AIAA 92-2889 The Experimental Study on Heat Rejection Equipment T.Nakagawa and M.Atsumi Mitsubishi Heavy Industries, LTD. R.Tokue Sumitomo Precision Products Co, LTD.

4 J

AIAA 27th Thermophysics Conference July 6-8, 1992 / Nashville, TN

r

w u For permission to copy or republish, contact the American institute of Aeronautics and Astronautics 370 L'Enfant Promenade, S.W., Washington, D.C. 20024

THE EXPEAIYEHTAL STUDY OW HEAT REJECTIOW EUUIPYEWT

2 T o s h i h i k o W a k a g a x a ' a n d Y a s a h i r o A t s u n i M i t s u b i s h i H e a v y I n d u s t r i e s LTD.

1 0 O y e - c h o M i n a t o k u N a g o y a 456 J a p a n

R i n r o T o k u e ' S v m i t o m o P r e c i s i o n P r o d u c t s Co. LTD.

1 - 1 0 F u s o - c h o A m a g a s a k i 6 6 0 J a p a n

A b s t r a c t

S p a c e o r b i t i n g p l a n e g e n e r a l l y u t i l i z e t h e e v a - p o r a t i v e c o o l i n g d e v i c e for h e a t r e j e c t i o n d u r i n g a s c e n t o r r e e n t r y p h a s e . T h e W a t e r € v a p o r a t o r S y s t e m ( W E S ) a n d t h e Ammon ia B o i l e r S y s t e m ( A B S ) o f U.S. S p a c e S h u t t l e are w e l l k n o w n a s s u c h t y p i c a l s u b s y s t e m s a n d l i q u i d f r e o n . w a t e r a n d a m m o n i a a r e U s u a l l y s e l e c t e d f o r t h e i r c o o l a n t .

T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o n c e p t s t u d y a n d t h e e x p e r i m e n t a l w o r k f o r d e v e l o p m e n t o f t h e a d v a n c e d s t y l e e x p e n d a b l e h e a t r e j e c t i o n d e v i c e . E m p h a s i s a r e l a i d o n m i n i m i z i n g t h e h a r d w a r e w e i g h t a n d u s i n g i n n o c u - o u s c o o l a n t . E m p i r i c a l h e a t t r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c s o f w a t e r s p r a y c o o l i n g w e r e o b t a i n e d a n d a p p l i e d t o t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e . B e s i d e s t h e d e v e l o p m e n t o f s p r a y n o z z l e . p r o t o t y p e m o d e l ot 4 k W c l a s s e v a p o r a t D r w a s f a b r i c a t e d a n d t e s t e d . H e a t r e j e c t i o n r a t e o f 3 . 2 - 4 . 5 k W was a t t a i n e d a t b o t h ( h i g h / l o w a l t i t u d e ! m o d e s o f o p e r a t i o n . a n d f e a s i b i l i t y

o f t h i s h e a t r e j e c t i o n d e v i c e w a s a s s u r e d .

Wonenclature

~ K / : h e a t f r a n s p f e r a r e a ($)

Cp : s p e c i f i c h e a t I J / k g X ) g : g r a v i t y (m/sac') H : f i l m C o e f f i c i e n t p a r a m e t e r h : o v e r a l l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t ( w / m ' ~ ) X : t h e r m a l c o n d u c t i v i t y (W/rnXI

d

i o : f l o w r a t e ( k g / r e c ) P : pump p o w e r p a r a m e t e r

0 : h e a t r e j e c t i o n r a t e (Wl q : h e a t f l u x (w/m>) r : l a t e n t h e a t ( J /Xg I T : t e m p e r a t u r e ( K ) A T : l o g a r i t h m i c m e a n t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e ( K ) a : h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t (W/m'K) 6 : w a i l t h i c k n e s s (m! n : c o o l i n g e f f i c i e n c y (x) II : v i s c o s i t y ( P a , s e c ) E. : u n u s a b l e q u a n t i t y (XX lo-:) P : d e n s i t y ( k s / m ? )

I : i n l e t p o r t i : i n i e t f o r e a c h s e g m e n t 1 : f o r l o w a l t i t u d e mode n : s e g m e n t No. 0 : o u t l e t p o r t o : o u t l e t f o r e a c h s e g m e n t s : s a t u r a t i o n v : v a p o r i z e d w : w a l I 1 : f o r w o r k i n g f i u i d 2 : f o r w a t e r 3 : f o r e v e p n r a n t

I n t r o d u c t i o n

T h e r m a l C o n t r o l S y s t e m (TCS) i s n e c e s s a r y f o r s p a c e o r b i t i n g p l a n e i n o r d e r t o r e j e c t e x c e s s h e a t t h a t I S

g e n e r a t e d m a i n l y i n o n b o a r d e q u i p m e n t s a n d p e r f o r m s t h e f o l l o w i n g t h r e e b a s i c f u n c t i o n s :

. a b s o r b s o r c o l i e c t s h e a t f r o m o n b o a r d e q u i p m e n t s .

. t r a n s p o r t s h e a t b y m e a n s o f l o o p i n g l i q u i d ,

. r e j e c t s h e a t o u t s i d e t h e v e h i c l e .

G e n e r a l l y , s p a c e r a d i a t o r i s u s e d f o r a h e a t r e j e c - t i o n d e v i c e o n o r b i t , b u t i n o t h e r m i s s i o n p h a s e s s u c h a s a s c e n t o r r e e n t r y , s p a c e r a d i a t o r i s n o t a v a i l a b l e a n d a n o t h e r d e v i c e i s r e q u i r e d . T h e r e f o r e , t h e U.S. S p a c e S h u t t l e e q u i p s s o m e d e v i c e s . e . 9 . Wete . r E v a p o r a t o r S y s t e m ( W E S ) a n d Ammon ia B o i l e r S y s t e m ( A B S ) e t c . . a n d t h e E u r o p e a n s p a c e p l a n e H e r m e s i s p l a n n i n g s i m i l a r c o n c e p t h a r d w a r e s .

T h e y a r e e x p e n d a b l e h e a t s i n k s , w h o s e p e r f o r m a n c e i s b a s e d . i n p r i n c i p l e , o n t h e e v a p o r a t i o n o f t h e l i q u i d a n d i t s r e l e a s e i n t o t h e e x t e r n a l e n v i r o n m e n t . Water i s t h e b e s t o v a p o r a n t . h o w e v e r . i t s v a p o u r p r e s s u r e i s n o t s u f f i c i e n t f o r u s i n g i n l o w a l t i t u d e (< 30 I,m) o r g r o u n d o p e r a t i o n . H e n c e . A B S i s p r o v i d e d f o r s u c h a p h a s e t h a t W E S i s n o t a c t i v e a n d t w o d i s t i n c t c o m p o n e n t s h a v e b e e n d e v e l o p e d c o r r e s p o n d i n g t o e a c h a v a p o r a n t . T h i s l e a d s some w e i g h t p e n a i t y a n d f u r t h e r m o r e ammon ia . a l t h o u g h i t p o s e s s h i g h l a t e n t h e a t o f v a p o r i z a t i o n . i s t o x i c a n d s p e c i a l a t t e n t i o n s h o u l d be p a i d t o i t s v a p o r .

A n o t h e r p r o b l e m i s r e c e n t l y p o i n t e d o u t a b o u t t h e w o r k i n g f l u i d u s e d i n TCS l o o p , b e c a u s e l i q u i d f r e o n ( R Z I o r R l 1 4 ) i s u s u a l l y s e l e c t e d . L i q u i d f r e o n i s not f a v o r a b l e f o r f u t u r e u s e . t h e r e f o r e s u b s t i t u t e f o r i t w o u l d be d e s i r e d .

S u b s c r i p t s

h : h e a t t r a n s f e r H : f o r h i g h a l t i t u d e mode

1 . S e n i o r E n g i n e e r . P r o p u l s i o n D e s i g n i n g S e c t i o n . Member . A I A A E n g i n e e r . P r o p u l s i o n D e s i g n i n g S e c t i o n , M e m b e r . A I A A T h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e c o n c e p t o f a n a d v a n c e d s t y l e

/ 9: M a n a g e r . B u s i n e s s D e v e l o p m e n t D e p a r t m e n t e v a p o r a t o r a n d i t s e x p e r i m e n t a l d e v e l o p m e n t i n c l u d i n g f e a s i b i l i t y t e s t r e s u l t s a n d d i s c u s s i o n o f c a n d i d a t e C o p y r i g h t Q 1 9 9 2 b y t h e A m e r i c a n I n s t i t u t e o f

A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s . I n c . A l l r i g h t s r e s e r v e d . s u b s t i t u t e c o o l a n t s .

%e D t D e s i 91

B a s i c C o n f i g u r a t i o n

I n o r d e r t o m i n i m i z e h a r d w a r e w e i g h t , t w o e v a p o r a t o r s ( o n e f o r h i g h a l t i t u d e o p e r a t i o n , t h e o t h e r ! o r l o w

a l t i t u d e o p e r a t i o n ) a r e c o m b i n e d . T h e b a s i c c o n f i g u r a t i o n o f t h e e v a p o r a t o r i s s h o w n I n

f i g . l . C y l i n d r i c a l c o r e s e c t i o n i s c o m p o s e d o f two c o n c e n t r i c a n n u l a r f l o w p a s s a g e s . W o r k i n g f l u i d o f TCS l o o p a l a a y s f l o w t h e i n n e r a n n u l u s w h i l e t h e o u t e r a n n u l u s i s f i l l e d w i t h e v a p o r a n t i n t h e p e r i o d o f l o w a l t i t u d e mode o f o p e r a t i o n . W a t e r i s s p r a y e d o n t h e i n n e r s u r f a c e o f t h e c y l i n d r i c a l c o r e d u r i n g h i g h a i t i t u d e mode o f o p e r a t i o n a n d f l a s h B v a p o r a t i o n o c c u r e s i n s t a n t l y . O n t h e O t h e r h a n d , p o o l b o i l i n g i s t h o u g h t t o be d o m i n a n t i n o u t e r f l o w a n n u l u s .

A k e y f e a t u r e i s t h a t h e a t e x c h a n g e S e c t i o n s h o u l d be d e s i g n e d t o g e t e q u a l h e a t r e j e c t i o n r a t e f o r b o t h modes o f o p e r a t i o n i n s p i t e o f d i f f e r e n t h e a t t r a n s f e r p r o c e s s a n d b o u n d a r y c o n d i t i o n .

The g e n e r a l a p p r o a c h u s e d t o d e c i d e t h e d e s i g n p a r a m e t e r w a s t o f o r m u l a t e m a t h e m a t i c a l m o d e l s h o w n i n F i g . ? t o r p r e d i c t i n g t h e p e r f o r m a n c e .

i n h i g h a l t i t u d e mode o f o p e r a t i o n . n e t h e a t f i u x f o r a n y s e g m e n t n c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g

w h e r e

E X H A U S T

F i g . l . C o n c e p t d e s i g n o f t h e e v a p o r a t o r a ~ s e n b l y

7

1 1 1 6 H - + - + - a , a 2 k u

h = -

a od

W h l l e O,, i s a l s o g i v e n b y :

O n = ( T n . i - T n . 0) . C n ' h i ( 4 )

T h e r e f o r e e q u a t i o n ( 1 ) i s r e a r r a n g e d a s f o l l o w s :

T,.,:max(T~,. T,) 15)

T h = l S t (T,, , i - T 3 ) ' e x p {-h.A,/ ( C , , i j ) i (6)

( 7 ) T,=T,. , - ( r . k ( n ) / ( C P , ~ I ) i

T h e n . s u b s t i t u t i n g

T,,. j , i = T n . u ( 8 )

o u t l e t t e m p e r a t u r e o f e a c h s e g m e n t i s c a l c u l a t e d s u c c e s s 1 v e l y a n d t o t a l h e a t r e j e c t i o n r a t e i s o b t a i n e d f r o m :

I i m i t I

i 3, a p o I a n t T i W o r k i n g F l u i d

F i g . 2 . M a t h c n a t i c a l Y o d e l

On t h e o t h e r h a n d , s t e a d y - s t a t e t o t a l h e a t r e j e c t i o n r a t e i n ' l o w a l t i t u d e mode o f o p e r a t i o n i s e x p r e s s e d b y :

O L = h L . A l , . A L ( 1 0 )

a n d A L , T o . b a r e s o l v e d s i m u l t a n i o u s i y i f ilI i s g i v e n . C o n c e q u e n t i y . d e s i g n p a r a m e t e r s a , . 0 2 , a ? . 611.

6 L . A. A L . ku a n d kt s h o u l d be d e t e r m i n e d s o a s t o s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t f o r b o t h 0 a n d Q L .

W o r k i n g F l u i d

W o r k i n g f i u i d c i r c u l a t e s i n TCS l o o p a n d t r a n s f e r s e x c e s s h e a t t o e a c h h e a t r e j e c t i o n d e v i c e . I t s f r e e z i n g p o i n t s h o u l d be l o w e n o u g h c o m p a r e d t o t h e t e m p e r a t u r e r a n g e c o n s i d e r e d i n t h e sys tem t o a v o i d a n y t r o u b l e s o n o r b i t . H i g h s p e c i f i c h e a t a n d a d e q u a t e b o i l i n g t e m p e - r a t u r e a r e a l s o r e q u i r e d a s w e l l a s some k i n e t i c p r o p e r t i e s .

T h o u g h R 2 1 o r R114 s a t i s f i e s a b o v e r e q u i r e m e n t . l i q u i d f r e o n i s r e p o r t e d t o be c o n c e r n e d w l t h t h e

d e p l e t i o n o f o z o n e l a y e r . H e n c e , s p e c i a l a t t e n t i o n i s c u r r e n t l y p a i d o n s e v e r a l k i n d s o f s u b s t i t u t i v e f l u i d . Among t h e m . f l u o r i n e r t w o u l d be s u i t a b l e f o r a l t e r n a t i v e w o r k i n g f i u i d . P r o p e r t i e s o f some f l u o r i n e r t w i t h pump p o w e r p a r a m e t e r P a n d f o r c e d C O n V e C t i O n f i l m c o e f f i c i e n t p a r a m e t e r H t h a t w e r e d e f i n e d a s f o l l o w s i n R e f . I l l a r e s h o w n i n T a b l e I.

E v a p o r a n t f o r l o w a l t i t u d e m o d e

I t i s n e c e s s a r y f o r e v a p o r a n t t h a t i t s b o i l i n g t e m p e r a t u r e a t s e a l e v e l t o be l o w e r t h e n TCS l o o p o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e . T h o u g h n u m b e r o f f l u i d s w e r e s u r v e y e d i n R e f . I l l , s u i t a b l e e v a p o r a n t t h a t i s r e g a r d e d a s c o m p l e t e l y i n n o c u o u s i s n o t f o u n d . T h e r e f o r e . w i t h f e w e x c e p t i o n s . a m m o n i a h a s b e e n s e l e c t e d o w i n g t o i t s a t t r a c t i v e h i g h l a t e n t h e a t . a n d l i q u i d f r e o n R22 o r R 1 2 h a s b e e n t h o u g h t t o be t h e n e x t o p t i o n .

H o w e v e r . new k i n d o f e v a p o r a n t i s e x p e c t e d t o be f o u n d i n s u b s t i t u t e s f o r l i q u i d f r e o n . S i n c e HFC-134a ( 1 . I , 1 . 2 - T e t r a f l u o r o E t h a n e CH2FCF3) i s p r o m i s i n g . a n d e x t e n s i v e e x a m i n a t i o n f o r i t s n a t u r e i s u n d e r w a y . i t i s w o r t h c o n s i d e r i n g t o a d o p t t h i s new c o o l a n t . P r o p e r t i e s o f HFC-134a a n d n o n d i m e n s i o n a l p a r a m e t e r s t h a t e x p r e s s t h e i m p a c t f o r s y s t e m w e i g h t o r v o l u m e a c c o r d i n g t o R e f . [I] a r e c o m p a r e d i n T a b l e 2.

J 4 T a b l e I C o m p a r i s o n o f O n e - p h a s e C l o s e d L o o p C o o l a n t s

~ ~~

F i l m Pump P o w e r R a t i o P o t e n t i a l H a z a r d F i u i d P r o p e r t i e s B o i I i n g F r e e z i n g D e n s i t y S p e c i f i c C o e f f i c i e n t t o o f F r e e z i n g

T e m p e r a t u r e s T e m p e r a t u r e s H e a t P a r a m e t e r r a t i o T u r b u l e n t W a t e r K K kg /m3 J / k g K H/Ho P / P P

W a t e r 3 7 3 F r e o n

R 2 1 2 8 2 R114 2 7 7

FC72 ( F X 3 2 5 0 ) 3 2 9 f C 7 5 3 7 5 FC77 3 7 0 F C 8 4 3 5 3 FX3300 3 7 4

F l u o r i n e r t

2 7 3 9 5 8 4 2 2 0 I . 0 0

138 1 4 0 5 9 9 4 0. 2 4 1 7 9 1 5 1 9 9 6 8 0. 17

183 1 6 7 5 1042 0. 1 5 185 1 1 7 0 1 0 4 2 0. 1 2 163 I 7 8 0 1 0 4 2 0 . 1 2 1 7 8 1 7 3 0 1 0 4 2 0 . 13 2 0 8 1 7 6 0 1042 0. 1 1

1. 0 r e s

28. 0 no 29. 9 n o

19. 1 n o 20 . 0 n o 19. 8 no 19. 3 no 24 . 3 n o

T a b l a 2 C o m p a r i s o n o f E x p e n d a b l e C o o l a n t s

T a n k B o i l e r U s a b l e T o t a l c o o l a n t S a t u r a t e B o i l i n g V a p o r C o r r e s p o n d i n g L a t e n t U n u s a b l e W e i g h t V o l u m e W e i g h t

Temp. p r e s s u r e Temp. p r e s s u r e ( a i t i t u d e ' ) H e a t ( i u a n t i t y R a t i o R a t i o R a t i o T o x i c OD? K MPa K MPa k J / k g %

W a t e r 2 9 4 0. 1 0 1 3 2 5 2 7 8 0 . 0 0 0 8 6 8 ( 3 2 k m ) 2 4 3 8 . 5 2 . 5 0 . 5 0 . 3 0 . 4 n o 0 ' - m o n i a 2 9 4 0 . 8 9 6 3 1 8 240 0. 1 0 1 3 2 5 ( s e a l e v e l ) 1168 . 8 14 . 6 I . 0 1 . 0 1. 0 y e s 0

o n R 1 2 2 9 4 0. 5 2 3 7 7 8 2 4 4 0. 1 0 1 3 2 5 ( s e a l e v e l ) 130.5 2 1 . 4 9. 0 4.1 4.0 n o 1 . 0 - % o n R22 2 9 4 0 . 9 3 7 6 8 7 2 3 2 0. 1 0 1 3 2 5 ( s e a l e v e l ) 181. 3 22. 3 6. 5 3 . 1 3.4 no 0 . 0 5 HFC 1 3 4 a 2 9 4 0 . 6 4 8 1 0 7 247 0. 1 0 1 3 2 5 ( s e a l e v e l ) 1 1 2 . 5 2 0 . 3 6. 8 3. 8 3 . 2 n o 0

3

___ P r e p a r a 1 p r y E ! q a n > . ~ >

The p u r p o s e o f t h i s e x p e r i m e n t w a s t o o b t a i n b a s i c d a t a c o n c e r n i n g w a t e r s p r a y c o o i i n g p r o c e s s a n d d e s i g n p a r a m e t e r o f a s p r a y n o z z i e . C h a r a c t e r i s t i c s o f w a t e r s p r a y c o o l i n g f o r W E S w a s s t u d i e d b y N a s o n et a i . i n R e f . [Z]. h o w e v e r , t o a c h i e v e h i g h e f f i c i e n c y a s t h e y r e p o r t e d , a s u i t a b l e n o z z l e t h a t h a d p r o p e r S p r a y d i s - t r i b u t i o n p a t t e r n a n d l e s s d r i b b l e v o l u m e w a s i n d i s - p a n s a b l e .

E x p e r i o e n t a l A p p a r a t u s

T h e s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n a n d t h e p i c t u r e o f e x p e - r i m e n t s e t u p are s h o w n i n F i g . 3 a n d 4.

A s o l e n o i d v a i v e / w a t e r s p r a y n o z z l e a s s e m b l y w a s d e v e l o p e d a n d m o u n t e d o n t h e t o p l i d o f a c r y l i c v e s s e l . i i o l : l o x c o n e t y p e o f s w i r i n o z z l e w a s i n s t a l l e d a s t h e o u t l e t p o r t o f t h e v a l v e , a n d t h e v o l u a e b e t r e e n v a l v e s e a t a n d n o z z l e e x i t w a s r e d u c e d i o 0 . 0 5 ~ ~ . F i g . 5 s h o w s a p i c t u r e o f s p r a y i n g t e s t u n d e r a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n . S i g n i f i c a n t d r i b b l e d i d n o t o c c u r a n d d r o p i e t S i z e Of 2 0 - 1 5 0 pm i n d i a m e t e r w e r e o b t a i n e d .

Fi.q.6 p r e s e n t s a c y l i n d r i c a i ( 1 O O m m l o n g a n d 5 0 m m i n d i a n e t e r ) t e s t b l o c k a s s e m b i y . I h e t e s t b l o c k w a s made o f a l u m i n u m a l l o y a n d f o i l h e a t e r ( 500W 1 w a s a t t a c h e d a r o u n d t h e l o w e r p o r t i o n o f i t S O a s t o make a u n i f o r m

s p r a y c o n t r o ' u n i t

a c r y l I C v e s s e l

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t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o n t h e t o p a r e a . T h e r m o c o u p l e s ( A - f ) w e r e p l a c e d i n s m a l l d r i i l e d t r e n c h . T h e s u p p o r t h o u s i n g . t h a t w a s made o f t e f i o n t o m i n i m i z e h e a t l e a k , p r e v e n t e d d r o p l e t s f r o m i m p i n g i n g t h e s i d e w a l i o f t h e b l o c k .

a c r y l i c v e s s e l t h r o u g h a s t e e l b u f f e r t a n k . V i a t e r s u p p i y t a n k w a s p r e s s u r i z e d b y g a s e o u s n i t r o g e n . S p r a y c o n t r * - i . u n i t w a s s e t t o s u p p l y 2 0 0 msec o n - t i m e p u l s e c u r t , i n t e r m i t t e n t i y t o t h e s o i e n o i d v a l v e . T h e p o w e r input"i"d' t h e f o i l h e a t e r w a s m e a s u r e d w i t h a d i r e c t c u r r e n t v o l t i n e t e r a n d a m m e t e r .

O i l - d i f f u s i o n v a c u u m pump w a s c o n n e c t e d t o t h e

- ~

s o l e n o i d v a l v e / w a t e r ' s u p p l Y S p r a y n o z z l e a s s e m b l y __ ~ t a n k

E x p e r i n e n t a l P r o c e d u r e

O b s e r v i n g t h e p h e n o m e n o n o n t h e t o p a r e a of t h e b l o c k , t e m p e r a t u r e d a t a w e r e a c q u i r e d w h i l e a v e r a g e w a t e r s u p p l y r a t e e n d h e a t i n g p o w e r ivere v a r i e d u p t o 1 0 k g / m i n m' , 1 0 0 - 4 0 0 W r e s p e c t i v e l y . H e a t t r a n s f e r c o e i f i c i e n t a2 w a s c a i c u i a t e d f r o m t h e s t e a d y - s t a t e s u r f a c e t c m p e r a t u r e T,. s a t u r a t i o n t e m p e r a t u r e o f w a t e r T, t h a t c o r r e s p o n d e d w i t h t h e p r e s s u r e i n a c r y l i c v e s s e l a n d h e a t i l u x d a t a q,

v o i t m e t e r / a m m e t e r

v a c u u m pump

F i g . 3 . T e s t s y s t e u s c h e a a t i c F i g . 4 . G n e r a i v i e w o f t e s t s e t u p \*.: 'L..

r i g . 5 . Spra). t e s t u n d e r a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n

..... .

........ F i g . 6 . i c r t b l o c k assembly

t o i l hea

F x p e r i n e n t a l R e s u l t

The d a t a u n d e r t h e v e s s e i p r e s s u r e o f G t o r r a r e s h o w n i n F i g . 7 . S i n c e t h e h e a t f l u x w a s f i x e d . s u r f a c e t e m p e r a t u r e o f t h e b l o c k became l o w e r w i t h i n c r e a s i n g w a t e r s u p p l y r a t e w h i i e s o c a l l e d " d r y - w a l i s t a t e " w a s m a i n t a i n e d . F i n a i l y t h e " f l o o d e d s l a t e " a p p e a r e d a n d s u r f a c e t e m p e r a t u r e b e g a n t o r i s e . M a x i m u m h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t w a s a t t a i n e d a t t h i s t r a n s i t i o n a l s t a t e . a n d s i m i l a r r e s u l t s w e r e o b t a i n e d u n d e r d i f f e r e n t v e s s e i p r e s s u r e . i t c a n be s e e n f r o m F i g . 8 t h a t t h e y w e r e g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e d a t a r e p o r t e d i n Ref. [21.

E v e n u n d e r t h e v e s s e l p r e s s u r e w a s b e l o w w a t e r t r i p i e p o i n t . s i g n i f i c a n t d e v i a t i o n o f t h e h e a t t r a n s f e r r e t e w a s n o t f o u n d so f a r a s t h e s u r f a c e o f t h e b i o c k w a s i n d r y - w a i l state. H o w e v e r , u n s t a b l e s t s t e c a u s e d b y f r e e z i n g w a s o f t e n e x p e r i e n c e d . F r e e z i n g s t a r t e d a t v e r y S m a l l s p o t w h e r e h e a t f l u x w a s p o o r . a n d i c e l a y e r f o r m s f r o # t h i s p o r t i o n . I t t o o k s e v e r a l s e c o n d s t o c o v e r t h e t o p a r e a o f t h e b i o c k , a n d o n c e f r e e z i n g o c c u r e d , t h o u g h a c t i o n s s u c h a s i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e i n t h e v e s s e l o r r i s i n g h e a t e r p o w e r w e r e t a k e n , i t w a s d i f f i c u l t t o s t o p i t o r m e l t t h e i c e i a y e r .

. . .............

......... la

F i g . 7 . l l e a t t r a n s f e r coefficient undcr t h e v c s s 0 1 p r e s s u r e o f S t o r r

O : D R Y - - W A L C S T * , E . : o . O i - b O i i i n g

Q : F I o o L a d S T A T E

R 4 'I 2 I r ; S u p e r h e a l i n g t e m p e r a t u r e ( X )

F i g . 8 . Uaxiaur s u r f a c e h e a t f l u x

C 4.6TGRa Q 6TCRR 4 9TCRR - Ilasan' I d a t a

5

P r o t o t r p e M o d e l T e s t

A p r o t o t y p e m o d e l o f t h e e v a p o r a t o r a s s e m b l y w a s b u i i t t o e v a l u a t e t h e f e a s i b i l i t y a n d t o e s t a b l i s h f a b r i c a t i o n t e c h n i q u e .

T e s t A r t i c l e

The 4kW c l a s s t e s t m o d e l . s h o w n i n F i g . 9 . c o n s i s t s o f a s o l e n o i d v a l v e / w a t e r s p r a y n o z z l e a s s e m b i y , a c y i i n d r i c a i e v a p o r a t o r c o r e a n d a n a n t i - c a r r y o v e r d e v i c e (ACOO). E v a p o r a t o r c o r e a n d A C O D w e r e b r a z e d a i u m i n u m

a l i o y S t r u c t u r e w i t h h i g h d e n s i t y o f f - s e t f i n s . F i g . 1 0 a n d 11 p r e s e n t s t h e t e s t c o n f i g u r a t i o n . B u f f e r

t a n k . v a c u u m pump. w a t e r s u p p i y t a n k a n 4 s p r a y c o n t r o l u n i t w e r e i d e n t i c a l a s d e s c r i b e d p r e v i o u s l y . F l u o r i n e r t ( F X - 3 3 0 0 ) w a s u s e d f o r l o o p l i q u i d a n d i n l e t t e m p e r a t u r e / f l o w r a t e o f i t w e r e a b i e t o be s e t a t d e s i r e d v a l u e i n a r a n g e o f R o o m Temp - 90 ' C a n d 0 - 5 I / m i n . r e - s p e c t i v e I y.

R 2 2 was t e n t a t i v e i y u s e d f o r e v a p o r a n t t o s i m u l a t e HFC-134a . S t o r a g e t a n k o f e v a p o r a n t w a s p r e s s u r i z e d b y g a s e o u s n i t r o g e n a n d m a i n t a i n d a t 9. 3kg/cm'A.

.... :-*:.

o f f - s e i Fins

a n n u l a r f l o w p a s s a g e s

..

F i g . 10. P r o t o t y p e m o d e l F i g . 9 . C r o s s - s e c t i o n a l v i e w of p r o t o t y p e s o d e i

s p r a y c o n t r o l u n i t

F x - 3 3 0 0 s u p p i y a p p a r a t u s _..____.

Fig.11. T e s t s y s t e m s c h e n a t i c

b u f f e r t a n k

.......' k....

vacuum pump

6

P e r f o r m a n c e o f H i g h - a l t i t u d e mode

I n l e t t e m p e r a t u r e o f f l u o r i n e r t w a s f i x e d a t 6 0 'C a n d f l o w r a t e w a s s e l e c t e d 3 . 0 l / m i n f o r h i g h h e a t l o a d r u n s a n d 1 . 5 I / m i n f o r l o w h e a t l o a d r u n s . W a t e r s p r a y r a t e w a s v a r i e d 3 0 - 9 9 0 s h i n b y c o n t r o l l i n g t h e i n t e r m i t t e n t p u l s e r a t e 0 . 5 - 4 Hz. P r e s s u r e i n t h e e v a p o r a t o r c o r e w a s m a i n t a i n e d 4.6 - 6 t o r r e x c e p t f o r

he c a s e t h a t w a s i n t e n d e d t o o p e r a t e b e l o w w a t e r t r i p l e

H e a t r e j e c t i o n r a t e a n d c o o l i n g e f f i c i e n c y a g a i n s t t h e a v e r a g e w a t e r s u p p l y r a t e , a s s o c i a t e d w i t h t h e i r p r e d i c t e d e n v e l o p e . a r e s h o w n i n F i g . 1 2 a n d 1 3 . I n t h e s e f i g u r e s , c o o l i n g e f f i c i e n c y i s d e f i n e d a s f o l i o w s .

- 4 o ' i n t .

I20 - 1113 - I D W -

x 9 0 - G S Q - c

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0 m i n . c a r r y - o v e r .......................... ;a..:. ....... o.o.. ........

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8 , + - A + h y a t r e j e c t i o n r a t e ( A C Q 0 ) I I I I I

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D u r i n g t h e h i g h h e a t l o a d r u n s , h e a t r e j e c t i o n r a t e i n c r e a s e d p r o p o r t i o n a l l y w i t h t h e i n c r e a s e o f w a t e r s u p p l y r a t e a n d a t t a i n e d t o 3 . 5 kW w h i l e t h e c o o l i n g e f f i c i e n c y d a t a . a l t h o u g h t h e y a r e s o m e w h a t s c a t t e r e d . k e p t h i g h p e r f o r m a n c e . On t h e o t h e r h a n d . c o o l i n g e f f i c i e n c y w e r e t e n d t o f a l l down d u r i n g t h e l o w h e a t l o a d r u n s . I t i s a s s u m e d t h a t l o c a l f l o o d i n g p c c u r e d a n d some e x c e s s w a t e r w a s c a r - r i e d o v e r i n l o w h e a t l o a d c a s t s . T h e s e f e a t u r e s w e r e w e l l p r e d i c t e d b y t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l .

A s s h o w n i n F i g . 1 4 . f r e q u e n c y o f w a t e r s p r a y i n g p u l s e d i d n o t a f f e c t t h e c o o l i n g e f f i c i e n c y .

W h e n e v e r . t h e p r e s s u r e i n t h e e v a p o r a t o r c o r e w a s l o w e r e d u n d e r t h e w a t e r t r i p l e p o i n t , i c e f o r m a t i o n s t a r t e d f r o m t h e a c r y l i c t o p i i d a r o u n d t h e n o z z l e . a n d g r e w u p t o i n t e r r u p t t h e s p r a y i n a f e w m i n u t e . B u t i t

t h e o r e s s u r e i n t h e

C o o l i n g e f f i c i e n c y ............... O " ' - ' - -

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5 ::: 3 1130

F i g . 1 2 . H e a t r e j e c t i o n r a t e a n d c o o l i n g e f f i c i e n c y ( F x - 3 3 0 0 f l o w r a t e : 3 I / n i n ) 0 : C O * i i " * ' I I i C l . " C ) .

a : n F s t I e ~ c C ~ i O n , a / t e l o r e V s o O i r t D r n : n e a t r r , r c t i o n . * I C , o < * C O D

a v e r a g e w a t e r s u p p l y r a t e g/min

P e r f o r m a n c e o f t o w - a l t i t u d e mode

R 2 2 w a s s t o r e d i n t h e t a n k a t r o o m t e m p e r a t u r e a n d s u p p l i e d t o t h e b o i l e r s e c t i o n . Due t o t h e p r e s s u r e d r o p . R 2 2 became t w o - p h a s e f l o w w i t h c o o l i n g down i t s e l f

188- ..... t o t h e s a t u r a t i o n t e m p e r a t u r e t h a t c o r r e s p o n d e d w i t h t h e l o c a i p r e s s u r e i n t h e l i n e . S i n c e t h e p r e s s u r e o f t h e b o i l e r s e c t i o n w a s a l m o s t a m b i e n t . t h e t e m p e r a t u r e o f A 2 2 e n t e r e d i n t h i s s e c t i o n w a s - 4 1 ' C a n d a b o u t 2 0 o f R 2 2 h a d b e e n c o n s u m e d ( v a p o r i z e d ) d u r i n g t h i s silt- ' c o o l i n g p r o c e s s . S u c h l o s s i s i n h e r e n t f o r a n y f l u i d

c e l c u i a t i n g t h e c o o l i n g e f f i c i e n c y . t h a t h a s h i g h v a p o r p r e s s u r e . s o i t s h o u i d be o m i t t e d i n

C o n s i d e r i n g a b o v e . t h e h e a t r e j e c t i o n rate a n d , c o o l i n g e f f i c i e n c y a g a i n s t t h e R 2 2 f l o w r a t e r i n g e d f r o m ; 0 . 5 k g / m i n t o 1 . 5 k g / m i n are p r e s e n t e d a s s h o w n i n F i g .

lB- ......................................................... ; 1 5 . H e a t r e j e c t i o n r a t e i n c r e a s e d i n p r o p o r t i o n t o t h e ' f l o w r a t e o f A 2 2 u n t i l t h e b o i l e r s e c t i o n w a s a l m o s t

f i l l e d u p w i t h l i q u i d R 2 2 . The l i m i t o f h e a t r e j e c t i o n r a t e was 4 . 5 kW a n d w a s 8 % l o w e r t h a n p r e d i c t e d v a l u e . T h e r e f o r e a p p l y i n g t h e same c a l c u l a t i o n m e t h o d a n d c o r r e l a t i o n f a c t o r , t h e l i m i t v a l u e w i l l be 5 . 0 kW a n d

i I I El 0 2

f r e q u e n c y o f w a t e r s p r a y i n g p u l s e HI

heat rejection n t c cooling e l l i r ienr r

0 0 0 B A T?

F i g . 14. C o o l i n g e f f i c i e n c y 3 . 8 kW i f a m m o n i a a n d HFC-134a a r e u s e d r e s p e c t i v e l y a g a i n s t f r e q u e n c y o f w a t e r s p r a y i n g p u l s e .

fluorinert ~ x - 3 m a

6 C ' C 2.3 Vmin SO ' C 3.0 I / lr in

40 'C 2 . 3 Ihi"

i n l e t temp tior

Freon R22 f i o r r a t e k a / m i n

F i g . 1 5 . H e a t r e j e c t i o n r a t e a n d c o o l i n g e f f i c i e n c y

C o n c l u s i o n

T h e m a i n i n f o r m a t i o n g i v e n b y t h e s e c o n c e p t s t u d y a n d

- C o m b i n e d s t y l e o f e v a p o r a t o r c o r e d e s i g n w a s i n t r o -

- F o r w o r k i n g f l u i d o f TCS l o o p . f l u o r i n e r t i s

e x p e r i m e n t s c a n be s u m m e r i z e d a s f o i l o w s .

d u c e d t o m i n i m i z e t h e w e i g h t .

s u i t a b l e a s s u b s t i t u t e f o r l i q u i d f r e o n a n d i t w a s a c t u a i l y a p p l i e d i n t h e p r o t o t y p e t e s t .

r a n t . t h o u g h i t s l a t e n t h e a t o f v a p o r i z a t o n i s i n f e r i o r t o t h a t o f ammon ia .

- M a t h e m a t i c a l m o d e l t o e v a l u a t e t h e p e r f o r m a n c e o f t h e e v a p o r a t o r w a s e s t a b l i s h e d .

- B a s i c m o d e l o f w a t e r s p r a y n o z z l e t h a t h a d l e s s d r i b b l e v o l u m e w a s d s v e 4 o p p e d .

- N e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f i v a t e r e v a p o r a t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f i c e f o r m a t i o n w e r e a c q u i r e d u n d e r l o w e n v i r o n m e n t a l p r e s s u r e .

c a t e d a n d e x h i b i t e d p r o p e r p e r t o r m a n c a i n t h e f e a s i b i l i t y t e s t .

.- NFC-134a w o u l d b e r e c o m m e n d e d a s a i n n o c u o u s evapo-

- P r o t o t y p e m o d e l o f e v a p o r a t o r a s s e m b l y was f a b r i -

Ac Ir n o w I e d g e m_e a T h i s s t u d y w a s s u p p o r t e d i n p a r t b y N A S D A ( N a t i o n a l

S p a c e D e v e l o p m e n t A g e n c y o f J a p a n 1.

REFERENCES

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