氣氮調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)設(shè)計(jì)

李培印，于 晨，洪辰偉，呂劍鋒，李天水

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

關(guān)鍵字：火星探測(cè)；調(diào)溫?zé)岢?；液氮噴淋；空間模擬

0 引言

熱沉調(diào)溫系統(tǒng)是指利用外部溫度控制設(shè)備，通過(guò)向熱沉中通入溫度和流量可控的介質(zhì)，將熱沉控制在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，通過(guò)改變熱沉自身溫度來(lái)模擬外部環(huán)境溫度的變化。目前國(guó)內(nèi)外采用的熱沉調(diào)溫方法主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是使用氮?dú)庾鳛檩d冷劑通入熱沉進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)；另一類(lèi)是使用耐高低溫的烴類(lèi)化合物作為載冷劑通入熱沉進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。采用耐高低溫的烴類(lèi)化合物作為載冷劑的調(diào)溫系統(tǒng)，使用制冷機(jī)為載冷劑提供冷源，考慮到制冷機(jī)制冷功率有限以及循環(huán)泵的揚(yáng)程限制，該調(diào)溫系統(tǒng)常用于中小型空間環(huán)模設(shè)備中。氣氮調(diào)溫方法可以使熱沉溫度在-140～120℃內(nèi)連續(xù)可調(diào)，當(dāng)前國(guó)際上許多國(guó)家采用這種熱沉調(diào)溫方案。美國(guó)戈達(dá)德空間飛行中心的真空熱試驗(yàn)設(shè)備采用氮?dú)鈱?duì)熱沉進(jìn)行調(diào)溫，熱沉溫度調(diào)節(jié)范圍為-170～150℃，升降溫速率最小為6℃/min。美國(guó)SS/Loral公司的真空熱試驗(yàn)設(shè)備的氣氮調(diào)溫?zé)岢量梢允篃岢翜囟仍?180～150℃之間可調(diào)。美國(guó)Martin Marietta公司的真空熱試驗(yàn)設(shè)備配置的氣氮調(diào)溫?zé)岢翜囟瓤刂品秶鸀?179～121℃，升降溫速率為±1.1℃/min。印度ISRO衛(wèi)星中心的真空熱試驗(yàn)設(shè)備，直徑為5.5 m，采用7個(gè)氣氮調(diào)溫單元密閉循環(huán)系統(tǒng)，使熱沉溫度在-183～127℃之間可調(diào)，升降溫速率為1℃/min，熱沉溫度均勻度為±2℃，控溫精度±1℃[1-3]。

在我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中，火星車(chē)承擔(dān)著火星表面巡視探測(cè)任務(wù)。火星表面溫度范圍-123～27℃，并存在著壓力為150～1400 Pa的大氣（主要成分為CO2），地表風(fēng)速一般為0～15 m/s，使火星車(chē)器表產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流。為使火星車(chē)能夠適應(yīng)火星表面環(huán)境，需要在地面進(jìn)行充分驗(yàn)證和試驗(yàn)考核，故需設(shè)計(jì)調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火星表面-123～27℃溫度范圍的環(huán)境模擬能力。采用氣氮調(diào)溫的方式設(shè)計(jì)調(diào)溫系統(tǒng)，控制熱沉溫度。

1 氣氮調(diào)溫原理

熱沉調(diào)溫系統(tǒng)采用氮?dú)鈫蜗嗝荛]循環(huán)，使用氮?dú)鈮嚎s機(jī)作為熱沉控溫單相密閉循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力源，液氮噴淋器作為冷源。電加熱器作為熱源控制熱沉溫度。單相密閉循環(huán)系統(tǒng)包含氮?dú)鈨?chǔ)氣罐、液氮儲(chǔ)槽、水換熱器、氮?dú)鈮嚎s機(jī)、冷干機(jī)、回?zé)崾綋Q熱器、液氮噴淋器、主電加熱器、分支電加熱器及壓縮機(jī)進(jìn)口電加熱器等。

低溫工況時(shí)，氮?dú)鈮嚎s機(jī)作為動(dòng)力源將氮?dú)廨斎胝麄€(gè)系統(tǒng)，三級(jí)過(guò)濾及干燥處理后進(jìn)入回?zé)崾綋Q熱器，與熱沉回氣氮?dú)庠诨責(zé)崾郊訜崞鬟M(jìn)行熱交換（廢能利用）降溫后進(jìn)入液氮噴淋器，經(jīng)過(guò)液氮噴淋，氮?dú)鉁囟冉抵列枰哪繕?biāo)溫度，通過(guò)主電加熱器和分支電加熱器精確控溫后進(jìn)入熱沉。氮?dú)馀c熱沉進(jìn)行充分熱交換后，通過(guò)回氣管道進(jìn)入回?zé)崾郊訜崞?，冷量回收利用后通過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)口電加熱器升溫，經(jīng)過(guò)水換熱器與常溫水進(jìn)行熱交換后變?yōu)槌貧怏w進(jìn)入氮?dú)鈮嚎s機(jī)。圖1為氣氮調(diào)溫原理。

圖1 氣氮調(diào)溫原理圖Fig.1 Principle of the liquid nitrogen spraying heat sink temperature adjusting system

高溫工況時(shí)，氮?dú)鈮嚎s機(jī)作為動(dòng)力源將氮?dú)廨斎胝麄€(gè)系統(tǒng)，三級(jí)過(guò)濾及干燥處理后進(jìn)入回?zé)崾綋Q熱器，與回氣氮?dú)庠诨責(zé)崾郊訜崞鬟M(jìn)行熱交換升溫后進(jìn)入液氮噴淋器，此時(shí)液氮噴淋器不工作，進(jìn)入主電加熱器與分支電加熱器進(jìn)行加熱控溫后進(jìn)入熱沉內(nèi)。氮?dú)馀c熱沉進(jìn)行充分熱交換后，通過(guò)回氣管道進(jìn)入回?zé)崾綋Q熱器，氮?dú)饨?jīng)過(guò)換熱降溫后進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)口電加熱器，此時(shí)其也不用工作，而后進(jìn)入水換熱器與常溫水進(jìn)行熱交換后變成常溫氣體，最后進(jìn)入氮?dú)鈮嚎s機(jī)。

2 調(diào)溫系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)

調(diào)溫系統(tǒng)主要組成部分有氮?dú)鈮嚎s機(jī)、液氮噴淋器、電加熱器、回?zé)崾綋Q熱器和水換熱器。

2.1 氮?dú)鈮嚎s機(jī)

氮?dú)鈮嚎s機(jī)作為整套系統(tǒng)的動(dòng)力源，提供系統(tǒng)所需的壓力與氣體流量，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在壓縮機(jī)的機(jī)體內(nèi)有一對(duì)相互嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子，電機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)陽(yáng)轉(zhuǎn)子，再由陽(yáng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，經(jīng)氣體濾清器進(jìn)氣口吸入氮?dú)?，過(guò)濾后由打開(kāi)的進(jìn)氣閥（控制進(jìn)氣量）進(jìn)入壓縮機(jī)工作腔，被高速旋轉(zhuǎn)的陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子壓縮而升高壓力；當(dāng)齒間間隙與排氣口相通時(shí)，壓縮氮?dú)獗銖呐艢饪谂懦?，進(jìn)入油氣分離器進(jìn)行油氣分離，將潤(rùn)滑油從壓縮氮?dú)庵蟹蛛x出來(lái)，從而獲得潔凈的壓縮氮?dú)?；?jīng)油氣分離后的壓縮氮?dú)馔ㄟ^(guò)最小壓力閥后，依次進(jìn)入后冷卻器和氣水分離器，將高溫氣體冷卻至常溫及將壓縮氮?dú)庵械睦淠蛛x出來(lái)，最后排出機(jī)外供調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)使用。

分離出來(lái)的潤(rùn)滑油沉降到油氣分離器的底部，在壓差作用下，經(jīng)溫控閥進(jìn)入油冷卻器；冷卻后的潤(rùn)滑油經(jīng)油過(guò)濾器進(jìn)入主機(jī)工作腔，與吸入的氮?dú)庖黄鸨粔嚎s而循環(huán)使用；噴入機(jī)體內(nèi)的潤(rùn)滑油能夠吸收大量的氮?dú)庠趬嚎s過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，從而起到冷卻的作用；潤(rùn)滑油在兩轉(zhuǎn)子之間形成一層油膜，可以避免陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子直接接觸而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子型面磨損；具有一定黏度的潤(rùn)滑油可填補(bǔ)轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間的間隙，從而減少機(jī)體內(nèi)部的泄漏損失，提高壓縮機(jī)的容積效率。

圖2 氮?dú)鈮嚎s機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of nitrogen compressor

2.2 液氮噴淋器

液氮噴淋器是通過(guò)上方噴淋霧化的液氮與進(jìn)來(lái)的氣氮在填料中直接接觸換熱（如圖3所示），最終使出口氣氮溫度降低，氮?dú)庾裱逻M(jìn)上出的原則以利于換熱。改變液氮的噴淋量可改變出口的氮?dú)鉁囟?。液氮噴淋器中的傳熱可看作是由兩部分組成：一是液氮從噴灑器噴出霧化，在到達(dá)填料表面之前，小液滴與周?chē)臍獾l(fā)生熱交換，部分液氮蒸發(fā)的過(guò)程；二是液氮到達(dá)填料表面后，氣液兩相在填料中充分接觸換熱，液氮進(jìn)一步氣化的過(guò)程。其換熱過(guò)程涉及到氣、液、固三相傳熱，是一種復(fù)雜的物理過(guò)程。

圖3 液氮噴淋器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure sketch of liquid nitrogen sprayer

液氮噴嘴性能是影響低溫氣體調(diào)節(jié)器調(diào)溫性能的重要因素。如果噴嘴性能好，噴出的液氮達(dá)到較高的霧化程度，使氣化比增加，則低溫氣體調(diào)節(jié)器不僅調(diào)溫性能好，且出口溫度易于控制。如果能使氣化比達(dá)到1，即液氮經(jīng)噴嘴噴出后到填料表面前可全部氣化，則可以取消填料段；填料段高度也是影響低溫氣體調(diào)節(jié)器控制性能的主要因素。填料段愈高，其蓄熱量愈大，低溫氣體調(diào)節(jié)器出口溫度的動(dòng)態(tài)特性則表現(xiàn)為慣性增加，出口溫度不易控制[4]。

2.3 回?zé)崾綋Q熱器與水換熱器

回?zé)崾綋Q熱器采用板翅式結(jié)構(gòu)，圖5（a）所示，在系統(tǒng)中可以起到回收利用廢棄熱能（冷能）的作用。冷干機(jī)出口的常溫氮?dú)馀c熱沉出口的熱（冷）氮?dú)膺M(jìn)行熱交換，充分利用廢棄能量，而后再繼續(xù)加熱或冷卻至目標(biāo)溫度值進(jìn)入熱沉，如此循環(huán)往復(fù)。

回?zé)崾綋Q熱器的換熱功率Qh由通過(guò)換熱器的氮?dú)庾陨頍崛萘繘Q定，如式（1）。

式中：m為通過(guò)換熱器的氮?dú)赓|(zhì)量；c為氮?dú)獾谋葻崛?；ΔT為氮?dú)鉁囟茸兓俊?/p>

水換熱器采用管翅式結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示，使回?zé)崾綋Q熱器出口的氮?dú)饫鋮s或加熱至常溫狀態(tài)，當(dāng)水換熱器加熱能力不足時(shí)可采用電爐輔助加熱，保證壓縮機(jī)進(jìn)氣口氮?dú)鉃槌貭顟B(tài)。

圖4 換熱器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural sketch of heat exchanger

3 調(diào)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣氮調(diào)溫原理可知，可以依靠液氮噴淋器制造冷氮?dú)?，?shí)現(xiàn)低溫工況；依靠電加熱器加熱氮?dú)?，?shí)現(xiàn)高溫工況；氮?dú)鈮嚎s機(jī)作為動(dòng)力源可實(shí)現(xiàn)氮?dú)獾膯蜗嗝荛]循環(huán)。其中涉及3個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，液氮噴淋器的制冷功率、電加熱器的加熱功率及氮?dú)鈮嚎s機(jī)的流量，3個(gè)參數(shù)共同決定了調(diào)溫系統(tǒng)的性能。

3.1 系統(tǒng)熱負(fù)荷

系統(tǒng)熱負(fù)荷計(jì)算如式（2）：

式中：Q1為容器壁對(duì)熱沉的輻射換熱量；Q2為試驗(yàn)件對(duì)熱沉的輻射換熱量；Q3為熱沉與支撐框架之間的漏熱；Q4為熱沉自身熱容量；Q5為載冷劑自身熱容量；Φ為修正系數(shù)，一般取1.3。

根據(jù)高低溫兩個(gè)工況的不同，式（2）中的計(jì)算取值亦不相同。熱沉為高溫工況時(shí)，依據(jù)式（2）可計(jì)算得出加熱功率Q熱；熱沉為低溫工況時(shí)，依據(jù)式（2）可計(jì)算得出制冷功率Q冷。根據(jù)火星溫度環(huán)境特點(diǎn)及不同的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)熱沉調(diào)溫范圍為-130～100℃，溫度均勻性優(yōu)于±5℃，依據(jù)最低與最高溫度（-130℃、100℃）計(jì)算得出Q冷、Q熱。

Q1與Q2的計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為空腔與內(nèi)包壁面間的輻射換熱[5]，Q1（Q2計(jì)算方法同Q1）計(jì)算依據(jù)式（3）：

式中：A1為熱沉的外表面積；A2為容器內(nèi)表面積；ε1為熱沉外表面發(fā)射率；ε2為容器內(nèi)表面發(fā)射率；T1為熱沉溫度；T2為筒體溫度。

熱沉框架及支撐結(jié)構(gòu)的漏熱Q3是由接觸導(dǎo)熱引起，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了減少支撐結(jié)構(gòu)與氣氦冷板的導(dǎo)熱損失，在兩者之間增加隔熱墊，漏熱計(jì)算如式（4）：

式中：Q3為傳導(dǎo)漏熱量；Am為支承材料的接觸面積；L為支承材料的長(zhǎng)度；λ為支承材料熱傳導(dǎo)系數(shù)；T′、T″為支承材料兩端點(diǎn)的溫度；n為支承數(shù)。

熱沉自身熱容量Q4計(jì)算如式（5）：

式中：m為熱沉質(zhì)量；c為熱沉材料的比熱容；ΔT為單位時(shí)間熱沉溫度變化量。

載冷劑自身熱容量Q5計(jì)算方法同Q4。需要明確的一點(diǎn)是，Q4計(jì)算公式中的ΔT由熱沉升降溫速率決定，一般情形為：升降溫初期，熱沉溫度變化速率較快，將要達(dá)到穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，熱沉溫度變化速率較小，建議按照后者取值。Q5計(jì)算中的ΔT由載冷工質(zhì)穩(wěn)態(tài)（極限高溫或極限低溫）目標(biāo)溫度值與回?zé)崾綋Q熱器換熱效率值共同決定。根據(jù)Q熱得到系統(tǒng)加熱功率，即電加熱器的加熱功率；根據(jù)Q冷得知系統(tǒng)制冷功率，即液氮噴淋器的制冷功率，根據(jù)液氮?dú)饣瘽摕峥捎?jì)算得知單位時(shí)間液氮消耗量。

3.2 系統(tǒng)流量

根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷兩個(gè)極端工況（極限高溫100℃與極限低溫-130℃）可以獲得電加熱器的加熱功率Q熱與液氮噴淋器的制冷功率Q冷，據(jù)此指標(biāo)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具備了所要求的升降溫?zé)嵩磁c冷源。但是如何使熱源中的熱量與冷源中的冷量通過(guò)工質(zhì)氮?dú)鈧鬏數(shù)綗岢林胁⑴c之進(jìn)行充分的熱交換，以達(dá)到要求的目標(biāo)溫度值與升降溫速率，系統(tǒng)流量是最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)也決定了系統(tǒng)的溫度均勻性。

氮?dú)庠跓岢羶?nèi)的流動(dòng)換熱可簡(jiǎn)化為管內(nèi)受迫流動(dòng)換熱，根據(jù)Re大小來(lái)判斷是紊流換熱還是層流換熱。層流換熱系數(shù)小，故希望熱沉內(nèi)部為紊流換熱狀態(tài)。一般氮?dú)鈮嚎s機(jī)出來(lái)的氣體流速較高，換熱基本為紊流換熱。

式中：w為流體平均流速，m/s；d為特征尺寸，一般為管路直徑，m；ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；

不用非銅管式熱沉而采用脹板式熱沉?xí)r，可取當(dāng)量直徑de。

式中：A為流通截面積；U為流體流道周邊長(zhǎng)度。

對(duì)光滑管內(nèi)充分發(fā)展的紊流換熱可采用Dittus-Boelter公式：

當(dāng)氣體被冷卻時(shí)，m取0.4，氣體被加熱時(shí)，m取0.3。氮?dú)馀c熱沉的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算如式（9）：

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

氮?dú)馀c熱沉的換熱量等于系統(tǒng)的熱負(fù)荷，則有式（10）：

式中：α為對(duì)流換熱系數(shù)；A為熱沉與氮?dú)鈸Q熱面積；ΔT為氮?dú)馀c熱沉溫差。

通過(guò)3.1節(jié)計(jì)算得到系統(tǒng)熱負(fù)荷Q，根據(jù)式（10）可得出對(duì)流換熱系數(shù)α，將其帶入式（9）可計(jì)算出努賽爾數(shù)Nuf，再將Nuf帶入式（8）計(jì)算出雷諾數(shù)Re，根據(jù)式（6）與式（7）計(jì)算得出流體平均流速w，再根據(jù)流體平均流速與系統(tǒng)截面積即可計(jì)算得出系統(tǒng)流量，由此便得知氮?dú)鈮嚎s機(jī)的流量。需要注意的是，會(huì)在高溫工況和低溫工況各計(jì)算出一個(gè)流量值，用兩者取值大者確定系統(tǒng)流量。

調(diào)溫?zé)岢猎O(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算可采用數(shù)值模擬的方法，非常直觀的顯示熱沉各處的溫度場(chǎng)、管道內(nèi)的流場(chǎng)與壓力分布情況，計(jì)算分析軟件種類(lèi)不一；其共同點(diǎn)是建立計(jì)算模型，劃分網(wǎng)格，設(shè)置物性參數(shù)與邊界條件，選擇計(jì)算物理模型，設(shè)置求解條件與收斂標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)傳遞方程得出誤差范圍內(nèi)的解析解。計(jì)算的準(zhǔn)確度依賴于物理模型的選擇與邊界條件參數(shù)的設(shè)置，模擬結(jié)果同實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果互相印證，多次迭代后方可得出精準(zhǔn)的計(jì)算模型[6-7]。

4 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算完成調(diào)溫?zé)岢料到y(tǒng)的建設(shè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：熱沉升降溫速率大于1.5℃/min，溫度均勻性優(yōu)于±5℃，最低溫度可達(dá)-140℃（單路熱沉進(jìn)出口溫差小于3℃，各路熱沉間的溫差小于1℃）。熱沉溫度可以包絡(luò)火星地表溫度，滿足火星探測(cè)地面模擬試驗(yàn)的要求。

圖5 調(diào)溫?zé)岢翜囟惹€Fig.5 Temperature curve of heat sink

5 結(jié)論

本文闡述了以液氮噴淋、雙級(jí)電爐溫控為手段制冷或加熱氮?dú)獾姆椒▉?lái)定點(diǎn)調(diào)節(jié)、連續(xù)控制熱沉溫度的過(guò)程；介紹了熱沉調(diào)溫系統(tǒng)的主要組成部件及功能結(jié)構(gòu)；提出了液氮噴淋器制冷功率、電加熱器加熱功率、氮?dú)鈮嚎s機(jī)流量等系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的理論計(jì)算方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致性較好。