Схемы охлаждения телескопов и их эффективность

[ivxg 721]

В данной ветке предлагается рассмотреть различные схемы охлаждения телескопов, преимущественно схем Ньютона, Максутова-Кассегрена и Шмидт-Кассегрена.

 

 

Для начинающих любителей будет полезно принять как аксиому следующий тезис: любое более-менее качественное наблюдение необходимо начать с термостабилизации телескопа. Неостывший телескоп подобно неотъюстированному – вы даже представить себе не можете на сколько сильно снижается качество картинки у неостывшей оптики. Потому необходимо выработать правило: хороший телескоп – остывший телескоп.

 

Длительность остывания зависит от разницы температуры хранения и температуры наблюдения (градиент), от массы оптической поверхности и от степени обмена воздуха внутри объема трубы и вблизи оптического массива.

Средние расчетные длительности (в минутах) остывания при градиенте 30°С:

 

* рефрактор - ахромат (крон, флинт), рефлектор от 200мм - Пирекс

 

Стоить иметь ввиду, что темп охлаждения снижается к моменту полной стабилизации – при градиенте 1 - 3°С на первый план выходит погранслой. Его ассимиляция зачастую занимает половину всего времени остывания, что особенно хорошо заметно на крупных Ньютонах и катадиоптриках.

 

Едва ли кто-то станет ждать несколько часов на морозе, потому было предложено и апробировано множество способов активного охлаждения.

 

 

В первой части этого поста рассмотрим методы охлаждения телескопов Ньютона. Вдохновение и некоторые материалы я подчерпнул из данного сообщения: ссылка, еще ссылка

 

1. Центральный, тыловой

 

Одно из простейших решений. Достаточно только придумать крепеж для кулера. Один из вариантов – деревянная или пластиковая крышка посаженная на клей или болты.

 

В режиме нагнетания (вдуваем) обеспечивает постепенное охлаждение массива зеркала. В среднем снижает время остывание в 1,5 – 2 раза. Не решает проблему програнслоя, но уменьшает время его влияния.

 

В режиме разрежения (выдуваем) весьма неэффективен. Снижает время не более чем в 1,3 – 1,7 раз. Причина в малой площади конвективного теплообмена поверхности. Без крышки вообще едва работает. Такой режим хорош только в комбинированных схемах о которых речь пойдет ниже.

 

Выбирая кулер можно оперировать следующей формулой: 

 

 

Lэ – эффективный объем воздуха

D – диаметр кулера.

Допустим, вы выбираете к покупке один 120мм кулер или два 60мм. По этому расчету получается, что 120мм выдаст 49 м³/ч, в то время как два 60мм выдадут почти 60 м³/ч.

Не стоит забывать, что крупный кулер может давать заметную в окуляре вибрацию. 

 

 

120мм кулер на 200мм Ньютоне - 49 м³/ч

 

80мм кулер на 200мм Ньютоне - 36 м³/ч

 

Три 40мм кулера на 200мм Ньютоне – самый оптимальный вариант, дают 65 м³/ч, не шумят и не вибрируют.

 

2. Радиальный

Несколько более сложная схема, требующая распила трубы и разработки крепления для кулера. Дешевый и сердитый вариант – обмотать скотчем зияющие участки.

 

 

В режиме нагнетания весьма эффективно ассимилируется погранслой, что повышает качество наблюдения на крупных (более 150мм) Ньютонах. Но в целом снижает время стабилизации не более чем в 1,6 раз. Причина кроется в почти полном отсутствии эффективного конвективного обдува массива зеркала – дуем вскользь. Можно повысить эффективность поставив кулер под углом так, чтобы поток воздуха нагнетался в площадь зеркала. Оптимальный угол – 10 - 15°, но такая схема предполагает увеличение размера выступающих над трубой частей и риска повреждения кулера при транспортировке.

В режиме разряжения один кулер малоэффективен, за исключением комбинированных схем.

 

 

Располагать нижний край кулера стоит на высоте не более 1 см от поверхности зеркала. Края болтов обязательно чернить.

Размер кулер имеет большее значение, чем его производительность. 

 

 

Так 40мм кулер будет использовать почти 40% своей производительности для непосредственного охлаждения зеркала. Эффективность 120мм не превысит 15%. Однако погранслой будет лучше сдут именно 120мм. В итоге оптимум для «однокулерной» – 60 или 80мм.

Что бы не гадать о компромиссах можно установить два радиальных кулера:

 

 

Суммарная эффективность нагнетания и разряжения приумножается примерно во столько же раз, сколько кулеров вы установите. При этом возрастает эффективность разряжения – так при 4х работающих 40мм кулерах турбулентный массив не превышает высоту 5 – 6 см.

Но лучше всего если один кулер будет работать на нагнетание, а другой на разряжение. В целом результаты моделирования данных процессов приведены на диаграмме. В ней указана величина турбулирующего слоя в % от объема трубы. Понятно, что даже 1% такого слоя сводит наблюдения на нет, но чем меньше этот слой, тем меньше время охлаждения и стабилизации.

 

Итог тут ясен, круговой массив разнонаправленных кулеров дает лучший результат:

 

 

В частности, мой HRONOS позволяет реализовать только такую схему, так как высота зеркала над землей попросту не позволяет устанавливать тыловые кулеры.

 

3. Комбинированные схемы

 

Такое решение самое сложное и эффективное. Расположите один мощный кулер с тылу, и тройку радиально, и вы получите многорежимную систему охлаждения, способную как быстро охладить массив, так и сдуть погранслой.

 

 

Режим «нагнетания – разряжения» позволяет сократить время стабилизации до 2,5 раз. Для него можно применять связку из 3х тыловых кулеров (нагнетание) и 3х радиальных (разряжение). Кол-во радиальных кулеров подчиняется вышеизложенной зависимости – чем больше, тем лучше. Но оптимально по сложности и эффективности все же от 2х до 3х.

Для тылового кулер так же действует правило формулы эффективности – 3 по 40мм лучше, чем 1 на 120мм.

 

Но самая эффективная схема, работающая на «разряжение – нагнетание». Она позволяет сократить время стабильно больше чем 2,5 раза. Пример: три радиальных кулера (нагнетают) + один 120мм кулер (разряжение). Если с радиальными более-менее понятно, то тыловой должен быть как можно больше, дабы его задача не охладить массив зеркала, а выжать теплый воздух, и тут пригодится его мощная тяга. Но не забываем про вибрацию, вероятно вам придется приобретать еще один 120мм кулер в надежде что он лучше сбалансирован. Из 3х таких здоровяков как минимум 1 потряхивал 150мм оцинкованную трубу…

 

Пока результаты по катадиоптрикам только в процессе получения. Потому итоги по системе Ньютона:

Если выбор лежит между тыловым и радиальным кулером, то скорее всего можно дать следующую рекомендацию: для Ньютонов до 200мм оптимальным будет тыловой кулер, так как стабильность погранслоя невелика. Для крупных Ньютонов от 200мм более предпочтительна с некоторыми оговорками радиальная схема, так как большая площадь зеркала надежно защищает погранслой – его надо сдувать.

 

Если вы хотите максимальной эффективности, то выбор за комбинированными схемами, где явными преимуществами обладает схема разряжение тылового – нагнетание радиальных.

[Alex_Valeev 287]

Очень кстати! Отличный материал. Из моего скромного опыта: Ставить большие (более 120мм) куллера вообще неэффективно. Недавно все таки приделал обычный 80мм куллер с макс. оборотами почти в 3500 в мин. В поле еще не проверял, но судя потому как засасывает в "передок" пакеты и бумагу, думаю норм. должно быть. Еще при выборе куллера стоит опираться на его собственную производительность  м³/ч

[ivxg 721]

 

 

 куллера стоит опираться на его собственную производительность  м³/ч

 

Если бы ее еще указывали

[Alex_Valeev 287]

Если бы ее еще указывали

Ну если верить им. На некоторых сайтах указывают. 

[Alex_Valeev 287]

В целом понятно, что лучше сбоку делать на вдув и выдув. Для планет особо актуально. 

[ivxg 721]

А то ж

[$ander 479]

Плюсую за модные рендеры! Тока ежели все серьезно и ушла пора детского рэпа, то мне делать замечания, что в таблице положено указывать единицы измерения, т.е. миллиметры в диаметре и минуты в длительности, несмотря на пометку выше таблицы

Откуда формулы, стесняюсь спросить?

[ivxg 721]

Плюсую за модные рендеры! Тока ежели все серьезно и ушла пора детского рэпа, то мне делать замечания, что в таблице положено указывать единицы измерения, т.е. миллиметры в диаметре и минуты в длительности, несмотря на пометку выше таблицы

Откуда формулы, стесняюсь спросить?

 

Исправил первую таблицу.

Формула выведена эмпирически для условия близкого расположения кулера к зеркалу (1 - 4 см), коэффициент достоверности 0,87. 

[Шикарян 2]

Крайне интересная статья.  Т.е. для больших зеркал  самая эффективная схема - 3 радиальных на вдув, 3 донных на выдув.

Однако немного не понимаю,  три потока от трех кулеров будут встречаться в центре зеркало, турбулизируя  погранслой, перешивая холодный и теплый воздух, что будет мешать наблюдениям.  Конечно, теплообмен при турбулентном течении интенсивнее, но стоит учитывать, что возможно охлаждение будет работать всю ночь, так как температура имеет свойство падать до самого утра. Т.е. термостабилизация зеркала в реальных условиях может и не наступить вообще.  Мы ведь хотим наблюдать, а не просто охлаждать =)

 

В связи с этим вопрос автору - а что если радиальных кулера  поставить с одной стороны - так чтобы они сдували погранслой в одну сторону, где за краем он будет всасываться донными вентиляторами?  Насколько будет эффективна в плане охлаждения?

[ivxg 721]

Цитата

Однако немного не понимаю,  три потока от трех кулеров будут встречаться в центре зеркало, турбулизируя  погранслой, перешивая холодный и теплый воздух, что будет мешать наблюдениям.  Конечно, теплообмен при турбулентном течении интенсивнее, но стоит учитывать, что возможно охлаждение будет работать всю ночь, так как температура имеет свойство падать до самого утра. Т.е. термостабилизация зеркала в реальных условиях может и не наступить вообще.  Мы ведь хотим наблюдать, а не просто охлаждать =)

 

Вы безусловно правы. Проблема изменения температуры воздуха в процессе наблюдения действительно есть, и тут, кстати, она затрагивается более подробно: 

Как таковое возмущение от работы кулеров на не сильно портит картинку: какая в принципе разница, что там, слой возмущения или погранслой - и так  и так мы не выходим на максимум возможностей телескопа. Но вот в последней трети процесса охлаждения (или догрева) данных эффект сопоставим с флуктуациями атмосферы, а значит он не является доминирующим. Ну и потом, ни кто же не запрещает отключать часть кулеров, коль они стали мешать... В общем проблема противохода потоков, по моему мнению - вообще не проблема.

 

Цитата

В связи с этим вопрос автору - а что если радиальных кулера  поставить с одной стороны - так чтобы они сдували погранслой в одну сторону, где за краем он будет всасываться донными вентиляторами?  Насколько будет эффективна в плане охлаждения?

 

Опять же, по ссылке выше представлен подробный анализ уже работающей схемы, при которой выдув осуществляется при помощи части радиальных кулеров. 

 

 

 

[Шикарян 2]

1 час назад, ivxg сказал:

Опять же, по ссылке выше представлен подробный анализ уже работающей схемы, при которой выдув осуществляется при помощи части радиальных кулеров. 

 

Я так понял, что речь о случае с тремя нагнетающими и тремя разрежающими?   Который изображен ан рисунке по фразой " Итог тут ясен, круговой массив разнонаправленных кулеров дает лучший результат: "?

 

Вопрос - правильно ли я понял, что на этой картинке группа из 3 кулеров с одной стороны только нагнетает, а группа из 3 с другой только разряжает? Или они в вперемешку?

 

Объясню суть моего интереса. У меня очень большое нежелание кромсать  трубу.  Я хотел бы запихнуть  кулеры в зазор между зеркалом и трубой - это 15 мм,  то есть  кулеры в трубе у меня могут быть только нагнетающими и брать воздух от холодной стенки. Естественно есть возможность поставить мощный донный кулер.

 

Изучив вашу статью пришел к таким выводам

1. Наиболее эффективная схема в плане скорости охлаждения - 3 радиальных нагнетающих симметрично расположенных и один донный разряжающий

2. Первые 2/3 времени (примерно) - зеркало должно только охлаждаться. Пытаться наблюдать на больших кратах в этот момент смысла нету.

3. На последней трети времени - можно оставить 1 или 2 радиальных и уменьшить тягу донного и начать наблюдать. Или вообще все выключить, если погранслой от остаточного тепла будет вести себя культурно и стекать ламинарно.

 

 

[ivxg 721]

42 минуты назад, Шикарян сказал:

Я так понял, что речь о случае с тремя нагнетающими и тремя разрежающими?   Который изображен ан рисунке по фразой " Итог тут ясен, круговой массив разнонаправленных кулеров дает лучший результат: "?

 

Вопрос - правильно ли я понял, что на этой картинке группа из 3 кулеров с одной стороны только нагнетает, а группа из 3 с другой только разряжает? Или они в вперемешку?

Да, три нагнетает и три, с противоположной стороны, разряжают. - это лучший вариант среди радиального расположения.

 

Цитата

Наиболее эффективная схема в плане скорости охлаждения - 3 радиальных нагнетающих симметрично расположенных и один донный разряжающий

 

Скорее тут надо стремиться к тому, что бы рязряжающий был как можно более мощным, что бы течение воздуха был сверху-вниз (К примеру для 200 мм трубы такой эффект даст Thermalright TY-143). А сколько радиальных - сколько душе угодно, думаю - 2, 3 вполне хватит. 

 

Цитата

Первые 2/3 времени (примерно) - зеркало должно только охлаждаться. Пытаться наблюдать на больших кратах в этот момент смысла нету

 

Ну как Вам сказать, если на улице очень холодно, то пожалуй нет. Да Вы и сами увидите как улучшается картинка по ходу процесса остывания. Разумеется если атмосфера более-менее приличная.

 

 

Цитата

На последней трети времени - можно оставить 1 или 2 радиальных и уменьшить тягу донного и начать наблюдать. Или вообще все выключить, если погранслой от остаточного тепла будет вести себя культурно и стекать ламинарно.

Вообще критерий Рейнольдса тут не играет особого значения. Есть два слоя среды с разной плотностью и нестабильной границей - источник искажения. Его надо убирать. Если вибрации нет, источник питания бесконечный (авто, дом) то я бы вообще ничего не отключал. Иначе - оставить работать радиальные кулеры без тылового.

 

Цитата

У меня очень большое нежелание кромсать  трубу

 

Что за телескоп у Вас?