余凌波,范鐵軍

(中國空間技術(shù)研究院西安分院,西安 710000)

0 引言

近年來,隨著航天技術(shù)和社會需求的不斷發(fā)展,星載有源設(shè)備的功率在不斷變大,特別是星載大功率相控陣天線T/R組件,具有單軌工作時(shí)間短、工作期間發(fā)熱功率高的特點(diǎn)[1]。不同于地面設(shè)備散熱,星載大功率設(shè)備的散熱面臨更多的問題,如空間微重力環(huán)境、軌道熱輻射、真空環(huán)境、散熱裝置尺寸、重量限制嚴(yán)格等,在地面常用的風(fēng)冷、水冷等散熱方式往往無法使用。散熱問題無法有效解決而引起電子設(shè)備失效率高達(dá)55%[2]。

相變儲能技術(shù)是一種利用了物質(zhì)在發(fā)生物態(tài)變化時(shí)需要吸收或釋放大量熱量、相變時(shí)溫度保持不變或在小范圍變化的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)溫度控制的技術(shù),是一種簡單、安全、可靠性高的被動控溫方式,可以為被控電子產(chǎn)品提供溫度梯度小的熱環(huán)境。自提出以來就備受學(xué)者關(guān)注,被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[3-8]?？蓱?yīng)用于相變儲能的材料(phase change materials,PCM)一般分為無機(jī)水合鹽、有機(jī)材料、低熔點(diǎn)金屬等。低熔點(diǎn)液態(tài)金屬具有熱導(dǎo)率高、體積潛熱大的特點(diǎn),是近些年新興一類相變控溫材料,大量學(xué)者對其進(jìn)行了研究[9-11],張旭東等[12]通過數(shù)值仿真對比了液態(tài)金屬鎵與傳統(tǒng)相變控溫材料正十八烷石蠟的控溫性能。無機(jī)水合鹽、有機(jī)材料等是應(yīng)用最廣泛的相變儲能材料,但其極低的熱導(dǎo)率卻限制了其控溫性能,因此提高其導(dǎo)熱能力是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。Merlin等[13]簡述了提升相變蓄熱性能的各種方法,并采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對提升后相變換熱器的總傳熱系數(shù)進(jìn)行對比研究。何峻杰等[14]針對大功率相控陣天線T/R組件的工作狀況,提出了一種相變儲能平板熱管的熱控設(shè)計(jì)方案,實(shí)驗(yàn)證明,采用相變儲能平板熱管的熱控設(shè)計(jì),可以將熱源的熱量進(jìn)行均勻擴(kuò)散,降低熱流密度,從而表現(xiàn)出更好的溫度均勻性,再通過相變儲能的方式吸收熱量,可以保證天線產(chǎn)品持續(xù)工作90分鐘時(shí)的結(jié)點(diǎn)溫度控制在70 ℃。采用泡沫銅[15-16]、泡沫鋁[17]、泡沫碳[18-19]等也可以非常有效的提高相變材料導(dǎo)熱效率。張立等[20]通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)和有限元仿真,研究了導(dǎo)熱增強(qiáng)材料的用量對相變儲熱能力的影響,并分析對比了在深空控溫時(shí)泡沫碳、泡沫銅、膨脹石墨增強(qiáng)相變材料的性能差異。大量研究表明,在PCM中添加各類納米顆?？梢杂行У奶岣咂鋵?dǎo)熱能力[21-29]。石墨烯及氧化石墨烯的理論熱導(dǎo)率高達(dá)5 300 W·m-1·K-1[30],是一種很有前景的導(dǎo)熱增強(qiáng)納米顆粒,蔡迪[31]等通過實(shí)驗(yàn)測試了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性石墨烯與正十八烷的復(fù)合相變材料熱物性,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到4%時(shí),復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率相對于純正十八烷高出了131.9%。

大量學(xué)者都對使用納米顆粒提升相變材料的導(dǎo)熱能力進(jìn)行了研究,分析了導(dǎo)熱增強(qiáng)的機(jī)理,但目前主要的研究方向都集中在材料熱導(dǎo)率的提升上,結(jié)合具體應(yīng)用場景的控溫儲能效果研究較少。本文結(jié)合了星載有源設(shè)備相變控溫的工作環(huán)境特點(diǎn),如微重力等,通過數(shù)值仿真的方法對石墨烯/正十八烷石蠟相變復(fù)合材料控溫性能進(jìn)行了研究,對比了在星載有源設(shè)備相變控溫應(yīng)用時(shí)相變復(fù)合材料與純正十八烷石蠟的性能差異,驗(yàn)證了相變復(fù)合材料與其他導(dǎo)熱能力提升手段結(jié)合后的控溫效果。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

本文以長方體薄板相變控溫?zé)岢翞檠芯繉ο?其結(jié)構(gòu)如圖1所示,尺寸為300 mm×300 mm×11 mm,底板和側(cè)邊框均為1 mm厚鋁板,蓋板為4 mm厚鋁板,中間為15個(gè)鋁制圓柱形支柱,用以保證結(jié)構(gòu)不易變形。

圖1 熱源-熱沉結(jié)構(gòu)示意圖

熱源為某星載有源組件,其為尺寸64 mm×64 mm×10 mm,質(zhì)量為0.1 kg,忽略其內(nèi)部具體結(jié)構(gòu),將其整體等效為比熱容60 kJ/kg、熱導(dǎo)率150 W·m-1·K-1的實(shí)體。

在星載環(huán)境應(yīng)用時(shí),熱沉散熱只能通過輻射向外太空散熱,故將邊界條件假設(shè)為-269 ℃輻射背景,底板外側(cè)表面熱輻射發(fā)射率ε=0.8,其他表面絕熱,考慮材料熱輻射吸收率將來自地球及太陽的軌道輻射等效為施加在底板外側(cè)表面205.7 W/m2的熱通量,為便于觀察圖像規(guī)律初始溫度設(shè)為10 ℃。

本文分別比較在加熱相同時(shí)間內(nèi)正十八烷石蠟和添加4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性石墨烯的石墨烯/C18石蠟相變復(fù)合材料的控溫性能和散熱能力。相變材料熱物性參數(shù)如表1。

表1 相變材料物性參數(shù)[31]

結(jié)合星載應(yīng)用場景對模型及材料做出如下合理簡化和假設(shè):

1)根據(jù)前文研究[31],改性石墨烯添加量在4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下時(shí),復(fù)合相變材料可以長期穩(wěn)定保持均勻,因此C18石蠟和石墨烯/C18石蠟相變材料均可視為各項(xiàng)同性,且連續(xù)均勻材料,固相和液相的熱物性為常數(shù);

2)相變材料采用前文所制備的材料[31],本文只研究其使用時(shí)的熱性能,因此忽略整個(gè)過程中的所有材料的熱應(yīng)變及固液相變的體積變化;

3)熱沉、熱源等結(jié)構(gòu)接觸緊密,不考慮其接觸熱阻;

4)星載設(shè)備的工作環(huán)境為微重力環(huán)境,材料液化后不會發(fā)生自然對流,因此忽略液相自然對流對熱傳導(dǎo)的影響。

1.2 數(shù)值模型

本研究的數(shù)值模型采用顯熱容法[32],將相變等效為區(qū)域中的一個(gè)非線性導(dǎo)熱問題,數(shù)學(xué)描述如式(1)、式(2)所列:

(1)

(2)

式中ρ為相變材料密度,Cp為相變材料的比熱容,k為相變材料導(dǎo)熱系數(shù)(ks為固相導(dǎo)熱系數(shù),kl為液相導(dǎo)熱系數(shù)),L為相變潛熱,fs為固相率的無因次量(fs=0表示處于液相,fs=1表示處于固相,0

相變材料的相變潛熱可用如下方法等效為比熱容[20],如式(3)所列:

(3)

式(3)中,Csp為相變材料的固相比熱容,Ce為相變過程等效比熱容,Clp為相變材料的液相比熱容。

1.3 求解方法

基于顯熱容法,這里選用ANSYS的瞬態(tài)熱模塊求解器,自定義熱源材料和非線性相變材料,開啟時(shí)間積分。

為保證仿真結(jié)果的可靠性,需先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,這里采用六面體網(wǎng)格,調(diào)整ANSYS瞬態(tài)熱模塊的網(wǎng)格分辨率來改變網(wǎng)格的疏密,劃分網(wǎng)格數(shù)分別為15 509、24 119、66 532,對比仿真結(jié)果,如圖2所示,計(jì)算結(jié)果基本一致,由于模型較為簡單,因此15 509網(wǎng)格數(shù)量即可滿足計(jì)算要求,同時(shí)也可提高仿真效率。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由于所研究問題為非線性瞬態(tài)熱問題,為使結(jié)果收斂,時(shí)間步長應(yīng)在保證計(jì)算效率的前提下盡量小,經(jīng)過多次試算,加熱過程時(shí)間步長取1 s,散熱過程取0.5 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 加熱過程

圖3為加熱過程中熱源最高溫度隨時(shí)間變化曲線。溫度在達(dá)到相變范圍前熱量以顯熱的形式被控溫裝置吸收,熱源溫度上升迅速,在溫度進(jìn)入相變范圍后,工質(zhì)開始相變,以潛熱的形式吸收熱源熱量,達(dá)到控溫效果,熱源溫度上升速度呈明顯減緩趨勢,隨著相變過程的進(jìn)行,熱量向周圍傳遞,固-液兩相糊狀區(qū)域向外推移,使較遠(yuǎn)區(qū)域工質(zhì)逐漸開始參與相變,使得熱源溫度在一段時(shí)間內(nèi)上升速度緩慢,在相變過程進(jìn)行到大多數(shù)工質(zhì)完成相變后,熱源溫度逐漸開始加速上升并在全部工質(zhì)完成相變后保持固定的上升速度,此時(shí)熱量再次全部顯熱形式被相變熱沉吸收。

圖3 改性石墨烯/C18和純C18加熱過程熱源最高溫度

可以看出在短時(shí)間加熱的情況下,由于改性石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率高于C18石蠟,因此可以將熱量快速傳遞至更大的范圍,使更多的工質(zhì)參與相變吸熱過程,使用復(fù)合相變材料控溫時(shí)的熱源溫度低于C18石蠟,最低處約低1 ℃。對于長時(shí)間加熱,由于加入改性石墨烯后相變工質(zhì)潛熱會有所下降,復(fù)合相變材料會比C18,更快完成全部工質(zhì)相變吸熱過程,后段時(shí)間復(fù)合相變材料控溫的熱源溫度會明顯高于C18。

2.2 散熱過程

對于一些周期性工作的星載有源設(shè)備,在其非工作時(shí)間,儲熱裝置的散熱能力也是熱設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。圖4是加熱10分鐘后開始進(jìn)行散熱的熱源最高溫度。根據(jù)圖線可以看出,在散熱過程中由于整個(gè)裝置顯熱熱容較小,熱源溫度會呈驟降趨勢,達(dá)到工質(zhì)相變范圍后開始放緩。

圖4 改性石墨烯/C18和純C18散熱過程熱源最高溫度

由于相變復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)高于C18石蠟,因此會比先達(dá)到大多數(shù)材料開始凝固,并且在凝固過程中保持整體溫度高于C18石蠟,由于加熱時(shí)間相同,兩種工質(zhì)吸收的總熱量相同,而輻射散熱速度與溫度的4次方成正比,因此溫度越高相變控溫裝置向空間環(huán)境輻射熱量越多,同時(shí)復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率高,可以更快的將遠(yuǎn)離輻射面一側(cè)工質(zhì)的熱量傳遞至輻射面,以復(fù)合材料為工質(zhì)時(shí),裝置會在更短的時(shí)間內(nèi)將吸收的熱量輻射向太空,并完成全部工質(zhì)冷卻凝固過程,恢復(fù)初始狀態(tài),完成全部相變時(shí)間比純C18石蠟短14.1%。

3 應(yīng)用前景分析

改性石墨烯/C18石蠟相變復(fù)合材料相較于純C18石蠟在短時(shí)間控溫方面有一定提升,且材料的密度沒有太大改變,在面向一些需要使用相變熱沉進(jìn)行短時(shí)間控溫的星載有源設(shè)備,如星載T/R組件,可以作為一種輔助方案,且不會使控溫裝置體積、質(zhì)量變大。下面對一種針對星載大功率T/R組件設(shè)計(jì)的新型相變儲能-平板熱管方案[14],輔助以石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料之后的效果進(jìn)行仿真,物理模型采用上文中相同的模型,將4 mm厚鋁制蓋板換為4 mm厚鋁制平板熱管,其加熱過程熱源最高溫度如圖5所示,散熱過程熱源最高溫度如圖6所示。

圖5 相變儲能-平板熱管方案改性石墨烯/C18和純C18加熱過程熱源最高溫度

圖6 相變儲能-平板熱管方案改性石墨烯/C18和純C18散熱過程熱源最高溫度

通過仿真結(jié)果可以看出,在短時(shí)間控溫方面,使用相變復(fù)合材料后相變儲能-平板熱管方案比原先使用純C18石蠟時(shí)熱源的最高溫度有所下降,最高下降約1.16 ℃,可以起到輔助控溫效果。同時(shí),使用相變復(fù)合材料后,散熱過程進(jìn)入相變散熱階段的速度比純C18石蠟更快,可以起到縮短恢復(fù)初始狀態(tài)所用時(shí)間的作用。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值方法對改性石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料和純C18石蠟的相變控溫過程進(jìn)行了仿真,分析對比了其在不同情況下的控溫性能差異,并得到以下結(jié)論:

1)由于石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料的熱導(dǎo)率高于純C18石蠟相變材料,因此在短時(shí)間控溫方面性能較原先有所提升,且不會使相變熱沉體積或質(zhì)量增大,因此有作為一種改善控溫性能的輔助手段的潛力;

2)由于石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料相較于純C18石蠟相變材料相變潛熱下降,因此不適合作為需要長時(shí)間控溫的相變材料;

3)在散熱過程中,由于復(fù)合相變材料導(dǎo)熱系數(shù)比純C18石蠟高,因此可以更快的將吸收的熱量傳遞至輻射面,并輻射至太空,恢復(fù)初始狀態(tài)的時(shí)間相對純C18石蠟較短,對一些在軌短時(shí)工作,但每次工作熱流密度大的星載有源組件控溫,如相控陣天線TR組件等,具有一定的應(yīng)用潛力;

4)對新的控溫方案使用石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料后的控溫效果進(jìn)行了仿真,表明石墨烯/C18石蠟復(fù)合相變材料作為相變工質(zhì)與新方案結(jié)合,可以對控溫效果有所改進(jìn)。