熱力學(xué)排氣系統(tǒng)壓力控制地面原理實(shí)驗(yàn)研究

劉欣，張曉嶼

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引 言

低溫推進(jìn)劑由于其比沖高、無毒無污染、價(jià)格相對低廉，在國內(nèi)外運(yùn)載火箭和上面級上得到了廣泛應(yīng)用。低溫推進(jìn)劑被認(rèn)為是進(jìn)入空間及軌道轉(zhuǎn)移最經(jīng)濟(jì)、效率最高的化學(xué)推進(jìn)劑，也是未來人類月球探測、火星探測以及更遠(yuǎn)距離深空探測的首選推進(jìn)劑。因此，低溫推進(jìn)劑的長期在軌安全貯存對未來深空探測意義重大[1]。盡管低溫推進(jìn)劑性能高，但其沸點(diǎn)低，受熱易蒸發(fā)，在各種空間漏熱的影響下，低溫推進(jìn)劑箱體壓力將持續(xù)上升，給其長期在軌貯存帶來嚴(yán)重安全隱患。因此，通過采取合理有效的措施減少低溫推進(jìn)劑在軌蒸發(fā)量以及控制箱體的壓增問題，是低溫推進(jìn)劑長時間在軌應(yīng)用的前提。目前主要的箱體控壓方式有：熱力學(xué)排氣系統(tǒng)以及主動制冷系統(tǒng)。主動制冷系統(tǒng)主要是采用低溫制冷機(jī)提供的冷量降低低溫箱體空間的漏熱或液化蒸發(fā)的技術(shù)。鑒于目前低溫制冷機(jī)在空間運(yùn)行中效率較低，僅能提供幾瓦到幾十瓦的冷量，很難滿足消除空間各種漏熱的要求。再者低溫制冷機(jī)體積較大，重量也相對較重，這些都增加了發(fā)射成本與維護(hù)要求。目前有關(guān)主動制冷方面的研究雖然也在進(jìn)行，但技術(shù)成熟度指標(biāo)仍然較低。

熱力學(xué)排氣系統(tǒng)（Thermodynamic Vent System，TVS）[2-4]則不同，它一方面通過內(nèi)部噴射器的噴射攪動消除推進(jìn)劑熱分層，另一方面通過犧牲一小部分液相，充分利用其節(jié)流后的溫降，冷卻低溫貯箱內(nèi)的剩余推進(jìn)劑，還能給貯箱內(nèi)部分流體帶來一部分過冷度，在這兩種作用下有效地控制貯箱壓力。

1999—2015年間，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的Hastings、Hedayat以及Flachbart等[5-9]在多用途氫測試臺（Multipurpose Hydrogen Test Bed，MHTB）上先后進(jìn)行了不同充注率和環(huán)境漏熱下的液氮、液氫和液態(tài)甲烷貯存實(shí)驗(yàn)來考察TVS的性能。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，噴射桿TVS能有效地將貯箱內(nèi)這幾種流體的壓力控制在需要的變化范圍內(nèi)。Grayson等[10]采用Flow-3D軟件模擬研究了低溫貯箱在外部漏熱作用下的自增壓過程以及TVS熱力學(xué)排氣降壓過程。Dresar[11]研究了氦氣對液氧箱體TVS的影響，并開發(fā)了一種簡單的熱力學(xué)模型用來預(yù)測氦氣對TVS的影響，較好地預(yù)測了箱內(nèi)流體的溫升以及TVS工作中的壓降過程。同年，Kartuzova與Kassemi[12-13]提出了一種流體數(shù)值模型來研究大型低溫液氫箱體的自增壓過程，其采用層流與湍流方法來模擬箱體內(nèi)部自然對流以及界面?zhèn)鳠醾髻|(zhì)，并與多目標(biāo)液氫試驗(yàn)平臺上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了模型的有效性。TVS能有效破壞貯箱內(nèi)熱分層、控制貯箱壓力和推進(jìn)劑蒸發(fā)量，深入研究TVS控制機(jī)理、工作性能及相關(guān)技術(shù)對于低溫推進(jìn)劑在軌存貯技術(shù)發(fā)展是十分必要的。然而，我國對TVS的研究起步較晚[14-16]，與國際水平相比存在較大差距。

結(jié)合我國未來低溫推進(jìn)劑在軌貯存的技術(shù)需求，本文搭建了用于驗(yàn)證熱力學(xué)排氣控壓性能的地面原理性實(shí)驗(yàn)平臺，采用常溫工質(zhì)R123為工質(zhì)，通過調(diào)節(jié)循環(huán)流量與節(jié)流流量的相對大小，研究不同節(jié)流比下熱力學(xué)排氣的制冷能力以及控壓效果。通過與直接排氣控壓方式進(jìn)行對比，驗(yàn)證熱力學(xué)排氣系統(tǒng)在低溫推進(jìn)劑長期在軌貯存中的可適用性。

1 熱力學(xué)排氣系統(tǒng)工作過程

熱力學(xué)排氣系統(tǒng)由循環(huán)泵、節(jié)流閥、套管式換熱器及噴霧棒組成。圖1為TVS系統(tǒng)示意圖，圖2為TVS工作熱力過程的壓焓圖。

熱力學(xué)排氣系統(tǒng)工作原理如下：假定TVS的控壓下限與上限分別為Pmin與Pmax。TVS的工作模式主要取決于貯箱壓力（P）與低溫工質(zhì)溫度（Tl）。當(dāng)貯箱內(nèi)壓力P升高至Pmax而Tl未達(dá)到Pmin對應(yīng)飽和溫度（Tsat）時，啟動循環(huán)泵，抽取低溫工質(zhì)并噴射回貯箱內(nèi)部，促進(jìn)貯箱內(nèi)低溫工質(zhì)的摻混，通過破壞貯箱內(nèi)工質(zhì)溫度的不均勻性，降低工質(zhì)溫度來實(shí)現(xiàn)降壓目的，參見圖2中過程1～1′。在此過程中，節(jié)流閥關(guān)閉，循環(huán)流體全部經(jīng)噴霧棒噴回貯箱內(nèi)部而未有流體損失。此種工作模式僅是改變了能量在貯箱內(nèi)的分布，而能量總量未有減少。隨著外部環(huán)境的持續(xù)加熱，貯箱內(nèi)工質(zhì)平均溫度仍會升高。當(dāng)Tl升高至飽和溫度Tsat時，就需要啟動節(jié)流制冷循環(huán)。循環(huán)泵抽取工質(zhì)后到達(dá)分配閥，圖2中過程2～3。此時，少部分循環(huán)工質(zhì)被送入節(jié)流閥進(jìn)行等焓節(jié)流，圖2中過程3～4，變成低溫低壓的兩相流后進(jìn)入套管式換熱器的外側(cè)管道。另一部分循環(huán)工質(zhì)進(jìn)入換熱器的內(nèi)管道，圖2中過程3～5。兩股流體在換熱器內(nèi)完成熱量的交換，外側(cè)流體全部氣化并升溫至過熱氣體后經(jīng)背壓孔口排出，過程4～6。被冷卻的循環(huán)工質(zhì)經(jīng)噴霧棒噴回貯箱內(nèi)實(shí)現(xiàn)降溫、降壓目的，過程5～1′所示。

圖1 TVS系統(tǒng)示意圖Fig. 1 TVS system diagram

圖2 TVS工作熱力過程p-h圖Fig. 2 TVS thermodynamic process p-h diagram

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

本文根據(jù)TVS的工作原理建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖3展示了本文所搭建地面TVS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖以及實(shí)物圖。地面TVS測試平臺主要包括實(shí)驗(yàn)測試罐體、循環(huán)泵、節(jié)流裝置、PLC（Programmable Logic Controller）控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)貯存在實(shí)驗(yàn)測試罐體內(nèi)，罐內(nèi)設(shè)計(jì)有套管式換熱器和噴霧棒。為減少排氣損失以及避免實(shí)驗(yàn)工質(zhì)直接排到大氣，實(shí)驗(yàn)中設(shè)有排氣冷凝罐以及緩沖回收罐，用于將實(shí)驗(yàn)排放的工質(zhì)進(jìn)行回收再利用。各主要實(shí)驗(yàn)裝置之間通過不銹鋼管路以及閥門連接。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig. 3 Experimental system diagram

熱電偶進(jìn)行分組，共分為3組。前2組分別為每組16支，分別布置在兩個溫度棒上，自下而上等間距布置，用于測量流體溫度，如圖4（a）所示；第3組共10支熱電偶，用于測量箱體壁面溫度，如圖4（b）所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熱電偶布置情況Fig. 4 Experimental system thermocouple layout

2.2 實(shí)驗(yàn)工質(zhì)選擇

考慮到實(shí)驗(yàn)的成本及安全性，本文采用常溫工質(zhì)代替低溫推進(jìn)劑開展熱力學(xué)排氣系統(tǒng)的原理實(shí)驗(yàn)。首先對篩選出的4種流體沸點(diǎn)為常溫的制冷劑，然后分別從流體沸點(diǎn)、氣化潛熱以及環(huán)保等方面進(jìn)行對比，以選出性能最優(yōu)的制冷劑作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。表1展示了R123、R134a、R11與R410a這4種制冷劑相關(guān)參數(shù)對比[17]。從表中可以看出，在一個大氣壓下，R123和R11的沸點(diǎn)可滿足常溫實(shí)驗(yàn)的要求，并且兩者的氣化潛熱接近。然而由于R11的ODP值（大氣臭氧層消耗潛能值）以及GWP值（溫室影響指數(shù)）均較高，因此從環(huán)保的角度考慮，這里選擇制冷劑R123作為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)。

表1 工質(zhì)對比表Table 1 Working fluid contrast

2.3 實(shí)驗(yàn)流程

在外部加熱條件下，測試罐體壓力升高，此時首先通過混合降壓模式對箱體進(jìn)行壓力控制。隨著時間的推移，箱內(nèi)流體溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到箱體壓力所設(shè)置壓力下限對應(yīng)飽和溫度時，TVS節(jié)流制冷模式開啟。循環(huán)泵從箱體底部抽吸部分近飽和流體，之后分為兩股，小部分流體通過針閥節(jié)流后進(jìn)入換熱器環(huán)管，大部分流體則直接進(jìn)入換熱器內(nèi)管。兩股流體在換熱器內(nèi)換熱，兩相流被完全蒸干后，變成過熱氣體排出測試罐。過熱蒸汽通過排氣閥首先進(jìn)入冷凝罐。在冷凝罐內(nèi)，排氣可以基本被冷凝為液相，之后液相R123流入緩沖回收罐。回收罐起到繼續(xù)冷凝和緩沖穩(wěn)壓的作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 控壓效果分析

熱力學(xué)排氣系統(tǒng)的控壓效果一方面反映在對箱體壓力的控制上；另一方面體現(xiàn)在能否有效地消除漏熱。這里首先介紹TVS對箱體的壓力控制，整個控壓過程如圖5所示。在電加熱帶720～750 W的電加熱功率下，測試箱體先經(jīng)歷自增壓（Part 1）過程，箱體壓力從10.117 kPa線性增加到100.627 kPa。在Part 1中，箱體壓力增加到壓力上限Pmax大約耗時93.75 min，對應(yīng)的壓增速率為57.926 kPa/h。

圖5 不同控壓階段，箱體壓力變化Fig. 5 Tank pressure changes during different control stage

箱體壓力達(dá)到Pmax后，需開啟混合噴射模式。由于初始液體具有一定的過冷度，因此可開啟循環(huán)泵，將底部流體抽吸并噴射到氣相區(qū)，通過冷卻氣相來實(shí)現(xiàn)箱體壓力的降低。當(dāng)箱體壓力降低到所設(shè)置壓力下限Pmin時，混合噴射過程停止。在外部電加熱下，箱體壓力會繼續(xù)升高；當(dāng)箱體壓力再次達(dá)到Pmax時，循環(huán)噴射需再次開啟，箱體壓力又會逐漸降低。因此在混合噴射階段，箱體壓力呈波動變化。另外從圖5中也可以看出，Part2中混合噴射波動周期沒有Part3中波動頻繁。這主要是由于體積流率的增加所致，如圖6所示。在Part2與Part3中，箱內(nèi)大部分流體仍處于過冷狀態(tài)，當(dāng)循環(huán)體積流率從130 L/h增加到180 L/h時，Part3中更多的流體被噴射到箱內(nèi)氣相區(qū)，氣相得到了更好的冷卻，箱體壓力得以迅速降低，所以導(dǎo)致Part3中一個混合噴射控壓周期比Part2中耗時減小。對于混合階段的Part4，其在剛開始階段與Part3中波動基本一致，直到4個波動周期以后，每個控壓周期耗時逐漸增長。這是因?yàn)榻?jīng)過3 h的混合降壓，箱內(nèi)大部分流體有了很大溫升，流體所具有的冷量變小，此時盡管體積流量增加到238 L/h，但流量的增加所能帶來的流體混合效果已被流體溫度的升高所掩蓋，所以其控壓時間仍逐漸增加。隨著加熱時間的增長，箱內(nèi)流體溫度逐漸升高，一旦升高到Pmin對應(yīng)的飽和溫度，僅通過開啟循環(huán)泵噴射混合已起不到良好的降壓效果，此時節(jié)流制冷模式需開啟。在節(jié)流制冷（Part5）階段，為減少循環(huán)流量較大給箱體造成的巨大壓力沖擊，實(shí)驗(yàn)中將循環(huán)流量降到95 L/h。在Part5中，共節(jié)流制冷16次，持續(xù)2.5 h。從圖5中可以看出，TVS節(jié)流制冷模式實(shí)現(xiàn)了箱體壓力的有效控制。

3.2 流體溫度分析

實(shí)驗(yàn)中，通過在箱體底部設(shè)置的Pt100溫度傳感器來監(jiān)測流體溫度變化。該測點(diǎn)溫度主要是作為判斷節(jié)流制冷模式開啟的標(biāo)志。當(dāng)鉑電阻溫度Tp低于Pmin對應(yīng)飽和溫度時，認(rèn)為箱內(nèi)大部分流體仍處于過冷態(tài)，此時僅通過開啟循環(huán)泵混合噴射就可以達(dá)到降低箱體壓力的目的。而當(dāng)Tp高于Pmin對應(yīng)的飽和溫度時，混合噴射模式已不能有效控壓，此時需開啟節(jié)流制冷模式。在整個控壓過程中Tp變化如圖7所示。

圖6 不同控壓階段，循環(huán)流體流率變化Fig. 6 Fluid flow rate changes during different control stage

圖7 不同階段，鉑電阻溫度變化Fig. 7 Platinum resistance temperature changes during different control stage

在Part 2中，混合降壓過程開始后，循環(huán)泵將過冷液體抽出后再噴射進(jìn)貯箱內(nèi)，能夠?qū)①A箱內(nèi)流體溫度控制在一個較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。進(jìn)入Part 3后，Tp出現(xiàn)了臺階式的增加，該過程持續(xù)到Part 4后期。由于在Part 2經(jīng)歷了15次混合噴射，貯箱內(nèi)的工質(zhì)溫度逐漸升高，工質(zhì)的過冷度逐漸減小，因此在Part 3與Part 4中，出現(xiàn)了臺階式的波動升高的變化。在Part 4后期，Tp達(dá)到設(shè)定值，接近壓力下限對應(yīng)的飽和溫度，此時僅依靠工質(zhì)摻混已無法控制貯箱內(nèi)壓力，節(jié)流制冷模式需開啟。如圖7所示，隨著節(jié)流制冷量被帶入箱內(nèi)，增加速率逐漸變緩。然而在剛開始的前6個制冷周期內(nèi)，Tp仍呈緩慢的增加態(tài)勢。這主要是因?yàn)榻?jīng)過了6個多小時的加熱，氣液相已積聚了大量熱量，盡管此時節(jié)流制冷模式開啟，貯箱內(nèi)部壓力得到了有效的控制，但在短期內(nèi)節(jié)流制冷量并不能把積聚的熱量充分消除，因此就導(dǎo)致了在前6個周期內(nèi)，Tp仍微弱地波動升高。6個周期以后，Tp才維持在相對穩(wěn)定的波動狀態(tài)。從整個過程中的變化也可以看出，本實(shí)驗(yàn)中TVS有效的消除了外部漏熱，合理地控制了箱內(nèi)流體溫度。

圖8展示了熱電偶所測箱內(nèi)流體溫度變化。在貯箱增壓階段，液相測點(diǎn)中T107～109所處位置被電加熱帶包裹，受外部電加熱的影響，其溫度均有所升高。而由于液相流體熱容的存在，其它液相測點(diǎn)溫度則基本保持不變或有微弱降低。進(jìn)入混合階段后，在噴射液體的混合作用下，液相流體的過冷度逐漸被消耗，使得箱內(nèi)的漏熱得到平衡，壓力得到控制，液相的溫度逐漸升高。另外，從圖8中還可以看出，在混合降壓階段，各個熱電偶之間的溫差存在一定的差異，這說明箱內(nèi)流體存在一定的熱分層現(xiàn)象，隨著混合降壓過程的進(jìn)行，熱分層現(xiàn)象逐漸被消除，各液相測點(diǎn)的溫度逐漸趨于一致，這也印證了熱力學(xué)排氣系統(tǒng)噴射混合具有消除熱分層的功能。當(dāng)整個液相測點(diǎn)溫度都趨于液相飽和溫度時，混合降壓過程結(jié)束，需開啟節(jié)流制冷才能控制貯箱的壓力，液相測點(diǎn)的溫度也維持在飽和溫度附近。

圖8 不同階段，箱內(nèi)流體溫度變化Fig. 8 Fluid temperature changes during different control stage

3.3 壁面溫度分析

圖9展示了箱體壁面測點(diǎn)溫度變化。由于測點(diǎn)T301～306距離電加熱帶較近，因此在Part1中其溫度升高較快。測點(diǎn)T307～310，其布置在電加熱帶下方的箱體壁面，并且僅接受高溫測點(diǎn)T305～306的傳熱，所以這4個測點(diǎn)溫度增加緩慢。尤其在漏熱增壓階段，T307～310溫度基本保持恒定。節(jié)流制冷模式開啟后，與氣相接觸的壁面測點(diǎn)溫度先經(jīng)過一定的溫升后才逐漸降低。大約6個周期后，各測點(diǎn)溫度才在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動。這也說明本實(shí)驗(yàn)中，TVS節(jié)流過程不僅有效控制了箱內(nèi)流體溫度，還有效地冷卻了箱體壁面。

由于箱體壁面纏繞電加熱帶，緊貼壁面處將形成高溫區(qū)，電加熱帶不僅向箱體內(nèi)部傳熱，同時也穿過絕熱層向箱體外部傳熱?；谠囼?yàn)中所提供的電加熱功率以及箱體壁面溫度變化，可獲得電加熱功率向外部的散熱量。

由于電加熱帶所提供的加熱熱量不可避免地漏到外部大氣中。對于該部分漏熱量，可采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱進(jìn)行計(jì)算，箱體金屬壁面向外部大氣環(huán)境的漏熱為

其中：Tw，Tf為箱體外部絕熱層表面溫度以及外部流體溫度；δ，λ為絕熱層厚度以及導(dǎo)熱系數(shù)；αf為外部自然對流換熱系數(shù)。

考慮環(huán)境溫度為20 ℃，可計(jì)算得到箱體的平均漏熱為340 W，工作時間內(nèi)所對應(yīng)的直接排氣損失為30.86 kg，實(shí)驗(yàn)中換熱器所提供冷量為1 416 W，實(shí)驗(yàn)中共節(jié)流制冷16次，平均每次排氣1.08 kg?？芍c直接排氣相比，熱力學(xué)排氣可節(jié)省約41%的排氣損失。

圖9 不同階段，箱體壁面溫度變化Fig. 9 Tank temperature changes during different control stage

4 結(jié) 論

本文通過搭建熱力學(xué)排氣地面實(shí)驗(yàn)平臺，采用制冷劑R123為工質(zhì)，開展了地面工況熱力學(xué)排氣系統(tǒng)工作過程的實(shí)驗(yàn)研究。詳細(xì)分析了TVS在經(jīng)歷不同工作模式時，箱體壓力、循環(huán)流量以及流體溫度變化，并得到如下結(jié)論：

1）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了地面工況下熱力學(xué)排氣系統(tǒng)良好的控壓性能以及有效的消除外部漏熱的能力。

2）在漏熱增壓階段，氣相區(qū)形成了溫度分層現(xiàn)象。在混合噴射階段，液相熱分層發(fā)展良好。在節(jié)流制冷階段，熱力學(xué)排氣系統(tǒng)具有良好的制冷能力以及有效的降壓效果。

3）與直接排氣控壓相比，熱力學(xué)排氣系統(tǒng)節(jié)流制冷工作可節(jié)省約41%的排氣損失。當(dāng)熱力學(xué)排氣系統(tǒng)用于低溫推進(jìn)劑長期在軌貯存時，將發(fā)揮更大的節(jié)能優(yōu)勢。這也證明了熱力學(xué)排氣系統(tǒng)在貯箱壓力控制方面的適用性與可行性