劉賢良 宋保銀 朱 嫣

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熱負荷及環(huán)境溫度對機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)性能影響

劉賢良 宋保銀 朱 嫣

（南京航空航天大學航空宇航學院 南京 210016）

運用傳熱學、流體力學、兩相流和控制論等知識對機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)的各個部件建立混合物模型及Simulink仿真模塊。借助于Matlab/Simulink計算軟件，對系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真計算，得到了系統(tǒng)分別在熱負荷和冷凝器側環(huán)境溫度變化情況下的溫度分布和變化情況。據此對系統(tǒng)進行了運行穩(wěn)定性分析。結果表明蒸發(fā)器側熱負荷的階躍變化對蒸發(fā)器出口溫度影響較大，對冷凝器進出口溫度影響則較?。焕淠鱾拳h(huán)境溫度周期性變化對冷凝器出口溫度、儲液器入口溫度及泵入口溫度影響較大，對蒸發(fā)器進出口溫度影響則較小。

機械泵；兩相流；熱控系統(tǒng)；傳熱；動態(tài)性能

0 引言

對于載人航天器而言，不僅要保證其結構部件、儀器設備在空間環(huán)境下處于一個合適的溫度范圍，使其能夠正常工作，更重要的是，還必須保證航天員所處密封艙的大氣環(huán)境滿足一定的溫度、濕度以及清潔度要求。載人航天器熱管理技術以大型載人航天器為研究背景，從系統(tǒng)角度出發(fā)，對航天器有關熱環(huán)境和子系統(tǒng)的熱行為進行統(tǒng)一的調節(jié)，完成對航天器熱量的收集、傳輸、利用和排散[1]。

在航天器的熱管理領域中，單相流體回路系統(tǒng)是主動熱控技術中的一種重要方式，在國外的許多航天器上都得到了采用。但隨著載人航天器功率的不斷增大、在軌運行時間的不斷延長，采用兩相流體回路技術已經是目前研究的重點。兩相回路系統(tǒng)，是一種由毛細結構提供的毛細力或泵輔助驅動其工質循環(huán)的兩相傳熱回路系統(tǒng)。這種系統(tǒng)無運動部件，可靠性高，加上是兩相流傳熱，系統(tǒng)重量輕，性能高，因此是未來載人航天器熱控制的理想系統(tǒng)。然而目前常用的毛細泵驅動兩相熱控系統(tǒng)雖易于實現溫控，但啟動困難，液體槽道內容易產生氣蝕。在這個基礎上，機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)設計方案被提出。

機械泵驅動的兩相冷卻系統(tǒng)在運行控制方面，更加簡單。通過改變泵的輸入電壓可以實時地改變流量。同時機械泵的驅動力遠大于毛細泵，這更適合于復雜形狀和布局分散的熱源散熱。對于該系統(tǒng)，國內外都對其進行了多項研究。Delil等人[2]對二氧化碳為工質的機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的測試實驗，證明該種形式的機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)能夠達到AMS-2太空反物質探測器熱控系統(tǒng)的設計需求。Mo等人[3]對機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)中單個蒸發(fā)器內壓力降分布進行了數值分析，通過將計算數據與實驗結果進行比較，提出了新的兩相流壓降關系式。劉杰等人[4]構建了系統(tǒng)試驗臺，將其基本性能與機械泵驅動單相熱控系統(tǒng)及毛細泵驅動兩相熱控系統(tǒng)進行了比較，對其啟動特性、過熱現象、冷凝器側環(huán)境溫度波動等情況進行了分析，得出了啟動溫度越低，所產生的過熱度越大；熱流密度越大，過熱時間維持的越短；系統(tǒng)質量流量與系統(tǒng)壓降為單調二次對應關系等結論。莫冬傳等人[5]利用SINDA/FLUINT和Maltab/Simulink分別對毛細驅動的平板型環(huán)路熱管和泵驅動兩相環(huán)路熱控系統(tǒng)建立動態(tài)模型，從各個方面比較分析，發(fā)現泵驅動回路相對毛細驅動回路更加穩(wěn)定，且受重力的影響更小，并對于這兩種兩相回路分別提出了雙通道和雙輻射器的改進方案。張雙[6]利用傳熱和壓降方程建立泵驅動兩相回路的一維穩(wěn)態(tài)數學模型，分析了回路各段的阻力對系統(tǒng)循環(huán)和換熱的影響，提出了一種多回路兩相換熱裝置，推導出總溫度效率與回路數和單回路溫度效率的計算公式。并通過試驗研究，分析了泵驅動兩相回路的流量特性和換熱特性。就目前來看，對于機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)研究還不充分。鑒于上述原因，本文利用傳熱學、流體力學和控制論等知識對AMS-02硅微條軌跡探測器熱控系統(tǒng)的各個部件建立混合物模型及Simulink仿真模塊，進行了動態(tài)仿真。

1 系統(tǒng)熱力過程分析

圖1 AMS-02機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)簡單示意圖

該系統(tǒng)的基本工作原理為循環(huán)工質在蒸發(fā)器內吸收熱量，經由流體回路輸送至冷凝器側，通過輻射換熱器將熱量散入太空，而驅動力則由機械泵提供。為了避免在機械泵內造成氣蝕，機械泵入口處保持比蒸發(fā)器入口溫度低5℃的過冷度。為了使在蒸發(fā)器側工質以潛熱方式吸熱，在機械泵出口和蒸發(fā)器入口之間，需安裝一個換熱器對過冷工質進行加熱，保證在蒸發(fā)器入口處為飽和工質。機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)與毛細泵回路（CPL）/環(huán)路熱管（LHP）系統(tǒng)一樣，是通過對儲液器的控制來實現對系統(tǒng)工況的控制。儲液器主要起到了補充工質在長期飛行過程中的泄露和實現回路溫度控制的作用。

系統(tǒng)選用CO2作為工質，并在較大的真空度下運行。系統(tǒng)仿真的原理如下：初始時，系統(tǒng)內部被液態(tài)工質所充滿，加熱儲液器至設定溫度T，使蒸發(fā)器入口（節(jié)點1）壓力達到飽和壓力P。外界熱負荷Q加于蒸發(fā)器表面，加熱蒸發(fā)器內飽和液體工質；液體工質吸熱后發(fā)生相變，變?yōu)閮上嗔髦琳舭l(fā)器出口（節(jié)點2）；整個過程大環(huán)境箱溫度保持為T，故該部分系統(tǒng)與外界環(huán)境傳熱量幾乎為零，可以忽略；兩相工質經過連接管道通過換熱器（節(jié)點3、4），進入冷凝器入口（節(jié)點5），在其中放出熱量冷凝成為液體工質（節(jié)點6），并在冷凝器中進一步冷卻成為過冷工質，流至冷凝器出口（節(jié)點7）；過冷后的液體工質經由連接管道流至驅動泵入口（節(jié)點8），通過驅動泵出口（節(jié)點9）后，壓力溫度均有上升，經過換熱器（節(jié)點10、11）之后，工質呈飽和液體狀態(tài)進入蒸發(fā)器出口。

1.1 系統(tǒng)內壓力損失

AMS-02機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)運行時，流體在整個回路依次經過相應的壓力損失，壓力從最高點（節(jié)點9）降至最低點（節(jié)點8），為保證系統(tǒng)工質的循環(huán)，此回路壓差Δp將由驅動泵的驅動力Δp來平衡。

回路壓降由以下各部分壓降組成：

其中，Δp為換熱器單相流側壓力損失；Δp為兩相流段連接管道沿程阻力損失；Δp為蒸發(fā)器內壓力損失之和；Δp為換熱器兩相流側壓力損失；Δp為冷凝器內壓力損失；Δp為單相流段連接管道沿程阻力損失之和；Δp為回路中各連接處局部阻力損失之和。

蒸發(fā)器內壓力損失Δp等于蒸發(fā)器工質蒸發(fā)過程的壓力損失Δp、蒸發(fā)器內局部壓力損失Δp以及沿程壓力損失Δp之和。

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冷凝器內壓力損失Δp等于冷凝器內兩相區(qū)壓力損失Δp與液相區(qū)壓力損失Δp之和。而Δp則等于冷凝器內工質冷凝過程的壓力損失Δp與兩相區(qū)段沿程壓力損失Δp之和。

1.2 單位時間內工質的冷凝量和蒸發(fā)量

蒸發(fā)器內單位時間產生的蒸汽量由下式求得：

冷凝器內兩相區(qū)單位時間的冷凝量由下式求得：

故公式（6）可以寫為：

1.3 系統(tǒng)熱平衡分析

對系統(tǒng)內各節(jié)點進行熱平衡分析，可得出各個節(jié)點溫度關于時間的一組微分方程，求解方程便可得出各節(jié)點的溫度參數為：

2 計算結果及分析

根據以上公式對各個節(jié)點建立控制方程，構建Simulink模塊，對系統(tǒng)的動態(tài)響應狀態(tài)進行模擬，得出結果如下。

2.1 熱負荷階躍變化下運行的仿真結果與分析

圖2為熱負荷階躍變化下，蒸發(fā)器進、出口溫度變化圖。整體來看，隨著熱負荷的不斷增加，蒸發(fā)器進、出口穩(wěn)態(tài)溫度皆有不同程度的上升，但是出口溫度較之進口溫度上升幅度略大，進、出口溫差保持在1℃左右。就動態(tài)狀態(tài)而言，以熱負荷升為100W段為例，如圖中虛線所示，在第217s時蒸發(fā)器出口溫度升至16.106℃，第325s時蒸發(fā)器出口溫度下降至14.127℃，之后逐漸趨向穩(wěn)定。如圖中實線所示，在第295s時蒸發(fā)器入口溫度升至16.046℃，第347s時蒸發(fā)器入口溫度降至15.174℃，之后逐漸趨向穩(wěn)定。由此可見，對于熱負荷的變化，蒸發(fā)器出口溫度響應較快、溫度波動量較大，而蒸發(fā)器入口溫度則響應較慢、溫度波動量較小?？v觀熱負荷升為100W段、200W段及300W段，蒸發(fā)器進出口溫度響應時間均相應增加，溫度波動量相應減少。

圖2 熱負荷階躍變化下蒸發(fā)器進出口溫度變化圖

圖3為熱負荷階躍變化下，儲液器、機械泵入口溫度變化圖。整體來看，隨著熱負荷的不斷增加，儲液器、機械泵入口穩(wěn)態(tài)溫度皆有所上升。機械泵入口溫度值與蒸發(fā)器出口溫度相比，上升幅度較小，卻比蒸發(fā)器入口溫度上升幅度略大。而儲液器入口溫度上升幅度較小，基本穩(wěn)定在15℃左右。就動態(tài)狀態(tài)而言，以熱負荷升為100W段為例，如圖中實線所示，在第233s時儲液器入口溫度升至17.637℃，第345s時儲液器入口溫度降至15.547℃，之后逐漸趨向穩(wěn)定。如圖中虛線所示，在第371s時泵入口溫度升至14.977℃，第769s時泵入口溫度降至13.401℃，之后逐漸趨向穩(wěn)定。由此可見，對于熱負荷的變化，儲液器入口溫度響應較快、溫度波動量也較大，而機械泵入口溫度響應較慢、溫度波動量也較小?？v觀熱負荷升為100W段、200W段及300W段，儲液器入口溫度、機械泵入口溫度變化規(guī)律與蒸發(fā)器進出口溫度相同。

圖3 熱負荷階躍變化下儲液器和機械泵入口溫度變化圖

圖4 熱負荷階躍變化下冷凝器進出口溫度變化圖

圖4為熱負荷階躍變化下，冷凝器進、出口溫度變化圖。整體來看，冷凝器進、出口穩(wěn)態(tài)溫度隨熱負荷增加而上升幅度與其他幾點相比最小，進、出口溫差保持在5℃左右，即冷凝器出口工質為過冷度約為5℃的液體工質。就動態(tài)狀態(tài)而言，以熱負荷升為100W段為例，如圖中實線所示，在第254s時冷凝器入口溫度升至16.341℃，第376s時冷凝器入口溫度降至15.915℃，之后趨向穩(wěn)定。如圖中虛線所示，在第269s時冷凝器出口溫度升至11.891℃，第394s時，冷凝器出口溫度降至11.342℃，之后趨向穩(wěn)定。同樣的，在熱負荷升為200W段以及300W段，冷凝器進、出口溫度響應時間略有增加，溫度波動量依舊較小。由此可見，熱負荷的變化對冷凝器內溫度變化影響不大，小幅溫度波動之后，即趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖2～圖4可以看出，短暫溫度波動后，蒸發(fā)器進出口、冷凝器進出口、儲液器及機械泵入口溫度在小幅溫度波動后，迅速趨于穩(wěn)定狀態(tài)。其中蒸發(fā)器進出口、機械泵入口及儲液器內溫度受蒸發(fā)器側熱負荷影響較大，冷凝器進出口溫度改變主要由冷凝器側環(huán)境溫度決定，受蒸發(fā)器側熱負荷影響較小。由此可知，在不超過蒸發(fā)器工作能力情況下，蒸發(fā)器側熱負荷的變化，對于系統(tǒng)穩(wěn)定性影響甚小。

2.2 冷凝器側環(huán)境溫度周期變化下運行的仿真結果與分析

冷凝器側環(huán)境溫度，即機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)冷凝器側小氣候箱內溫度。

如圖5所示，在機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)中，大氣候箱內溫度保持與工作溫度，即儲液器內溫度一致。目的是為了減少在運輸過程中造成的熱耗散，影響系統(tǒng)運行狀態(tài)。而小氣候箱內為冷凝器，以及與冷凝器相連的輻射換熱器。其內溫度容易產生波動，根據裴念強等人[7]模擬計算得到的軌道數據，針對小氣候箱溫度為0～-40℃周期性變化的工況，對系統(tǒng)各部件工作情況進行了仿真模擬。

圖5 機械泵驅動兩相熱控系統(tǒng)結構示意圖

圖6 冷凝器側環(huán)境溫度在0～-40℃波動下蒸發(fā)器進出口及泵入口溫度變化圖

圖7 冷凝器側環(huán)境溫度在0～-40℃波動下冷凝器進出口及儲液器入口溫度變化圖

由圖可知，小氣候箱內溫度T在0～40℃周期波動時，蒸發(fā)器入口溫度T和蒸發(fā)器出口溫度T隨之變化幅度很少，并且有將近180°的延遲。蒸發(fā)器入口溫度T一直保持穩(wěn)定，至2371s時開始產生波動，波動范圍約為1.18℃。蒸發(fā)器出口溫度T一直穩(wěn)定至2484s，方才開始產生波動，波動范圍約為1.22℃。冷凝器入口溫度T除波動初始略有變化，之后基本不受小氣候箱溫度T波動影響，溫度保持不變。冷凝器出口溫度T受小氣候箱溫度T波動影響較大，113s時開始范圍為13.8℃的周期波動。儲液器入口溫度T也隨之在147s開始范圍為19.4℃的周期波動。機械泵入口溫度T從178s開始范圍為10.7℃的周期波動。

當小氣候箱內溫度周期變化時，蒸發(fā)器進出口、冷凝器進出口、儲液器及機械泵入口溫度經過不同延遲之后，開始周期波動。其中冷凝器出口、儲液器及機械泵入口溫度受冷凝器側環(huán)境溫度影響較大，而蒸發(fā)器進出口溫度改變主要由蒸發(fā)器側熱負荷決定，受冷凝器側環(huán)境溫度影響較小。

3 結論

通過以上的分析，可以得出以下結論：

（1）蒸發(fā)器側熱負荷的階躍變化對系統(tǒng)內各部件溫度都會造成一定程度的影響，其中對蒸發(fā)器出口溫度影響較大，對冷凝器進出口溫度影響較小。僅受熱負荷階躍變化影響時，各部件溫度在短暫波動之后，能夠較快的恢復穩(wěn)定。

（2）冷凝器側環(huán)境溫度周期性變化對系統(tǒng)內各部件溫度也會造成一定程度影響，其中對冷凝器出口溫度、儲液器內溫度及泵入口溫度影響較大，對波動的響應也較快；蒸發(fā)器進、出口溫度受影響較小，對波動響應延遲也較久；而冷凝器入口溫度除初始段外，基本不受環(huán)境溫度影響。

[1] 李亭寒.熱管設計與應用[M].北京:化學工業(yè)出版社, 1987:17-22.

[2] Delil A A M, Pauw A, Woering A A. AMS-2 tracker thermal control system: Design and thermal modeling of the mechanically pumped two-phase CO2loop[C]. 2003, AIAA2003-0345.

[3] Mo D-C, Xiao W-J, Huang Z-C, et al. Comparison of pressure drop between calculation and experiment for a two-phase carbon dioxide loop[J]. Microgravity Science and Technology, 2008,20(3):183-186.

[4] 劉杰,裴念強,郭開華,等.機械泵驅動兩相冷卻系統(tǒng)特性分析和實驗研究[J].制冷學報,2007,28(2):27-31.

[5] 莫冬傳,呂樹申,何振輝.空間兩相回路熱控系統(tǒng)的動力學特性[J].空間科學學報,2012,32(5):739-749.

[6] 張雙.數據中心用泵驅動兩相冷卻回路換熱特性研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2015.

[7] 裴念強,劉杰,郭開華.一種空間熱控箱及其在運行軌道中的熱分析[J].工程熱物理學報,2006,27(S2):73-76.

Effects of Heat Load and Surrounding Temperature on the Performance of a Pump Driven Two-Phase Thermal Control System

Liu Xianliang Song Baoyin Zhu Yan

( College of Aerospace Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 )

The physical model was developed based on the governing equations in two-phase flow and the knowledge of heat transfer, fluid mechanics and cybernetics in the present work. The Simulink blocks were built from the equations for the accessories in the pump driven two-phase thermal control system. By means of the software Matlab/Simulink, the numerical simulation of the performance of the system was performed, and the temperatures in the inlet and outlet of the accessories and their variations with evaporator heating flux and the surrounding temperature of the condenser were gained. Therefore the stability of the system was analyzed. The results show that the sharp increase in heating flux will markedly influence the outlet temperature of the evaporator but not obvious to the condenser temperatures. The cyclical variation of the surrounding temperature will result in the marked change of the temperatures at the condenser outlet, the accumulator and the pump inlets but not the evaporator.

mechanical pump; two-phase flow; thermal control system; heat transfer; dynamic performance

1671-6612（2017）05-447-06

V444.3+6

A

劉賢良（1994-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1356100989@qq.com

宋保銀（1956-），男，教授，E-mail：bysong@nuaa.edu.cn

2017-03-13