高效相變蓄熱裝置結構設計及試驗研究

王領華，劉 欣，王海英，鞏萌萌，王思峰，呂建偉

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高效相變蓄熱裝置結構設計及試驗研究

王領華，劉 欣，王海英，鞏萌萌，王思峰，呂建偉

（中國運載火箭技術研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076）

文章針對某飛行器艙內大功率設備控溫需求，提出了相變蓄熱技術解決方案，建立了平板式肋片強化相變蓄熱裝置物理模型，根據(jù)大功率伺服舵機控制器熱耗及工作模式等參數(shù)條件，采用十八烷為相變吸熱材料，設計了一臺高效平板式肋片相變蓄熱裝置，并通過地面試驗研究，驗證了該裝置的控溫性能、穩(wěn)定性及等溫性。試驗結果表明：所設計的肋片式高效相變蓄熱裝置，在120W熱源功率下，可以將設備溫度控制在50℃以下超過3000s；榫槽形式的封裝結構具有良好的密封性能，相變蓄熱裝置在多次相變循環(huán)后無泄漏；在3000s測試時間內相變裝置內部最大溫差為3℃，具有很好的等溫性。

飛行器；平板肋片；相變蓄熱；試驗研究

0 引言

飛行器設備艙內電子設備較多，工作模式多樣，設備的熱負荷變化范圍大，且飛行器飛行速度高，受氣動加熱影響大；艙外表面包覆厚厚的防熱結構，艙內熱量無法及時排散，使得設備同時受自身熱耗和高溫輻射環(huán)境的雙重影響，容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象[1]。相變材料在相變過程中具有等溫或近似等溫，吸收/釋放大量潛熱的優(yōu)點，在設備工作時間較短或內熱源發(fā)生周期性變化時能夠有效抑制這種干擾，保持設備溫度相對穩(wěn)定，并能很好地將設備的溫度控制在正常工作溫度范圍內，因此相變蓄熱技術在飛行器艙內設備熱控設計中具有廣闊的應用前景[2]。

20世紀40年代，相變蓄熱材料最早用于建筑節(jié)能方面[3]。Humphries 等[4]對相變蓄熱材料在航空航天方面的應用進行了研究，提出了相變蓄熱裝置優(yōu)化設計方法；周建輝等[5]對相變蓄熱數(shù)值計算方法進行了研究，并利用焓法建立了儲能裝置數(shù)學模型；菅魯京等[6]針對衛(wèi)星熱控需求，建立了固-液相變裝置的物理模型，分析了其傳熱性能，為衛(wèi)星熱控設計提供了依據(jù)；呂敏輝等[7]對鋁制肋片式相變裝置中的儲熱、放熱過程，材料的熔化和凝固過程進行了試驗研究，獲得了熱流體入口溫度、流量對材料儲、放熱速率的影響；Myers[8]對納米尺度相變傳熱數(shù)學模型進行了研究，分別針對相變材料熔化和凝固2個過程提出了合理的數(shù)學模型；Katherine 等[9]對不同工況條件下的相變蓄熱裝置進行研究，開展了多次相變材料凝固和熔化試驗，獲取了大量數(shù)據(jù)為數(shù)值分析提供支撐；ZHANG等[10]在如何提升相變材料焓值和穩(wěn)定性方面開展了大量研究，認為復合定型相變材料能夠很好改善當前相變材料的不足。

本文針對某飛行器大功率伺服舵機控制器的溫度控制需求，結合相變材料相變過程中潛熱大、性能穩(wěn)定和易于重復使用的優(yōu)點，以及相變材料本身導熱率低的問題，建立了肋片式強化相變蓄熱裝置物理模型，設計并研制出肋片式相變蓄熱裝置，并順利通過地面試驗考核，可為飛行器艙內設備或短時工作的大功率設備熱控設計提供重要的借鑒。

1 數(shù)學物理模型

1.1 問題描述

飛行器艙內大功率伺服舵機控制器熱耗為120W，持續(xù)工作時長接近3000s，要求溫度上限不超過50℃，因此需要采用相變蓄熱技術確保飛行器全任務剖面設備工作在正常溫度范圍內。相變蓄熱裝置由于具有無運動部件、可靠性高、不耗電、適用于周期性脈沖式工作的設備等特點，在飛行器熱控設計中應用較多[11]。一般相變材料的導熱率都很低，石蠟類相變材料的導熱率約為0.15W/(m2·K)。低導熱率將導致相變材料內部的溫度梯度較大，從而使設備內部的溫度升高，并容易出現(xiàn)超溫問題，因此采用平板式肋片結構改善相變材料的熱擴散率十分必要。

圖1所示為肋片式高效相變蓄熱裝置的物理模型，豎直平板類型的肋片與相變裝置的側面板和下底板均一體成型，飛行器艙內伺服舵機控制器產生的熱量首先傳輸?shù)较嘧冄b置的下底板，然后通過下底板、側板和肋片快速擴散至相變材料；利用相變材料在固-液相變過程中吸收大量的熱，來抑制伺服舵機控制器工作過程中的溫度升高，保證其正常工作溫度范圍。

圖1 肋片式相變蓄熱裝置物理模型

1.2 數(shù)學模型

在肋片式高效相變蓄熱裝置設計中肋片的數(shù)量、厚度、高度以及肋片間距是影響裝置傳熱效率的關鍵設計參數(shù)。在航天器中對所有載荷的重量控制均較為嚴格，因此在相變裝置設計中，需要綜合考慮以上各參數(shù)與裝置重量之間的平衡。

在確定肋片數(shù)量時，由于金屬材料相比相變材料傳熱系數(shù)高、傳熱速率快，因此可以將相變裝置的鋁制金屬框架假設為等溫體，先利用公式(1)計算出金屬框架的總表面積cp，再確定肋片的數(shù)量。

式中：c,max為相變裝置最高溫度；m為相變材料相變點溫度；p為相變蓄熱裝置吸收的熱耗；為金屬框架到相變材料的傳熱路徑最大值；l為相變材料導熱率。

在相變蓄熱裝置肋片高度及厚度設計中可以參考肋片效率最優(yōu)方法，假設肋片由一端至另一端沿高度方向單向傳熱。肋片效率表示肋片實際散熱量與理想情況（即假定肋片材料的導熱系數(shù)為無限大，肋片上任一點溫度均等于肋根溫度）散熱量0之比，即f=/0。對于等截面矩形肋，其理想散熱量為0=f(0?f)，其中：為相變材料與肋片間的對流換熱系數(shù)；f為肋片表面積，f=，為肋高，為肋截面的周長；0和f分別為肋片溫度和相變材料溫度。由導熱微分方程和邊界條件

可得肋片的傳熱量

=c(0?f)tanh()。 (3)

由式(3)可以變形得到

由式(5)可以得到當=3時，最大。工程設計中，肋片高度應≤3。繼續(xù)增加高度，無助于散熱量的增加，反而會造成裝置質量、體積的增加和材料浪費。矩形直肋的最佳參數(shù)值見表1所示。根據(jù)上述計算方法可獲得平板式肋片相變蓄熱裝置的最優(yōu)肋片高度、肋片厚度等參數(shù)，綜合考慮后，肋片高度取50mm，肋片厚度取0.5mm。

表1 矩形直肋最佳參數(shù)值

2 結構設計

根據(jù)對相變蓄熱裝置的無泄漏、無腐蝕等性能要求，采用與金屬鋁殼具有很好相容性的十八烷相變材料，其物性參數(shù)如表2所示。

表2 十八烷材料的物性參數(shù)

肋片式高效相變蓄熱裝置結構的外形尺寸為260mm×120mm×50mm，分為上下2部分，均采用等間距肋片布局，下部用于填充相變材料，上部蓋板用于填充相變材料后進行密封，參見圖2。采用榫槽加密封橡膠圈的密封形式確保相變材料無泄漏，提高可靠性。

圖2 相變裝置結構實物照片

3 測試試驗

試驗在常溫下的水平測試臺上完成，主要對相變蓄熱裝置的蓄熱能力、穩(wěn)定性能和內部等溫性進行了測試。整個試驗測試系統(tǒng)主要包括計算機、數(shù)字萬用表、溫度采集儀、設備供電模塊、儀器托板、伺服舵機控制器、熱電偶和試驗臺等，架構如圖3所示。

圖3 相變蓄熱裝置溫度測試系統(tǒng)

試驗過程中伺服舵機控制器和相變蓄熱裝置的擺放形式與其在飛行器艙內的安裝形式保持一致，分別安裝在儀器托板相同位置的兩側，且安裝面處填充導熱硅脂，增強傳熱效果，確保伺服舵機控制器產生的熱量能夠及時擴散至相變蓄熱裝置中。在伺服舵機控制器設備表面粘貼2支熱電偶溫度傳感器測量其溫度狀況；在相變裝置內部不同位置設置7個測溫點安裝鎧裝熱電偶，以獲取裝置內部的等溫性能，測點布局如圖4所示?？紤]到熱量在試驗系統(tǒng)中傳輸過程的漏熱因素會影響所測得數(shù)據(jù)的準確性，在試驗過程中，對設備、安裝板和相變裝置等裝配體使用隔熱氈進行包裹，試驗現(xiàn)場照片如圖5所示。

圖4 相變蓄熱裝置內部測點布局

圖5 相變蓄熱裝置測試試驗現(xiàn)場照片

根據(jù)上述試驗，獲得伺服舵機控制器的溫度測試結果如圖6所示。在加熱功率為120W的條件下，相變蓄熱裝置在2500s左右開始熔化，可以將伺服舵機控制器的溫度控制在50℃以下超過3000s，滿足伺服舵機控制器的熱控要求。

圖6 伺服舵機控制器溫升曲線

在相變蓄熱裝置穩(wěn)定性測試中，平行肋板高效相變蓄熱裝置經過19次相變循環(huán)后的質量變化見表3。從表中可以看出，經過19次循環(huán)后，十八烷的質量損失為1.6g，損失率為0.2%，說明相變蓄熱裝置具有良好的密封性能，可以在多次相變循環(huán)后無泄漏，穩(wěn)定性良好。

表3 平行肋板相變蓄熱組件相變循環(huán)后質量變化

在相變蓄熱裝置等溫性測試中，相變蓄熱裝置內部各測溫點的溫度變化曲線見圖7。

圖7 相變裝置內部各測點溫度變化曲線

從圖中可以看出，所設計的平板式肋片相變蓄熱裝置內部不同位置的溫差較小，最大為3℃，說明裝置的等溫性較好，能夠保證裝置底面的熱量及時擴散至相變材料內部。

4 結束語

為了解決某飛行器艙內大功率伺服舵機控制器散熱難、易超溫的問題，對相變蓄熱技術進行了研究，采用十八烷作為相變材料，建立平板式肋片相變蓄熱裝置數(shù)學模型，對肋片數(shù)量和肋片厚度等參數(shù)進行優(yōu)化，設計了一臺高效相變蓄熱裝置。通過在舵機控制器儀器托板背面安裝相變蓄熱裝置進行蓄熱性能、穩(wěn)定性和等溫性等方面試驗驗證，結果表明：

1）采用本文所設計的平板式肋片相變蓄熱裝置能夠大大改善相變材料自身導熱差的缺點，保證伺服舵機控制器工作過程中產生的熱量及時擴散至相變材料內部。

2）相變蓄熱裝置上下蓋板采用交叉布置肋片的形式能夠較好地提升裝置的導熱性能，試驗測得相變裝置等溫性能良好，整體溫差不超過3℃。

3）平板式肋片相變蓄熱裝置具有很好的控溫性能，滿足在120W熱源下控溫在50℃以內的時間達到3000s的需求，并能夠在多次重復蓄/放熱過程中保持質量不變，具有很好的穩(wěn)定性和可重復使用性，滿足飛行器艙內伺服舵機控制器熱控指標的要求。

4）該措施對解決短時和周期性工作的大功率發(fā)熱設備溫度控制難題具有很好的借鑒意義，并可進一步推動熱控領域對新型相變材料和結構設計的探索。

[1] 朱春玲, 寧獻文, 劉永績, 等. 高超聲速飛行器綜合熱管理系統(tǒng)[C]//中國第一屆近代空氣動力學與氣動熱力學會議論文集, 2006: 351-355

[2] 王小鵬, 張毅, 李東旭. 石蠟在相變儲能中的研究與應用進展[J]. 材料導報, 2010, 24(16): 307-311

WANG X P, ZHANG Y, LI D X. Progress in research and application of paraffin on phase change energy storage[J]. Materials Review, 2010, 24(16): 307-311

[3] 馬素德, 宋國林, 樊鵬飛. 相變儲能材料的應用及研究進展[J]. 高分子材料科學與工程, 2010, 26(8): 161-163

MA S D, SONG G L, FAN P F. Progress in application and research of phase change energy storage materials[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2010, 26(8): 161-163

[4] HUMPHRIES W R, GRIGGS E I. A design handbook for phase change thermal control and energy storage devices[M]. New York: NASA Scientific and Technical Information Office, 1977

[5] 周建輝, 鄭洪濤, 譚智勇. 相變貯能裝置的熱設計[J]. 應用能源技術, 2003, 83(5): 9-11

ZHOU J H, ZHENG H T, TAN Z Y. Thermal design of phase change energy storage devices[J]. Applied Energy Technology, 2003, 83(5): 9-11

[6] 菅魯京, 寧獻文, 張加迅. 固-液相變裝置傳熱性能數(shù)值計算研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(5): 452-454

JIAN L J, NING X W, ZHANG J X. Numerical study on heat transfer characteristics of solid-liquid phase change material container[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(5): 452-454

[7] 呂敏輝, 凌祥. 肋板式相變蓄熱器蓄熱性能的試驗研究[J]. 流體機械, 2009, 37(2): 65-68

Lü M H, LING X. Experimental study on thermal storage performance of plate-fin latent heat thermal storage[J]. Fluid Machinery, 2009, 37(2): 65-68

[8] MYERS T G. Mathematical modelling of phase change at the nanoscale[C]//International Communications in Heat and Mass Transfer, 2016: 0735-1933

[9] KATHERINE D A, MICHAEL K. Experimental assessment of a phase change material storage tank[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 99: 880-891

[10] ZHANG Y A, WANG L J, TANG B T, et al. Form- stable phase change materials with high phase change enthalpy from the composite of paraffin and cross-linking phase change structure[J]. Applied Energy, 2016, 184: 241-246

[11] 侯增祺, 胡金剛. 航天器熱控制技術——原理及應用[M].北京: 中國科學技術出版社, 2007: 182-187

（編輯：王 洋）

Structure design and experimental research of a high efficiency phase change heat storage device

WANG Linghua, LIU Xin, WANG Haiying, GONG Mengmeng, WANG Sifeng, Lü Jianwei

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

This paper proposes a phase change heat storage technology solution, for the temperature control requirement of the high power equipment in the cabin of the vehicle. And a physical model of the finned reinforced phase change heat storage device is established. A high efficiency finned phase change heat storage device is designed, according to the parameters such as the heat source power and the operating mode of the high power servo actuator controller. And the ground test is carried out, to verify the temperature control performance of the phase change heat storage device, the stability, and the internal temperature difference. The test results indicate that the device can be controlled below 50℃ for more than 3000s under the heat source power of 120W. A good sealing performance is achieved with the use of the tongue and the groove in the form of a package structure, and the same performance can retain under a number of phase change cycles. The phase change heat storage device is in an isothermal state, and the internal maximum temperature difference is 3℃ after the heat source is maintained for 3000s.

vehicle; flat plate type fin; phase change heat storage; experimental research

V414.6

A

1673-1379(2017)06-0667-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.06.016

王領華（1987—），男，碩士學位，研究方向為航天器熱控系統(tǒng)總體方案設計、仿真及試驗。E-mail: panlai@yeah.net。

2017-08-21；

2017-11-20

863-706某重大項目支撐