Optimización del flujo de intercambio de calor en microgravedad

31 de julio de 2023

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por la NASA

Aviones, trenes, automóviles… y naves espaciales. Si bien estas cuatro innovaciones en el transporte dependen del combustible para obtener energía, otro componente clave es la gestión térmica. Sin controlar la distribución y el flujo de calor dentro de un sistema, como la Estación Espacial Internacional y otras naves espaciales comerciales, las temperaturas dentro de las naves no serían habitables para los astronautas dadas las temperaturas extremadamente frías y calientes del espacio exterior.

Este complejo tema es solo uno de los muchos desafíos que están investigando los investigadores de Ciencias Físicas de la NASA en el Centro de Investigación Glenn a través del Experimento de Condensación y Ebullición por Flujo (FBCE).

Se espera que los hallazgos del Módulo de Condensación para Transferencia de Calor (CM-HT) del FBCE desempeñen un papel vital en el diseño de futuros sistemas espaciales y terrestres. Esto incluye la generación de energía espacial, el hábitat planetario, el control de la temperatura de los vehículos espaciales, el almacenamiento de fluidos criogénicos, la gestión de residuos, la carga de vehículos eléctricos, el enfriamiento de aviones de combate bajo diferentes cargas g y las pilas de combustible regenerativas.

Los objetivos científicos de CM-HT apuntan a generar una base de datos sobre condensación de flujo que se utilizará para evaluar la transferencia de calor de condensación en microgravedad, así como para desarrollar criterios para la independencia de la gravedad de la condensación de flujo. Estos criterios se utilizarán para diseñar condensadores de flujo eficientes para aplicaciones espaciales. Se desarrollarán modelos matemáticos predictivos de condensación de flujo, modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) y correlaciones de diseño para aplicaciones de diseño.

El FBCE servirá como plataforma principal para obtener datos de transferencia de calor de condensación y ebullición de flujo de dos fases en microgravedad. El módulo de prueba CM-HT contará con un tubo de acero inoxidable de pared delgada colocado concéntricamente a lo largo de otro canal cilíndrico formado en un material altamente aislante térmico.

El vapor del fluido de prueba fluirá a través del tubo interior y se condensará rechazando calor a un contraflujo de agua a través del espacio anular. La baja conductividad térmica de la pared exterior del canal asegurará que todo el calor se transfiera entre los dos fluidos. Debido a su baja conductividad térmica en comparación con otros metales, el acero inoxidable minimiza los efectos de conducción axial, permitiendo principalmente la transferencia de calor radial entre los fluidos.

Al comparar los datos de transferencia de calor en microgravedad con los datos obtenidos en la gravedad de la Tierra, será posible determinar la influencia de las fuerzas corporales en los fenómenos de transporte de dos fases en la búsqueda de modelos mecanicistas y correlaciones, y ayudar a determinar los criterios de flujo mínimo para Garantiza la ebullición y la condensación del flujo independiente de la gravedad.

El flujo bifásico de baja velocidad en microgravedad plantea serios desafíos que no se encuentran comúnmente en la gravedad de la Tierra. A medida que se reduce el nivel de gravedad, entra en juego un nuevo equilibrio entre la inercia, la tensión superficial y las fuerzas corporales, de modo que la mecánica básica de la estructura interfacial del flujo cambia drásticamente. Para estudiar estos efectos, se instaló la instalación FBCE en el laboratorio orbital Fluid Integrated Rack (FIR) de la ISS que ofrece un excelente entorno de microgravedad para la investigación del flujo de dos fases.

La ebullición por flujo y la condensación se han identificado como dos mecanismos clave para el transporte de calor que son vitales para lograr la reducción de peso y volumen, así como para mejorar el rendimiento en futuros sistemas espaciales. En última instancia, los resultados de esta investigación respaldarán la optimización del diseño de calderas y condensadores de flujo para su utilización en misiones de larga duración con alta demanda de energía en un entorno de microgravedad. Las calderas y condensadores eficientes dan como resultado un uso eficiente de la energía en misiones de larga duración. Dado que los sistemas espaciales funcionan con un presupuesto de energía limitado, imponer restricciones estrictas a la energía disponible beneficiará adicionalmente la conservación de energía de las misiones.

Estos estudios espaciales también avanzarán en los mecanismos de transferencia de calor en la Tierra al optimizar el rendimiento del intercambiador de calor. La mejora de los tiempos de carga de los vehículos eléctricos, la refrigeración de los motores de cohetes y los sistemas de propulsión de aviones de combate son sólo algunos de los sistemas mecánicos de la Tierra que también se beneficiarán de esta tecnología espacial.

Proporcionado por la NASA