低氣壓高空膜式水蒸發(fā)循環(huán)冷卻試驗研究

楊寶山 張文瑞 朱建炳 于凱盈 于錕錕

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室 蘭州 730000)

1 引言

飛行器在低氣壓高空環(huán)境中飛行時,處于氣動加熱的環(huán)境中,當飛行器馬赫數(shù)等于3 時,其頭部的駐點溫度達到400 ℃[1];當馬赫數(shù)大于等于10 時,其頭部的駐點溫度高達2 000 ℃[2]。氣動加熱會引起飛行器的結(jié)構(gòu)剛度下降,強度減弱,并產(chǎn)生熱應(yīng)力、熱應(yīng)變和材料燒蝕等現(xiàn)象[3],更會使得飛行器內(nèi)部溫度快速升高,超出內(nèi)部電子元器件的正常工作范圍。通常的電子元器件工作范圍為:-55—150 ℃[4],而處于氣動加熱環(huán)境下,內(nèi)部溫度會超過正常工作范圍。因此,需要采用合理的制冷方式,保證飛行器內(nèi)部電子設(shè)備工作在適宜的溫度區(qū)間范圍內(nèi)至關(guān)重要。

飛行器內(nèi)部通常的溫控方式采用存貯制冷劑蒸發(fā)吸熱,而氟利昂類制冷劑蒸發(fā)潛熱小,制冷系統(tǒng)重、應(yīng)用受到限制。水的蒸發(fā)潛熱約為氟利昂類制冷劑的10 倍,可以大大降低存貯式制冷系統(tǒng)的重量,使得存貯制冷劑蒸發(fā)冷卻技術(shù)在高速飛行器的溫控中應(yīng)用變?yōu)榭赡堋Ｍ瑫r,水作為自然界最環(huán)保、最清潔、最易得、最廉價的制冷工質(zhì),通過合理的制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,代替氟利昂類合成工質(zhì)制冷,可以有效降低制冷系統(tǒng)的成本,保護大氣環(huán)境。

在航空航天溫控領(lǐng)域,國外研究者關(guān)于膜式水蒸發(fā)(Water membrane evaporation,WME)公開發(fā)表的文章很少。NASA 約翰遜空間中心[5-7]在2009 年的航天服的溫控中應(yīng)用了第一代的航天服膜式水蒸發(fā)器裝置(spacesuit water membrane evaporator,SWME),它包含14900 根聚丙烯纖維束;并在2010 年研發(fā)出第二代SWME,該裝置不僅實現(xiàn)對人體800 W 的散熱量,而且有良好的耐臟和耐寒性能。

本文搭建以去離子水為制冷工質(zhì)的WME 循環(huán)冷卻試驗平臺,研究低氣壓環(huán)境下隨加熱功率變化引起的實際工況下WME 循環(huán)冷卻系統(tǒng)的性能。同時計算出對應(yīng)工況下系統(tǒng)的熱效率參數(shù),為后續(xù)WME循環(huán)冷卻技術(shù)在低氣壓高空環(huán)境中的實際應(yīng)用提供支持。

2 WME 冷卻原理

WME 冷卻系統(tǒng)原理為低氣壓環(huán)境下的真空膜蒸發(fā)過程,膜蒸發(fā)是低氣壓高空環(huán)境下的熱水閃蒸過程。由于水蒸發(fā)潛熱約為2 300—2 500 kJ/kg,用水蒸發(fā)來控溫可以減小系統(tǒng)重量和體積。本文采用低氣壓下熱水在膜組件中閃蒸的方式帶走電子設(shè)備的熱量。根據(jù)R J Peterson 等人[8]的研究,閃蒸過程中的液體是過熱、過冷以及飽和液體的混合物,閃蒸傳質(zhì)速度是單純蒸發(fā)傳質(zhì)速度的10-12 倍。當環(huán)境壓力突然降低到液體初始溫度對應(yīng)的飽和壓力以下時,液體由最初的平衡狀態(tài)變成過熱狀態(tài),由于壓力下降速度過快,液體已經(jīng)不能以顯熱的方式來包含能量,而是轉(zhuǎn)化為蒸發(fā)潛熱,在此過程中發(fā)生劇烈的相變現(xiàn)象,并且由于突然蒸發(fā),液體溫度也快速下降,這種現(xiàn)象稱為閃蒸(flash evaporation)。

水閃蒸冷卻具有一定局限性,對使用環(huán)境溫度、大氣壓力、控溫目標都有特定要求,只有在特殊環(huán)境條件下,采取相應(yīng)管理措施,才能有效可靠利用水冷卻來控溫。真空膜蒸發(fā)的試驗方案,高溫高壓水在低氣壓環(huán)境下閃蒸產(chǎn)生水蒸氣,真空膜的疏水性質(zhì)阻止液態(tài)水通過微孔,水蒸氣分子可以通過微孔,在實現(xiàn)水汽分離的功能,同時實現(xiàn)了低溫液態(tài)水的回收利用功能,解決了水的可靠循環(huán)及氣液高效分離的技術(shù)難題。

真空膜蒸發(fā)(Vacuum membrane evaporation,VME)是一種采用疏水微孔膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離過程[9]。水分子直徑0.4 nm,膜蒸發(fā)的孔徑在0.1—1 μm 之間,比水滴直徑小10 000倍,比氣體分子大100 余倍,同時采用的膜材料(PVDF)具有疏水性。其原理是當溫度較高的水流過膜一側(cè)時由于膜的疏水性,水不能透過薄膜孔,但水蒸氣的壓力高于另一側(cè),水蒸氣透過膜孔到低壓側(cè),然后熱量隨蒸汽經(jīng)抽真空被帶走。在真空膜蒸發(fā)過程中,膜不參與兩者分離作用,只是兩相之間的屏障,選擇性完全由氣-液平衡決定。膜蒸發(fā)的傳質(zhì)過程一般包含3 個步驟:熱流體側(cè)氣液界面處水的蒸發(fā);氣態(tài)水分子通過疏水膜孔傳遞;水汽分子在低溫測被真空負壓抽走。

WME 冷卻系統(tǒng)熱力學(xué)原理與水蒸氣朗肯循環(huán)相似,區(qū)別于MWE 冷卻系統(tǒng)中水閃蒸帶走熱量,水蒸氣被抽氣帶至外界環(huán)境。測量系統(tǒng)測得各測點的溫度值,通過查詢軟件REFPROP 得出對應(yīng)工況下的焓值。依據(jù)其熱力學(xué)原理計算出冷卻系統(tǒng)的熱效率參數(shù)值,其中加熱器模擬電子設(shè)備熱載荷,加熱量為P。WME 組件帶走的熱量即制冷量,為Qall,包括水加熱升溫的顯熱和水閃蒸汽化的蒸發(fā)潛熱兩部分:

式中:Qlat為循環(huán)水的蒸發(fā)潛熱吸熱量,J;Qsen為循環(huán)水的顯熱吸熱量,J。

其中:

式中:Cp為循環(huán)水的液態(tài)比熱容,J/(kg·℃);ΔT為循環(huán)水加熱前后的溫差,℃。

3 WME 循環(huán)冷卻系統(tǒng)

3.1 試驗流程

基于水蒸發(fā)熱力學(xué)原理搭建的低氣壓環(huán)境下WME 循環(huán)冷卻流程如圖1 所示。試驗系統(tǒng)包括:閉式帶壓水循環(huán)回路、膜式水蒸發(fā)冷卻及水汽分離組件、高效換熱組件、低氣壓獲得組件四部分。水循環(huán)回路包括:增壓隔膜儲箱、旋擰閥、水循環(huán)泵、流量調(diào)節(jié)閥、過濾器及管路、接頭等部件;膜式水蒸發(fā)冷卻及水汽分離組件包括膜蒸發(fā)組件;高效換熱組件包括水冷卻裝置;低氣壓獲得組件包括隔膜閥和真空泵機組(二級臥式泵,包括羅茨泵和機械泵)各部件。

圖1 膜式水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of WME cooling system

以去離子水作為制冷工質(zhì)。該冷卻循環(huán)系統(tǒng)通過水循環(huán)泵對溫度較低循環(huán)水加壓后,通過換熱冷卻器吸收加熱器(模擬電子設(shè)備熱載荷)的熱量,變?yōu)楦邷馗邏貉h(huán)水。高溫高壓循環(huán)水在流經(jīng)膜蒸發(fā)組件時,一部分水蒸發(fā)汽化吸熱,使循環(huán)水溫度降低,低溫循環(huán)水流經(jīng)換熱冷卻器繼續(xù)吸收熱量,循環(huán)往復(fù)冷卻散熱。蒸發(fā)汽化的水蒸汽通過膜蒸發(fā)組件膜壁,被低氣壓裝置抽至外界大氣環(huán)境。試驗系統(tǒng)如圖2 所示。本冷卻循環(huán)的特點是吸熱后的水在膜蒸發(fā)組件中以閃蒸的方式帶走大量汽化潛熱,并通過膜組件實現(xiàn)水汽高效分離功能。

圖2 膜式水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)實物圖Fig.2 Photo of WME cooling system

3.2 WME 組件

本試驗選用聚偏氟乙烯(PVDF)的中空纖維微濾膜蒸發(fā)器,如圖3 所示。共定制2 組,微孔孔徑分別為0.2 μm 和0.3 μm,每個孔徑的膜組件各定制兩件。根據(jù)相關(guān)命名標準[10],型號分別為MF-HF-0.2-0.3-PVDF 和MF-HF-0.3-0.3-PVDF。

圖3 膜式水蒸發(fā)器組件Fig.3 WME assembly

試驗選用的MF-HF-0.3-0.3-PVDF(膜組件Ⅰ)和MF-HF-0.2-0.3-PVDF(膜組件Ⅱ)的參數(shù)如表1所示。

表1 膜組件性能參數(shù)Table 1 WME parameters

3.3 試驗測量

WME 循環(huán)冷卻系統(tǒng)所測量的參數(shù)包括溫度、壓力、流量和熱功率等試驗參數(shù)。溫度的測量選用加熱器自帶的進口、出口溫度測量傳感器對加熱器進口、出口溫度進行測量,在數(shù)字面板上同步顯示;選用2個PT1000 的熱電阻對膜組件進口溫度、出口溫度進行測量,后期的數(shù)據(jù)處理上進行溫度轉(zhuǎn)換。壓力的測量選用一定精度的單晶硅壓力變送器,測量低壓儲罐中的真空壓力。流量的測量選用微型渦輪流量計,測量水循環(huán)系統(tǒng)流量,測量范圍為0.1—0.6 m3/h。加熱功率的測量選用精度為0.5 級的數(shù)字智能功率計。

3.4 試驗方法

試驗中,以去離子水作為系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì),試驗過程中水流量由水泵控制為定值。為增大冷卻時間,試驗將2 個膜組件Ⅰ和膜組件Ⅱ分別串行連接(膜組件Ⅰ×2 串聯(lián)、膜組件Ⅱ×2 串聯(lián))。在膜組件的進出口處,膜組件的1/4G 外螺紋與Φ10 的銅管用卡套連接。

通過調(diào)節(jié)加熱器加熱功率來改變加熱器進出口溫度、進而改變膜組件進出口溫度,加熱器功率分別為2 kW、3 kW 和4 kW。根據(jù)測得的試驗數(shù)據(jù)繪出各個工況下測點溫度隨時間變化的曲線,并計算得到不同工況下的循環(huán)熱效率,由此可以驗證低氣壓高空環(huán)境下WME 循環(huán)制冷系統(tǒng)的可行性。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 溫度的影響

如圖4—圖6 所示,膜組件Ⅰ和膜組件Ⅱ,分別在2 kW、3 kW 及4 kW 加熱功率下,加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度試驗過程中的溫度變化曲線。

圖4 膜組件Ⅰ/Ⅱ串聯(lián)測點溫度對比Fig.4 Temperature changes of measurement points on WMEⅠ×2/WMEⅡ×2

圖4 為2 kW 功率加熱膜組件Ⅰ×2/Ⅱ×2 串聯(lián)時測點溫度隨時間的變化曲線。調(diào)節(jié)加熱器加熱溫度區(qū)間,至加熱器出口溫度基本穩(wěn)定時,打開真空泵對低壓儲罐內(nèi)膜組件周圍環(huán)境抽真空;各個測點溫度升高速度逐漸減緩,溫度曲線逐漸趨于水平,說明膜組件制冷量與加熱器加熱量逐漸保持平衡,各個測點溫度不再上升。平衡狀態(tài)時,如圖4a 中膜組件Ⅰ×2串聯(lián)組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:53.7 ℃、63.0 ℃、60.9 ℃和55.2 ℃;圖4b中膜組件Ⅱ×2 串聯(lián)組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:46.0 ℃、57.0 ℃、55.3 ℃和47.8 ℃。

圖5 為加熱膜組件Ⅱ串聯(lián)組件在2 kW/3 kW/4 kW功率加熱時各測點溫度隨時間的變化曲線。圖5a 中第5 分鐘4 個測點溫度均下降,是因為加熱器并非一直保持2 kW 功率持續(xù)不間斷加熱,在加熱器出口溫度超出設(shè)定值時,加熱器停止加熱,膜組件持續(xù)制冷使得溫度下降較快;至加熱器入口溫度下降低于設(shè)定值時,加熱器恢復(fù)加熱,各個測點溫度逐漸回升。加熱器加熱控制的滯后調(diào)節(jié)導(dǎo)致了4 個測點溫度的下降。平衡狀態(tài)時,圖5b 中膜組件Ⅱ×2 串聯(lián)組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:51.0 ℃、66.7 ℃、64.9 ℃和52.2 ℃;圖5c 中膜組件Ⅱ×2 串聯(lián)組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:54.0 ℃、75.8 ℃、72.5 ℃和55.7 ℃。從圖5a—5c 中的溫度變化曲線趨勢可以得出:隨著膜組件進出口溫度的上升,膜組件的制冷功率逐漸增大,至制冷功率和加熱功率保持平衡時,4個測點溫度基本穩(wěn)定不變。

圖5 膜組件Ⅱ串聯(lián)測點溫度對比Fig.5 Temperature changes of measurement points on WMEⅡ×2

圖6 為2 kW 功率加熱單個膜組件Ⅱ/膜組件Ⅱ×2 串聯(lián)測點溫度隨時間的變化曲線。平衡狀態(tài)時,圖6a 中單個膜組件Ⅱ加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:56.2 ℃、64.3 ℃、61.7 ℃和58.3 ℃。

圖6 膜組件Ⅱ單個/串聯(lián)測點溫度對比Fig.6 Temperature changes of measurement points on WMEⅡ/WMEⅡ×2

對比圖4—圖6,整理數(shù)據(jù)如圖7 所示。在圖7a中,加熱器進口溫度、膜組件進口溫度都隨著加熱功率的提高而顯著升高,加熱器出口溫度和膜組件出口溫度也有升高,但幅度遠沒有入口溫度顯著。結(jié)合圖7b,加熱器進出口溫差和膜組件進出口溫度的趨勢,膜組件隨著加熱功率的提高,其入口溫度升高,制冷能力提高。

圖7 測點溫度與加熱功率Fig.7 Temperature changes of measurement points and heating power

4.2 膜組件熱效率

本研究中,定義膜組件的熱效率:

式中:Qall為循環(huán)水的總吸熱量,J;P為電加熱器的加熱功率,J。

計算結(jié)果整理如表2 所示。

表2 膜組件熱效率Table 2 Thermal efficiency of WME assembly

5 結(jié)論

為了驗證膜式水蒸發(fā)循環(huán)冷卻在低氣壓高空環(huán)境中溫控應(yīng)用的可行性,搭建了WME 循環(huán)冷卻閉式系統(tǒng),通過試驗得到的結(jié)論有:

(1)WME 循環(huán)冷卻閉式系統(tǒng),在低于10 kPa 的低氣壓環(huán)境下可以實現(xiàn)將55—70 ℃的熱水降溫至45—55 ℃的冷水,膜組件進出口溫差最大達到16.8 ℃,制冷功率達到4 kW,膜組件熱效率高于80%。

(2)WME 組件隨著加熱功率的提高,其入口溫度升高,制冷能力提高。隨著電子設(shè)備耗散熱升高,回水溫度升高,膜蒸發(fā)水通量增大,制冷量也相應(yīng)增大,具有一定自適應(yīng)能力。

(3)采用閉式單相水循環(huán)冷卻方式,解決了低氣壓水輸運時的氣蝕問題及氣液分離難題,實現(xiàn)了溫控應(yīng)用中水冷卻系統(tǒng)有效管理,使具有高吸熱冷卻能力的水在低氣壓高空環(huán)境中的溫控應(yīng)用成為可能,解決控溫的大冷量技術(shù)難題。

(4)膜組件比表面積大,蒸發(fā)冷卻能力強,散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕,使得低氣壓高空環(huán)境中溫控應(yīng)用的冷卻系統(tǒng)簡單、易實現(xiàn)。