劉慶志,楊昌鵬,徐侃,趙欣

1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094

2.空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,越來越多的具有特殊功能的載荷進(jìn)入空間應(yīng)用領(lǐng)域。部分載荷具有功率總量大、功率密度高的特點(diǎn),給溫控設(shè)計(jì)帶來很大的困難。例如,廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)中的速調(diào)管是一種基于速度調(diào)制原理將電子束動(dòng)能轉(zhuǎn)換為微波能量的微波真空電子設(shè)備。當(dāng)速調(diào)管工作時(shí),收集極的熱功率可以達(dá)到數(shù)十千瓦,熱流密度超過200W/cm2,對空間熱控系統(tǒng)的溫控能力提出了巨大的挑戰(zhàn)[1-3]。

地面大功率熱源通常采用單相水工質(zhì)回路散熱[4]。為適應(yīng)空間應(yīng)用領(lǐng)域,大功率熱源往往需要進(jìn)行小型化和輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì),這使熱源的散熱問題更加凸出。如果仍然采用單相流體回路,回路大流量設(shè)計(jì)勢必會(huì)帶來巨大的質(zhì)量和能耗代價(jià)。目前,其他能夠滿足空間實(shí)際工程應(yīng)用的高效散熱方式主要有:基于相變的流動(dòng)沸騰換熱(兩相流體回路),兩相噴霧冷卻,兩相射流冷卻[5]。在換熱能力都滿足需求的情況下,采用噴霧冷卻和射流冷卻,系統(tǒng)體積較大,給空間應(yīng)用帶來不利影響。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展,結(jié)合微槽道的機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)兩相流體回路技術(shù)具有熱收集能力強(qiáng)、傳熱能力大、能耗小和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),在空間大熱耗、高熱流密度散熱領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。2011年發(fā)射的AMS02泵驅(qū)兩相二氧化碳流體回路系統(tǒng),是機(jī)械泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)的首次在軌應(yīng)用[6-8]。此后,空間用泵驅(qū)兩相流體回路還被用于大型天線和深空探測任務(wù)的熱控設(shè)計(jì)[9-11]。2016年,北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部研制的結(jié)合微槽道技術(shù)的泵驅(qū)兩相氨流體回路首次搭載多功能飛船縮比返回艙進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)。受搭載航天器電源規(guī)模等條件限制,此次進(jìn)行在軌試驗(yàn)的泵驅(qū)兩相流體回路最大設(shè)計(jì)散熱功率為500W,最大熱流密度為500W/cm2,由于試驗(yàn)過程較短,實(shí)際完成了熱流密度為271W/cm2的換熱能力的驗(yàn)證[12]。在上述兩相流體回路的空間應(yīng)用中,熱源一般為長期工作狀態(tài),且與系統(tǒng)熱容量相比較,整體功率比較小,兩相流體回路運(yùn)行狀態(tài)比較平穩(wěn)。本文研究的熱源周期性短時(shí)工作,總功率高達(dá)60kW,對兩相系統(tǒng)沖擊大,易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

在針對空間大功率熱源兩相流體回路熱排散系統(tǒng)研究中,開展兩相流體回路系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證,對于指導(dǎo)和改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。Sinda/Fluint軟件基于經(jīng)典的傳熱和流動(dòng)方程,采用集總參數(shù)方法對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理,能夠較好地模擬兩相流體回路系統(tǒng)的運(yùn)行特性[13-15],曾應(yīng)用于國際空間站阿爾法磁譜儀硅微條軌跡探測器泵驅(qū)兩相二氧化碳流體回路系統(tǒng)仿真[16-18]和空間相機(jī)載荷CCD器件泵驅(qū)兩相氨流體回路仿真[19],仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好。上述仿真對象功率很小,兩相系統(tǒng)熱力狀態(tài)變化比較平緩,因此仿真過程容易收斂。短時(shí)大功率往往會(huì)使模型中節(jié)點(diǎn)的熱力狀態(tài)產(chǎn)生突變,使節(jié)點(diǎn)熱力特性參數(shù)超出合理范圍,導(dǎo)致仿真過程不收斂。

本文通過設(shè)計(jì)泵驅(qū)動(dòng)兩相氨流體回路系統(tǒng)解決空間短時(shí)60kW大功率熱源的溫控難題,并利用Sinda/Fluint軟件建立系統(tǒng)仿真模型,通過合理簡化模型,解決模型收斂問題,完成兩相流體回路運(yùn)行特性分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。

2 泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及功能

泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)的組成見圖1?；芈酚蓹C(jī)械泵、回?zé)崞?、大功率熱源、相變裝置、輻射器和儲(chǔ)液器等組成,各部分主要功能如下。

圖1 兩相流體回路設(shè)計(jì)狀態(tài)示意

1)機(jī)械泵的主要作用是為工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力,回路設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工質(zhì)流量需求和流動(dòng)阻力選定具有適當(dāng)揚(yáng)程的泵。

2)回?zé)崞鞯闹饕饔檬菍?shí)現(xiàn)大功率熱源入口和出口工質(zhì)熱量交換,提高來自于輻射器的過冷工質(zhì)溫度水平,使大功率熱源入口溫度接近工質(zhì)飽和溫度,提高大功率熱源熱交換能力和溫度均勻度。部分兩相流體回路設(shè)計(jì)采用電加熱的方式為工質(zhì)預(yù)加熱,增加了系統(tǒng)能源消耗。采用回?zé)崞髂軌驕p少能源消耗,但系統(tǒng)質(zhì)量和流動(dòng)阻力有所增加。

3)蒸發(fā)器是兩相流體回路工質(zhì)吸熱發(fā)生相變的部位,采用微槽道結(jié)構(gòu)形式。蒸發(fā)器的熱量來自于3臺連續(xù)排布的大功率熱源。

4)相變裝置是吸收大功率熱源熱量的主要裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),要求相變裝置能夠完全吸收大功率熱源在工作時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

5)輻射器是回路系統(tǒng)工質(zhì)冷凝裝置。輻射器的主要作用是在大功率熱源工作間隔時(shí)間內(nèi),將儲(chǔ)存在相變裝置內(nèi)的熱量排散出去。同時(shí)在載荷工作時(shí)間內(nèi),使工質(zhì)在流入機(jī)械泵之前具備一定程度的過冷。

6)儲(chǔ)液器根據(jù)工質(zhì)體積變化為系統(tǒng)補(bǔ)充或吸納工質(zhì),維持系統(tǒng)的壓力在合理的范圍內(nèi)。儲(chǔ)液器內(nèi)部工質(zhì)為兩相狀態(tài),為了使流出儲(chǔ)液器的工質(zhì)保持液體狀態(tài),儲(chǔ)液器壁面和出口位置一般設(shè)計(jì)有毛細(xì)結(jié)構(gòu),利用多孔介質(zhì)的毛細(xì)效應(yīng)儲(chǔ)存液態(tài)工質(zhì)。另外,儲(chǔ)液器表面安裝有控溫裝置,利用兩相工質(zhì)飽和溫度和飽和壓力的相關(guān)性,最終實(shí)現(xiàn)對兩相系統(tǒng)的溫度控制。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)單臺熱源工作時(shí)的功率為20kW,熱源每次工作時(shí)間為100s,每次工作間隔時(shí)間為12000s;熱源工作時(shí),最高溫度水平不超過80℃。

兩相流體回路采用氨作為工質(zhì)。儲(chǔ)液器的溫度控制在20℃。當(dāng)工質(zhì)以飽和液態(tài)流入蒸發(fā)器,吸收熱源的熱量,再以飽和氣態(tài)流出蒸發(fā)器,所需要的流量為0.05kg/s?？紤]到兩相工質(zhì)的含氣率升高,工質(zhì)與熱源之間的換熱性能下降的因素,回路流量設(shè)計(jì)為0.1kg/s。

儲(chǔ)液器控溫水平為20℃,因此蒸發(fā)器出口溫度將高于20℃,考慮到兩相回路與相變裝置的熱交換能力以及相變裝置的蓄熱能力,選擇正十四烷為相變材料,相變點(diǎn)為5.7℃。熱源工作100s產(chǎn)生的熱能為6000kJ,相變材料的相變潛熱為228kJ/kg,所需相變材料為26.3kg。實(shí)際設(shè)計(jì)中,充分考慮了相變裝置的換熱效率等影響因素,確保相變裝置能夠完全吸收熱源工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。

根據(jù)熱源的工作時(shí)長和工作間隔,分析獲得熱源的平均功率為500W。不考慮軌道外熱流的影響,當(dāng)輻射器面積為1m2,表面發(fā)射率為0.79,且采用雙面熱輻射方式時(shí),輻射器平均溫度水平為0℃。此時(shí)相變裝置與輻射器之間存在5.7℃的溫差,可以確保相變裝置儲(chǔ)存的熱量能夠及時(shí)排散出去。

兩相流體回路管路采用鋁合金材料,管路直徑為12mm。

3 兩相流體回路系統(tǒng)仿真

3.1 仿真原理

對兩相流體回路仿真采用的傳熱、質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程進(jìn)行離散化,經(jīng)過離散化處理后的方程如下[20]。

傳熱方程:

質(zhì)量方程:

動(dòng)量方程:

(ΔP+Hc+Fc·Fm·|Fm|FW+

能量方程:

式中:m為非流體節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量;cp為定壓比熱容;T為溫度;D為導(dǎo)熱熱導(dǎo);G為輻射熱導(dǎo);Q為內(nèi)熱源項(xiàng);M為流體節(jié)點(diǎn)質(zhì)量;U為內(nèi)能;h為比焓;P為壓力;Fm為質(zhì)量流量;L為管路的長度;A為流道截面積;Fk為管路進(jìn)出口或彎頭引起的局部壓力損失系數(shù);Hc為體積力項(xiàng);Ac為流道面積變化或流體密度變化引起的壓力損失系數(shù);Fc和Fw為流體壁面摩擦引起的壓力損失系數(shù);V為流體節(jié)點(diǎn)的體積;Vt為流體節(jié)點(diǎn)體積隨時(shí)間的變化率;Vp為流體節(jié)點(diǎn)體積隨壓力的變化率。

3.2 模型簡化

Sinda/Fluint軟件主要用于一維管流模擬,不能直接對蒸發(fā)器、回?zé)崞?、相變裝置和儲(chǔ)液器等具有復(fù)雜流動(dòng)傳熱特性的三維體進(jìn)行分析。為減小數(shù)值模擬的復(fù)雜度,保證計(jì)算結(jié)果收斂,實(shí)現(xiàn)模擬兩相流體回路系統(tǒng)主要特征的目的,對模型中可以通過設(shè)計(jì)保證的因素進(jìn)行了簡化:

1)儲(chǔ)液器的溫度控制在20℃,在分析中保持不變,因此將儲(chǔ)液器模型設(shè)定為飽和態(tài)邊界節(jié)點(diǎn),熱力狀態(tài)不變,內(nèi)部工質(zhì)設(shè)定為均相狀態(tài),通過軟件功能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)液器流出工質(zhì)狀態(tài)為液相。

2)相變裝置具備足夠的蓄熱能力。同時(shí),將流體回路與相變材料之間的熱導(dǎo)按照蓄熱過程完成后,相變界面與流體回路最遠(yuǎn)距離時(shí)的分析結(jié)果設(shè)為常值,這種簡化方式使熱源溫度計(jì)算結(jié)果相對實(shí)際狀態(tài)偏高,也是工程設(shè)計(jì)中常用的比較保守的評估方法。此時(shí)將相變裝置設(shè)定為邊界節(jié)點(diǎn),溫度保持在5.7℃。

3)蒸發(fā)器內(nèi)換熱系數(shù)按照文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)能力取值,為5W/(cm2·℃)。相變裝置和回?zé)崞鞯牧鲃?dòng)換熱面積可以通過設(shè)計(jì)調(diào)整,分析中設(shè)定相變裝置內(nèi)兩相流體與相變材料之間的熱導(dǎo)為5000W/℃,設(shè)定回?zé)崞鲀蓚?cè)流體之間的熱導(dǎo)為300W/℃。

4)輻射冷背景溫度設(shè)定為-269.15℃。

上述假定對模型快速收斂起到了重要作用,簡化后模型見圖2。

圖2 兩相流體回路模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 回路正常運(yùn)行特性仿真

按照設(shè)計(jì)狀態(tài),當(dāng)熱源不工作時(shí),相變裝置中儲(chǔ)存的熱量需要流體回路傳輸至輻射器排散至冷空間,回路內(nèi)工質(zhì)全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐合酄顟B(tài)。當(dāng)熱源工作后,流經(jīng)蒸發(fā)器的工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上鄳B(tài),并吸收大量的熱量。圖3～5分別為蒸發(fā)器中工質(zhì)溫度、壓力和干度(X)隨時(shí)間變化曲線,圖6為熱源溫度隨時(shí)間變化曲線。在圖3中,當(dāng)工質(zhì)為液態(tài)時(shí),3個(gè)蒸發(fā)器的溫度相同,蒸發(fā)器吸收熱量工質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮上嗪?由于蒸發(fā)器1靠近泵的出口,飽和壓力最大,因此溫度水平最高。受流動(dòng)阻力影響,蒸發(fā)器2和蒸發(fā)器3的飽和壓力依次降低(見圖4),溫度水平也逐漸降低。在圖5中,熱源工作后,蒸發(fā)器1首先發(fā)生相變,當(dāng)兩相工質(zhì)依次流過蒸發(fā)器2和蒸發(fā)器3并吸收熱量后,工質(zhì)干度逐漸增加,直至接近0.5,與設(shè)計(jì)狀態(tài)相符合。與蒸發(fā)器1～3的溫度對應(yīng),熱源1～3的溫度依次降低,其中熱源1的溫度最高,但仍小于70℃,符合設(shè)計(jì)預(yù)期,見圖6。

圖3 蒸發(fā)器溫度隨時(shí)間變化

圖4 蒸發(fā)器壓力隨時(shí)間變化

圖5 蒸發(fā)器干度隨時(shí)間變化

圖6 熱源溫度隨時(shí)間變化

如圖7所示,當(dāng)熱源不工作時(shí),輻射器的平均溫度為0.3℃,長期熱輻射能力為500W左右,與設(shè)計(jì)值相符。當(dāng)熱源工作時(shí),輻射器的平均溫度為8.4℃,短時(shí)熱輻射能力為560W左右。

圖7 輻射器溫度云圖

4.2 泵驅(qū)動(dòng)能力過剩帶來的負(fù)面影響分析

根據(jù)第4.1小節(jié)仿真結(jié)果,在儲(chǔ)液器控溫條件下,當(dāng)流體回路流動(dòng)阻力增大后,同等流量下,需要增加泵的壓頭,蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)壓力也將增大。當(dāng)工質(zhì)處于飽和態(tài)時(shí),蒸發(fā)器的溫度也隨之升高。圖8和圖9顯示了管路內(nèi)徑由12mm改為8mm后,流體回路蒸發(fā)器的壓力和溫度仿真結(jié)果。蒸發(fā)器溫度升高,導(dǎo)致熱源溫度升高,如圖10所示,臨近泵出口處的熱源1和熱源2的溫度已經(jīng)超過設(shè)計(jì)要求中規(guī)定的80℃。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)兩相流體回路系統(tǒng)時(shí),需要綜合考慮泵的揚(yáng)程、流量需求和流動(dòng)阻力的匹配關(guān)系,在流量滿足需求的情況下,盡量不要選擇過大揚(yáng)程的泵。泵的揚(yáng)程過大,不僅僅過多消耗能源,而且增大了兩相蒸發(fā)器和兩相儲(chǔ)液器之間的溫差,使兩相系統(tǒng)均溫性變差。

圖8 增大驅(qū)動(dòng)力條件下蒸發(fā)器壓力隨時(shí)間變化

圖9 增大驅(qū)動(dòng)力條件下蒸發(fā)器溫度隨時(shí)間變化

圖10 增大驅(qū)動(dòng)力條件下熱源溫度隨時(shí)間變化

4.3 換熱性能對回路系統(tǒng)的影響分析

熱源的溫度保障取決于兩相流體回路熱收集能力和熱排散能力等環(huán)節(jié)。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)的換熱系數(shù)減小后,熱源的溫度水平將直接受到影響,但兩相工質(zhì)的平均溫度幾乎不變。圖11顯示了蒸發(fā)器換熱系數(shù)減半后熱源的溫度隨時(shí)間變化曲線,熱源工作后溫度升高明顯,不能滿足低于80℃的工作條件。因此,在換熱面積一定的情況下,蒸發(fā)器內(nèi)需要采用微槽道結(jié)構(gòu)等增強(qiáng)換熱能力的措施,減小熱源與蒸發(fā)器之間的溫差。

圖11 蒸發(fā)器換熱系數(shù)降低后熱源溫度變化

相變裝置能否充分發(fā)揮蓄熱能力與工質(zhì)和相變裝置間的換熱能力密切相關(guān)。當(dāng)換熱能力不足時(shí),兩相工質(zhì)的熱量不能完全被相變裝置吸收,將無法保證泵入口處工質(zhì)的過冷度,導(dǎo)致工質(zhì)呈現(xiàn)兩相狀態(tài)。圖12顯示了相變裝置熱擴(kuò)散能力降低一半后,泵入口處工質(zhì)干度隨時(shí)間變化曲線。當(dāng)熱源工作后,泵入口工質(zhì)不能保持液相狀態(tài)。由于氣蝕對機(jī)械泵工作性能及壽命影響較大,因此在設(shè)計(jì)相變裝置時(shí)應(yīng)充分考慮相變裝置自身的傳熱效率。

圖12 泵入口處工質(zhì)干度隨時(shí)間變化

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)結(jié)合高效蓄熱裝置的兩相溫控系統(tǒng)是解決空間短時(shí)大功率熱源熱排散的有效途徑,仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和正確性。

2)與以往穩(wěn)態(tài)輸入和小功率輸入仿真不同,通過合理簡化,首次實(shí)現(xiàn)了對短時(shí)大功率輸入條件下復(fù)雜兩相系統(tǒng)的仿真,仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期符合度較高,簡化方法對于實(shí)現(xiàn)兩相模型的快速收斂具有一定的借鑒意義。

3)仿真結(jié)果還表明,在流量設(shè)計(jì)滿足要求的情況下,泵驅(qū)動(dòng)能力過剩將增大蒸發(fā)器與儲(chǔ)液器之間的兩相壓差,導(dǎo)致兩相系統(tǒng)溫差增大,對控制熱源溫度不利。在設(shè)計(jì)蒸發(fā)器和相變裝置時(shí),應(yīng)保證流體回路與二者之間的換熱性能。

4)后續(xù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累情況開展蒸發(fā)器和相變裝置內(nèi)兩相流動(dòng)換熱特性分析,并根據(jù)分析結(jié)果修正仿真模型。