thermal Control Workshop
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Capacitores térmicos: aplicações
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
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Capacitores térmicos: aplicações
http://esapub.esrin.esa.it/microgra/micrv10n2/images/briv10n2f3.gif
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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)
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Capacitores térmicos: uso de grafite
http://www.pocothermal.com/html/whatis2.html#http://www.poco.com/
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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.
Ciclo de Palestras Sobre Controle Térmico de Satélites – Capacitor térmico - Dr. Valeri Vlassov - 31/07/2003
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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