劉慶志,楊昌鵬,徐侃,趙欣

1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094

2.空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100094

1 引言

隨著技術(shù)的發(fā)展和進步,越來越多的具有特殊功能的載荷進入空間應(yīng)用領(lǐng)域。部分載荷具有功率總量大、功率密度高的特點,給溫控設(shè)計帶來很大的困難。例如,廣泛應(yīng)用于各種雷達中的速調(diào)管是一種基于速度調(diào)制原理將電子束動能轉(zhuǎn)換為微波能量的微波真空電子設(shè)備。當速調(diào)管工作時,收集極的熱功率可以達到數(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行小型化和輕量化改進設(shè)計,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)計勢必會帶來巨大的質(zhì)量和能耗代價。目前,其他能夠滿足空間實際工程應(yīng)用的高效散熱方式主要有:基于相變的流動沸騰換熱(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)合微槽道的機械泵驅(qū)動兩相流體回路技術(shù)具有熱收集能力強、傳熱能力大、能耗小和質(zhì)量輕等優(yōu)點,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[9-11]。2016年,北京空間飛行器總體設(shè)計部研制的結(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行了在軌飛行試驗。受搭載航天器電源規(guī)模等條件限制,此次進行在軌試驗的泵驅(qū)兩相流體回路最大設(shè)計散熱功率為500W,最大熱流密度為500W/cm2,由于試驗過程較短,實際完成了熱流密度為271W/cm2的換熱能力的驗證[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,兩相流體回路運行狀態(tài)比較平穩(wěn)。本文研究的熱源周期性短時工作,總功率高達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)級仿真驗證,對于指導(dǎo)和改進系統(tǒng)設(shè)計具有重要的意義。Sinda/Fluint軟件基于經(jīng)典的傳熱和流動方程,采用集總參數(shù)方法對復(fù)雜的系統(tǒng)進行離散化處理,能夠較好地模擬兩相流體回路系統(tǒng)的運行特性[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。短時大功率往往會使模型中節(jié)點的熱力狀態(tài)產(chǎn)生突變,使節(jié)點熱力特性參數(shù)超出合理范圍,導(dǎo)致仿真過程不收斂。

本文通過設(shè)計泵驅(qū)動兩相氨流體回路系統(tǒng)解決空間短時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行特性分析和系統(tǒng)設(shè)計驗證工作。

2 泵驅(qū)兩相流體回路系統(tǒng)設(shè)計

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械泵、回?zé)崞?、大功率熱源、相變裝置、輻射器和儲液器等組成,各部分主要功能如下。

圖1 兩相流體回路設(shè)計狀態(tài)示意

1)機械泵的主要作用是為工質(zhì)循環(huán)流動提供驅(qū)動力,回路設(shè)計時根據(jù)工質(zhì)流量需求和流動阻力選定具有適當揚程的泵。

2)回?zé)崞鞯闹饕饔檬菍崿F(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)計時,要求相變裝置能夠完全吸收大功率熱源在工作時間內(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間內(nèi),將儲存在相變裝置內(nèi)的熱量排散出去。同時在載荷工作時間內(nèi),使工質(zhì)在流入機械泵之前具備一定程度的過冷。

6)儲液器根據(jù)工質(zhì)體積變化為系統(tǒng)補充或吸納工質(zhì),維持系統(tǒng)的壓力在合理的范圍內(nèi)。儲液器內(nèi)部工質(zhì)為兩相狀態(tài),為了使流出儲液器的工質(zhì)保持液體狀態(tài),儲液器壁面和出口位置一般設(shè)計有毛細結(jié)構(gòu),利用多孔介質(zhì)的毛細效應(yīng)儲存液態(tài)工質(zhì)。另外,儲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,最終實現(xiàn)對兩相系統(tǒng)的溫度控制。

2.2 系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

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

兩相流體回路采用氨作為工質(zhì)。儲液器的溫度控制在20℃。當工質(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)計為0.1kg/s。

儲液器控溫水平為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。實際設(shè)計中,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產(chǎn)生的熱量。

根據(jù)熱源的工作時長和工作間隔,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,輻射器平均溫度水平為0℃。此時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存的熱量能夠及時排散出去。

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、動量和能量方程進行離散化,經(jīng)過離散化處理后的方程如下[20]。

傳熱方程:

質(zhì)量方程:

動量方程:

(ΔP+Hc+Fc·Fm·|Fm|FW+

能量方程:

式中:m為非流體節(jié)點的質(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;M為流體節(jié)點質(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為管路進出口或彎頭引起的局部壓力損失系數(shù);Hc為體積力項;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)點的體積;Vt為流體節(jié)點體積隨時間的變化率;Vp為流體節(jié)點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?、相變裝置和儲液器等具有復(fù)雜流動傳熱特性的三維體進行分析。為減小數(shù)值模擬的復(fù)雜度,保證計算結(jié)果收斂,實現(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)計保證的因素進行了簡化:

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

2)相變裝置具備足夠的蓄熱能力。同時,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距離時的分析結(jié)果設(shè)為常值,這種簡化方式使熱源溫度計算結(jié)果相對實際狀態(tài)偏高,也是工程設(shè)計中常用的比較保守的評估方法。此時將相變裝置設(shè)定為邊界節(jié)點,溫度保持在5.7℃。

3)蒸發(fā)器內(nèi)換熱系數(shù)按照文獻[9]設(shè)計能力取值,為5W/(cm2·℃)。相變裝置和回?zé)崞鞯牧鲃訐Q熱面積可以通過設(shè)計調(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 回路正常運行特性仿真

按照設(shè)計狀態(tài),當熱源不工作時,相變裝置中儲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)隨時間變化曲線,圖6為熱源溫度隨時間變化曲線。在圖3中,當工質(zhì)為液態(tài)時,3個蒸發(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)計預(yù)期,見圖6。

圖3 蒸發(fā)器溫度隨時間變化

圖4 蒸發(fā)器壓力隨時間變化

圖5 蒸發(fā)器干度隨時間變化

圖6 熱源溫度隨時間變化

如圖7所示,當熱源不工作時,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)計值相符。當熱源工作時,輻射器的平均溫度為8.4℃,短時熱輻射能力為560W左右。

圖7 輻射器溫度云圖

4.2 泵驅(qū)動能力過剩帶來的負面影響分析

根據(jù)第4.1小節(jié)仿真結(jié)果,在儲液器控溫條件下,當流體回路流動阻力增大后,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。當工質(zhì)處于飽和態(tài)時,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)計要求中規(guī)定的80℃。因此,當設(shè)計兩相流體回路系統(tǒng)時,需要綜合考慮泵的揚程、流量需求和流動阻力的匹配關(guān)系,在流量滿足需求的情況下,盡量不要選擇過大揚程的泵。泵的揚程過大,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)動力條件下蒸發(fā)器壓力隨時間變化

圖9 增大驅(qū)動力條件下蒸發(fā)器溫度隨時間變化

圖10 增大驅(qū)動力條件下熱源溫度隨時間變化

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)。當換熱能力不足時,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散能力降低一半后,泵入口處工質(zhì)干度隨時間變化曲線。當熱源工作后,泵入口工質(zhì)不能保持液相狀態(tài)。由于氣蝕對機械泵工作性能及壽命影響較大,因此在設(shè)計相變裝置時應(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)干度隨時間變化

5 結(jié)論

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

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,首次實現(xiàn)了對短時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)計預(yù)期符合度較高,簡化方法對于實現(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)計滿足要求的情況下,泵驅(qū)動能力過剩將增大蒸發(fā)器與儲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)計蒸發(fā)器和相變裝置時,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)實驗數(shù)據(jù)積累情況開展蒸發(fā)器和相變裝置內(nèi)兩相流動換熱特性分析,并根據(jù)分析結(jié)果修正仿真模型。