同位素?zé)峁夥娫凑婵諢嵝阅茉囼炑芯?/h1>
2023-09-20 12:38:24邵劍雄邱家穩(wěn)馬巨印韓承志
原子能科學(xué)技術(shù) 2023年9期
蘇 生,邵劍雄,邱家穩(wěn),陳 陽,馬巨印,田 岱,馬 彬,韓承志
(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094;2.空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室,北京 100094;3.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;4.中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)
同位素?zé)峁夥娫?RTPV)是我國重點(diǎn)發(fā)展的空間核電源形式之一[1-2]。美國NASA格倫研究中心持續(xù)開展同位素?zé)峁夥娫囱芯?其工程樣機(jī)的系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)18%[3],而目前在軌服役的同位素電源(RTG)發(fā)電效率僅為6.3%[4]。同位素?zé)峁夥娫匆孕矢?、可靠性高的特點(diǎn),成為適用于數(shù)百瓦級電源需求深空探測任務(wù)的極佳電源發(fā)展路線。近年來,同位素?zé)峁夥娫粗饾u成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[5-7]。
同位素?zé)峁夥娫粗饕赏凰責(zé)嵩?、輻射發(fā)射器、光伏電池、濾光器、外殼等組成,光伏電池布置于外殼內(nèi)壁面上,外殼內(nèi)部無光伏電池的區(qū)域均進(jìn)行隔熱處理,使同位素?zé)嵩吹臒崮艿玫匠浞掷肹8]。在設(shè)計工況下,為將同位素?zé)嵩淳S持在1 000～1 200 ℃的目標(biāo)高溫狀態(tài),需要采用高溫多層隔熱組件(MLI)進(jìn)行輻射隔熱。高溫多層隔熱組件選用耐高溫、低發(fā)射率的金屬箔作為反射屏,選用耐高溫、低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫材料作為間隔層[9-10],廣泛用于航天器發(fā)動機(jī)熱防護(hù)和大氣再入高速飛行器氣動熱防護(hù),也用于某些地面高溫加熱爐的隔熱保溫[11-17],輻射隔熱效果非常好。
本文設(shè)計分別采用突刺、金屬絲網(wǎng)和氣凝膠作為間隔層的3種不封邊新型高溫多層隔熱組件,在真空條件下測試其在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中的高溫隔熱性能,分析實現(xiàn)良好隔熱效果的關(guān)鍵影響因素,以獲得一種可滿足同位素?zé)峁夥娫撮L期高溫隔熱需求的高溫多層隔熱組件形式。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 同位素?zé)峁夥娫丛囼灅訖C(jī)構(gòu)型
本文研究的同位素?zé)峁夥娫礃?gòu)型如圖1所示:1) 采用電加熱熱源模擬同位素?zé)嵩?熱源通過陶瓷釘支撐在電源中心,熱源采用99 mm×95 mm×55 mm的六面體結(jié)構(gòu),外部包覆輻射發(fā)射器,用于在發(fā)射端進(jìn)行輻射光譜調(diào)節(jié);2) 在周向、距離熱源34 mm處布置4塊濾光器,用于在吸收端進(jìn)行光譜選擇性透過;3) 在距離濾光器14 mm處布置4塊光伏電池,光伏電池直接安裝在外殼上;4) 在高度方向上下端面內(nèi)部安裝高溫多層隔熱組件,隔熱組件周向與外殼之間設(shè)置1 mm間隙;5) 外殼周圍安裝散熱器,用于控制光伏電池溫度,并排出廢熱。
圖1 同位素?zé)峁夥娫磶缀螛?gòu)型
1.2 高溫多層隔熱組件試驗件
1) 高溫多層隔熱組件設(shè)計
高溫多層隔熱組件由N個單元疊加而成,每個單元由1層反射屏和1層間隔層組成。在間隔層將反射屏充分隔開,相鄰反射屏互不接觸時,在真空條件下,通過多層隔熱組件的傳熱是輻射換熱Qrad和固體導(dǎo)熱Qcond的組合[9-11,18-20]。
(1)
(2)
式中:n為間隔層的折射系數(shù);σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);Ar和Ac分別為垂直于熱流方向的反射屏面積和間隔層面積;T1為熱面溫度;T2為冷面溫度;N為多層單元數(shù)量;ε為反射屏表面發(fā)射率;α為間隔層吸收系數(shù);s為間隔層散射系數(shù);δ為間隔層厚度;λD為間隔層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。
從式(1)可知,反射屏表面發(fā)射率越低、單元數(shù)量越多時,通過多層隔熱組件的輻射換熱量越低。從式(2)可知,間隔層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)越小、垂直于熱流方向的面積越小、厚度越大時,通過多層隔熱組件的固體導(dǎo)熱量越低。
基于上述分析,本試驗選擇拋光的不銹鋼箔、不銹鋼板和鉬板作為反射屏,其在室溫條件下實測的發(fā)射率為0.1。從控制間隔層材料的導(dǎo)熱系數(shù)、接觸面積出發(fā),選用不同形式的間隔層,制作了突刺間隔層、不銹鋼絲網(wǎng)間隔層、氣凝膠間隔層等3種形式的高溫多層隔熱組件。3種間隔層的隔熱思路如下。1) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏上穿若干小孔,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于點(diǎn)接觸狀態(tài);2) 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏表面點(diǎn)焊不銹鋼絲網(wǎng)作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于線接觸狀態(tài);3) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件:采用較厚的鉬板和不銹鋼板作為反射屏,在相鄰反射屏之間的4個角上安裝細(xì)長條狀氣凝膠作為間隔層,使相鄰反射屏之間僅在4個角上處于面接觸狀態(tài)。
由于同位素?zé)峁夥娫闯叽缧?為減少高溫多層隔熱組件邊緣漏熱,高溫多層隔熱組件采用不封邊形式。
2) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在內(nèi)層不銹鋼箔上穿若干直徑為1.5 mm的小孔,小孔間距為15 mm,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰不銹鋼箔之間處于點(diǎn)接觸狀態(tài)。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為50。
使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),如圖2所示。該多層隔熱組件內(nèi)部單元為柔性狀態(tài)。
圖2 突刺間隔層高溫多層隔熱組件組裝狀態(tài)
3) 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在不銹鋼箔反射屏表面點(diǎn)焊25目的不銹鋼絲網(wǎng),作為間隔層。不銹鋼箔無突刺。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為50。
完成不銹鋼絲網(wǎng)與不銹鋼箔點(diǎn)焊后的單元狀態(tài)如圖3所示。使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在樣機(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),組裝狀態(tài)如圖4所示。該多層隔熱組件內(nèi)部單元為柔性狀態(tài)。
圖3 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層部件
圖4 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層組件實物
4) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏由0.5 mm厚的拋光鉬板和1 mm厚的拋光不銹鋼板組成,靠近熱側(cè)的3層為拋光鉬板,其他14層為拋光不銹鋼板。在內(nèi)層反射屏邊緣開設(shè)隔熱槽,以減少反射屏向邊緣的橫向?qū)崧?。采?0 mm長、10 mm寬、2 mm厚的長條狀氣凝膠作為間隔層。氣凝膠安裝在相鄰反射屏之間的4個角上。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為18。
使用不銹鋼絲對高溫多層成形并固定在樣機(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),組裝狀態(tài)如圖5所示。該多層隔熱組件整體為剛性狀態(tài)。
圖5 氣凝膠間隔層高溫多層組裝狀態(tài)
1.3 真空熱性能測試試驗臺
試驗臺由真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、熱源供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖6所示。同位素?zé)峁夥娫丛囼灱ㄟ^5 mm厚聚酰亞胺隔熱墊隔熱安裝在真空罐內(nèi)。
真空系統(tǒng)主體包括真空罐(直徑0.6 m、高0.8 m)和真空泵。真空系統(tǒng)可實現(xiàn)優(yōu)于1×10-3Pa的罐內(nèi)真空度。真空罐底部提供9路測溫通道、1路電加熱通道和1路電池晶元電性能通道。測溫通道用于將樣機(jī)溫度傳感器連接至罐外的溫度測量系統(tǒng)。電加熱通道用于從罐外向樣機(jī)內(nèi)部的熱源供電,實現(xiàn)熱量模擬。電池晶元電性能通道用于向罐外輸出電池晶元發(fā)電信號。
水冷系統(tǒng)由水冷機(jī)、管路和水冷板組成。4塊水冷板導(dǎo)熱安裝在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)的4個側(cè)面。水冷機(jī)采用乙二醇水溶液作為工質(zhì),可提供-5 ℃至室溫的水冷循環(huán),用于樣機(jī)側(cè)面廢熱排散,試驗時將進(jìn)入真空罐的進(jìn)口工質(zhì)溫度控制在(0±1) ℃。
熱源供電系統(tǒng)采用交流變壓器,直接將市電進(jìn)行變壓后向樣機(jī)熱源供電,可實現(xiàn)0～500 V交流電輸出,具有電壓指示裝置。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集熱源供電電流信號、熱電偶溫度信號。溫度測量采用1個鉑銠鉑熱電偶(熱源內(nèi)部)和8個T型銅-康銅熱電偶,均經(jīng)過標(biāo)定,測溫精度優(yōu)于1 ℃。
2 試驗方法
試驗按如下步驟進(jìn)行:1) 同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)部件在真空條件下除氣;2) 組裝同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī),并置于真空罐內(nèi);3) 連接測試系統(tǒng)電纜以及水冷系統(tǒng)管路;4) 關(guān)真空罐,在真空罐內(nèi)對樣機(jī)進(jìn)行多次抽真空及惰性氣體置換;5) 真空罐抽真空至1×10-3Pa,之后水冷機(jī)啟動循環(huán),樣機(jī)熱源加電、逐步升高輸入電功率,開展熱性能測試;6) 完成測試工況后,樣機(jī)熱源斷電。待熱源回溫至50 ℃以下后開罐,試驗結(jié)束。
3 試驗結(jié)果及分析
各試驗工況中,真空罐內(nèi)的真空度在8.6×10-5～1×10-3Pa之間,真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、熱源供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均工作正常,得到的試驗數(shù)據(jù)有效。
3.1 試驗結(jié)果
試驗1:基于突刺間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達(dá)到260 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為854 ℃,上端蓋溫度為63.2 ℃,下端蓋溫度為29 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7a。
圖7 試驗過程溫度與輸入電功率曲線
試驗2:基于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達(dá)到250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為875 ℃,上端蓋溫度為47.5 ℃,下端蓋溫度為33.6 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7b。
試驗3:基于氣凝膠間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率為250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為1 038 ℃,上端蓋溫度為72.9 ℃,下端蓋溫度為68.5 ℃。進(jìn)一步加大輸入電功率至293 W,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為1 099 ℃,上端蓋溫度為79.4 ℃,下端蓋溫度為74.7 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7c。
3.2 試驗結(jié)果分析
1) 間隔層的裝配間隔效果
突刺間隔層的裝配間隔效果可控性較差。試驗1中,經(jīng)高溫多層隔熱組件隔熱后,上端蓋與下端蓋之間的溫差為34.2 ℃,下端蓋高溫多層隔熱組件隔熱效果明顯好于上端蓋。表明下端蓋高溫多層隔熱組件的突刺間隔層起到了較好的間隔效果,能將相鄰單元的反射屏有效地間隔開;上端蓋中的間隔效果相對較差,存在相鄰反射屏在局部有面接觸的情況。在3個試驗中,試驗3的上、下端蓋溫差最小,表明上、下端高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好;試驗2的溫差居中;試驗1的溫差最大。該結(jié)果表明,在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優(yōu),不銹鋼絲網(wǎng)間隔層次之,突刺間隔層最差。
2) 隔熱組件的隔熱效果
試驗1與試驗2均采用50單元高溫多層隔熱組件。試驗1在輸入電功率為260 W時,下端蓋溫度為29 ℃。相較而言,試驗2在輸入電功率為250 W時,下端蓋溫度為33.6 ℃。表明在裝配間隔效果控制良好時,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優(yōu)于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件。
3) 封閉光學(xué)腔對熱源溫度的影響
試驗3僅采用了18單元的高溫多層隔熱組件,在輸入電功率為250 W時,熱源溫度達(dá)到了1 038 ℃,明顯高于試驗1與試驗2的熱源所達(dá)到的溫度。氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件在單元數(shù)量更少的情況下,獲得了顯著優(yōu)于突刺間隔層和不銹鋼絲網(wǎng)間隔層兩種形式高溫多層隔熱組件的隔熱效果。其原因主要是,圖5所示的氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件與樣機(jī)的濾光器形成了封閉的光學(xué)腔,提升了對熱源輻射熱量的利用率;另外兩種形式的高溫多層隔熱組件剛性較小,未能與濾光器形成封閉光學(xué)腔,產(chǎn)生的間隙造成了熱源輻射熱量的漏失。試驗3相較試驗1與試驗2,熱源溫度大幅提升,表明高溫多層隔熱組件與濾光器形成封閉光學(xué)腔,對于提升同位素?zé)峁夥娫吹臒嵩礈囟戎陵P(guān)重要。試驗3所得輸入功率-熱源溫度關(guān)系已初步滿足同位素?zé)峁夥娫垂こ虘?yīng)用需求。
特別說明,上述試驗的輸入電功率由真空罐外部電源電壓與電流相乘得到,為輸入總功率,包含供電線路上的功率消耗與傳導(dǎo)/輻射漏熱。
4 結(jié)論
通過真空熱性能試驗,測試了3種新型高溫多層隔熱組件在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中的高溫隔熱性能,得到如下結(jié)論。
1) 在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優(yōu),裝配出的不同批次高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好,不銹鋼絲網(wǎng)間隔層次之,突刺間隔層最差。
2) 在裝配間隔效果控制良好情況下,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優(yōu)于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件。
3) 在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中,高溫多層隔熱組件與濾光器形成一個光學(xué)腔,提高該光學(xué)腔封閉性,有利于提高熱量利用率,以達(dá)到較高熱源溫度。使用氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件時,光學(xué)腔封閉性最好,同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)在輸入電功率250 W時,熱源溫度達(dá)到了1 038 ℃,初步滿足工程應(yīng)用需求。
猜你喜歡
橫流熱源塔換熱性能研究煤氣與熱力(2021年3期)2021-06-09 06:16:20 碳纖維絲替代不銹鋼絲引張線的研究魅力中國(2018年12期)2018-08-06 12:03:22 帶鎖束線帶三聯(lián)生活周刊(2017年17期)2017-04-27 23:05:19 不銹鋼絲網(wǎng)筒體縫焊設(shè)備及工藝電焊機(jī)(2017年2期)2017-03-01 13:52:59 基于啟發(fā)式動態(tài)規(guī)劃的冷熱源優(yōu)化控制電子制作(2017年19期)2017-02-02 07:08:31 深空探測用同位素電源的研究進(jìn)展電源技術(shù)(2015年7期)2015-08-22 08:49:04 中部槽激光-MAG復(fù)合熱源打底焊焊接工藝研究焊接(2015年8期)2015-07-18 10:59:13 多類型熱源點(diǎn)共存下的區(qū)域熱力統(tǒng)籌供應(yīng)探討中國工程咨詢(2015年2期)2015-02-14 02:59:14 《同位素》（季刊）2015年征訂通知同位素(2014年3期)2014-06-13 08:22:28 不銹鋼微絲拉絲機(jī)問題分析及改進(jìn)機(jī)械工程師(2014年2期)2014-04-21 06:49:43
蘇 生,邵劍雄,邱家穩(wěn),陳 陽,馬巨印,田 岱,馬 彬,韓承志
(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094;2.空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實驗室,北京 100094;3.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;4.中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)
同位素?zé)峁夥娫?RTPV)是我國重點(diǎn)發(fā)展的空間核電源形式之一[1-2]。美國NASA格倫研究中心持續(xù)開展同位素?zé)峁夥娫囱芯?其工程樣機(jī)的系統(tǒng)發(fā)電效率可達(dá)18%[3],而目前在軌服役的同位素電源(RTG)發(fā)電效率僅為6.3%[4]。同位素?zé)峁夥娫匆孕矢?、可靠性高的特點(diǎn),成為適用于數(shù)百瓦級電源需求深空探測任務(wù)的極佳電源發(fā)展路線。近年來,同位素?zé)峁夥娫粗饾u成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[5-7]。
同位素?zé)峁夥娫粗饕赏凰責(zé)嵩?、輻射發(fā)射器、光伏電池、濾光器、外殼等組成,光伏電池布置于外殼內(nèi)壁面上,外殼內(nèi)部無光伏電池的區(qū)域均進(jìn)行隔熱處理,使同位素?zé)嵩吹臒崮艿玫匠浞掷肹8]。在設(shè)計工況下,為將同位素?zé)嵩淳S持在1 000～1 200 ℃的目標(biāo)高溫狀態(tài),需要采用高溫多層隔熱組件(MLI)進(jìn)行輻射隔熱。高溫多層隔熱組件選用耐高溫、低發(fā)射率的金屬箔作為反射屏,選用耐高溫、低導(dǎo)熱系數(shù)的耐高溫材料作為間隔層[9-10],廣泛用于航天器發(fā)動機(jī)熱防護(hù)和大氣再入高速飛行器氣動熱防護(hù),也用于某些地面高溫加熱爐的隔熱保溫[11-17],輻射隔熱效果非常好。
本文設(shè)計分別采用突刺、金屬絲網(wǎng)和氣凝膠作為間隔層的3種不封邊新型高溫多層隔熱組件,在真空條件下測試其在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中的高溫隔熱性能,分析實現(xiàn)良好隔熱效果的關(guān)鍵影響因素,以獲得一種可滿足同位素?zé)峁夥娫撮L期高溫隔熱需求的高溫多層隔熱組件形式。
1 試驗系統(tǒng)
1.1 同位素?zé)峁夥娫丛囼灅訖C(jī)構(gòu)型
本文研究的同位素?zé)峁夥娫礃?gòu)型如圖1所示:1) 采用電加熱熱源模擬同位素?zé)嵩?熱源通過陶瓷釘支撐在電源中心,熱源采用99 mm×95 mm×55 mm的六面體結(jié)構(gòu),外部包覆輻射發(fā)射器,用于在發(fā)射端進(jìn)行輻射光譜調(diào)節(jié);2) 在周向、距離熱源34 mm處布置4塊濾光器,用于在吸收端進(jìn)行光譜選擇性透過;3) 在距離濾光器14 mm處布置4塊光伏電池,光伏電池直接安裝在外殼上;4) 在高度方向上下端面內(nèi)部安裝高溫多層隔熱組件,隔熱組件周向與外殼之間設(shè)置1 mm間隙;5) 外殼周圍安裝散熱器,用于控制光伏電池溫度,并排出廢熱。
圖1 同位素?zé)峁夥娫磶缀螛?gòu)型
1.2 高溫多層隔熱組件試驗件
1) 高溫多層隔熱組件設(shè)計
高溫多層隔熱組件由N個單元疊加而成,每個單元由1層反射屏和1層間隔層組成。在間隔層將反射屏充分隔開,相鄰反射屏互不接觸時,在真空條件下,通過多層隔熱組件的傳熱是輻射換熱Qrad和固體導(dǎo)熱Qcond的組合[9-11,18-20]。
(1)
(2)
式中:n為間隔層的折射系數(shù);σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù);Ar和Ac分別為垂直于熱流方向的反射屏面積和間隔層面積;T1為熱面溫度;T2為冷面溫度;N為多層單元數(shù)量;ε為反射屏表面發(fā)射率;α為間隔層吸收系數(shù);s為間隔層散射系數(shù);δ為間隔層厚度;λD為間隔層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)。
從式(1)可知,反射屏表面發(fā)射率越低、單元數(shù)量越多時,通過多層隔熱組件的輻射換熱量越低。從式(2)可知,間隔層當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)越小、垂直于熱流方向的面積越小、厚度越大時,通過多層隔熱組件的固體導(dǎo)熱量越低。
基于上述分析,本試驗選擇拋光的不銹鋼箔、不銹鋼板和鉬板作為反射屏,其在室溫條件下實測的發(fā)射率為0.1。從控制間隔層材料的導(dǎo)熱系數(shù)、接觸面積出發(fā),選用不同形式的間隔層,制作了突刺間隔層、不銹鋼絲網(wǎng)間隔層、氣凝膠間隔層等3種形式的高溫多層隔熱組件。3種間隔層的隔熱思路如下。1) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏上穿若干小孔,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于點(diǎn)接觸狀態(tài);2) 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件:在反射屏表面點(diǎn)焊不銹鋼絲網(wǎng)作為間隔層,使相鄰反射屏之間處于線接觸狀態(tài);3) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件:采用較厚的鉬板和不銹鋼板作為反射屏,在相鄰反射屏之間的4個角上安裝細(xì)長條狀氣凝膠作為間隔層,使相鄰反射屏之間僅在4個角上處于面接觸狀態(tài)。
由于同位素?zé)峁夥娫闯叽缧?為減少高溫多層隔熱組件邊緣漏熱,高溫多層隔熱組件采用不封邊形式。
2) 突刺間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在內(nèi)層不銹鋼箔上穿若干直徑為1.5 mm的小孔,小孔間距為15 mm,利用小孔處翻邊出來的突刺作為間隔層,使相鄰不銹鋼箔之間處于點(diǎn)接觸狀態(tài)。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為50。
使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),如圖2所示。該多層隔熱組件內(nèi)部單元為柔性狀態(tài)。
圖2 突刺間隔層高溫多層隔熱組件組裝狀態(tài)
3) 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏采用0.1 mm厚的拋光不銹鋼箔。在不銹鋼箔反射屏表面點(diǎn)焊25目的不銹鋼絲網(wǎng),作為間隔層。不銹鋼箔無突刺。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為50。
完成不銹鋼絲網(wǎng)與不銹鋼箔點(diǎn)焊后的單元狀態(tài)如圖3所示。使用不銹鋼絲使高溫多層成形并固定在樣機(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),組裝狀態(tài)如圖4所示。該多層隔熱組件內(nèi)部單元為柔性狀態(tài)。
圖3 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層部件
圖4 不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層組件實物
4) 氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件制備
該組件外層反射屏(面膜)采用1 mm厚的拋光鉬板。內(nèi)層反射屏由0.5 mm厚的拋光鉬板和1 mm厚的拋光不銹鋼板組成,靠近熱側(cè)的3層為拋光鉬板,其他14層為拋光不銹鋼板。在內(nèi)層反射屏邊緣開設(shè)隔熱槽,以減少反射屏向邊緣的橫向?qū)崧?。采?0 mm長、10 mm寬、2 mm厚的長條狀氣凝膠作為間隔層。氣凝膠安裝在相鄰反射屏之間的4個角上。高溫多層隔熱組件單元數(shù)量為18。
使用不銹鋼絲對高溫多層成形并固定在樣機(jī)上、下端蓋內(nèi)側(cè),組裝狀態(tài)如圖5所示。該多層隔熱組件整體為剛性狀態(tài)。
圖5 氣凝膠間隔層高溫多層組裝狀態(tài)
1.3 真空熱性能測試試驗臺
試驗臺由真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、熱源供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖6所示。同位素?zé)峁夥娫丛囼灱ㄟ^5 mm厚聚酰亞胺隔熱墊隔熱安裝在真空罐內(nèi)。
真空系統(tǒng)主體包括真空罐(直徑0.6 m、高0.8 m)和真空泵。真空系統(tǒng)可實現(xiàn)優(yōu)于1×10-3Pa的罐內(nèi)真空度。真空罐底部提供9路測溫通道、1路電加熱通道和1路電池晶元電性能通道。測溫通道用于將樣機(jī)溫度傳感器連接至罐外的溫度測量系統(tǒng)。電加熱通道用于從罐外向樣機(jī)內(nèi)部的熱源供電,實現(xiàn)熱量模擬。電池晶元電性能通道用于向罐外輸出電池晶元發(fā)電信號。
水冷系統(tǒng)由水冷機(jī)、管路和水冷板組成。4塊水冷板導(dǎo)熱安裝在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)的4個側(cè)面。水冷機(jī)采用乙二醇水溶液作為工質(zhì),可提供-5 ℃至室溫的水冷循環(huán),用于樣機(jī)側(cè)面廢熱排散,試驗時將進(jìn)入真空罐的進(jìn)口工質(zhì)溫度控制在(0±1) ℃。
熱源供電系統(tǒng)采用交流變壓器,直接將市電進(jìn)行變壓后向樣機(jī)熱源供電,可實現(xiàn)0～500 V交流電輸出,具有電壓指示裝置。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集熱源供電電流信號、熱電偶溫度信號。溫度測量采用1個鉑銠鉑熱電偶(熱源內(nèi)部)和8個T型銅-康銅熱電偶,均經(jīng)過標(biāo)定,測溫精度優(yōu)于1 ℃。
2 試驗方法
試驗按如下步驟進(jìn)行:1) 同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)部件在真空條件下除氣;2) 組裝同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī),并置于真空罐內(nèi);3) 連接測試系統(tǒng)電纜以及水冷系統(tǒng)管路;4) 關(guān)真空罐,在真空罐內(nèi)對樣機(jī)進(jìn)行多次抽真空及惰性氣體置換;5) 真空罐抽真空至1×10-3Pa,之后水冷機(jī)啟動循環(huán),樣機(jī)熱源加電、逐步升高輸入電功率,開展熱性能測試;6) 完成測試工況后,樣機(jī)熱源斷電。待熱源回溫至50 ℃以下后開罐,試驗結(jié)束。
3 試驗結(jié)果及分析
各試驗工況中,真空罐內(nèi)的真空度在8.6×10-5～1×10-3Pa之間,真空系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、熱源供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均工作正常,得到的試驗數(shù)據(jù)有效。
3.1 試驗結(jié)果
試驗1:基于突刺間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達(dá)到260 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為854 ℃,上端蓋溫度為63.2 ℃,下端蓋溫度為29 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7a。
圖7 試驗過程溫度與輸入電功率曲線
試驗2:基于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率達(dá)到250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為875 ℃,上端蓋溫度為47.5 ℃,下端蓋溫度為33.6 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7b。
試驗3:基于氣凝膠間隔層高溫多層隔熱性能試驗。在輸入電功率為250 W后,維持輸入功率不變,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為1 038 ℃,上端蓋溫度為72.9 ℃,下端蓋溫度為68.5 ℃。進(jìn)一步加大輸入電功率至293 W,熱源溫度趨于穩(wěn)定時,熱源溫度為1 099 ℃,上端蓋溫度為79.4 ℃,下端蓋溫度為74.7 ℃。試驗過程中的輸入電功率與關(guān)鍵部件溫度數(shù)據(jù)曲線示于圖7c。
3.2 試驗結(jié)果分析
1) 間隔層的裝配間隔效果
突刺間隔層的裝配間隔效果可控性較差。試驗1中,經(jīng)高溫多層隔熱組件隔熱后,上端蓋與下端蓋之間的溫差為34.2 ℃,下端蓋高溫多層隔熱組件隔熱效果明顯好于上端蓋。表明下端蓋高溫多層隔熱組件的突刺間隔層起到了較好的間隔效果,能將相鄰單元的反射屏有效地間隔開;上端蓋中的間隔效果相對較差,存在相鄰反射屏在局部有面接觸的情況。在3個試驗中,試驗3的上、下端蓋溫差最小,表明上、下端高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好;試驗2的溫差居中;試驗1的溫差最大。該結(jié)果表明,在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優(yōu),不銹鋼絲網(wǎng)間隔層次之,突刺間隔層最差。
2) 隔熱組件的隔熱效果
試驗1與試驗2均采用50單元高溫多層隔熱組件。試驗1在輸入電功率為260 W時,下端蓋溫度為29 ℃。相較而言,試驗2在輸入電功率為250 W時,下端蓋溫度為33.6 ℃。表明在裝配間隔效果控制良好時,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優(yōu)于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件。
3) 封閉光學(xué)腔對熱源溫度的影響
試驗3僅采用了18單元的高溫多層隔熱組件,在輸入電功率為250 W時,熱源溫度達(dá)到了1 038 ℃,明顯高于試驗1與試驗2的熱源所達(dá)到的溫度。氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件在單元數(shù)量更少的情況下,獲得了顯著優(yōu)于突刺間隔層和不銹鋼絲網(wǎng)間隔層兩種形式高溫多層隔熱組件的隔熱效果。其原因主要是,圖5所示的氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件與樣機(jī)的濾光器形成了封閉的光學(xué)腔,提升了對熱源輻射熱量的利用率;另外兩種形式的高溫多層隔熱組件剛性較小,未能與濾光器形成封閉光學(xué)腔,產(chǎn)生的間隙造成了熱源輻射熱量的漏失。試驗3相較試驗1與試驗2,熱源溫度大幅提升,表明高溫多層隔熱組件與濾光器形成封閉光學(xué)腔,對于提升同位素?zé)峁夥娫吹臒嵩礈囟戎陵P(guān)重要。試驗3所得輸入功率-熱源溫度關(guān)系已初步滿足同位素?zé)峁夥娫垂こ虘?yīng)用需求。
特別說明,上述試驗的輸入電功率由真空罐外部電源電壓與電流相乘得到,為輸入總功率,包含供電線路上的功率消耗與傳導(dǎo)/輻射漏熱。
4 結(jié)論
通過真空熱性能試驗,測試了3種新型高溫多層隔熱組件在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中的高溫隔熱性能,得到如下結(jié)論。
1) 在間隔層的裝配間隔效果可控性方面,氣凝膠間隔層最優(yōu),裝配出的不同批次高溫多層隔熱組件的隔熱性能一致性最好,不銹鋼絲網(wǎng)間隔層次之,突刺間隔層最差。
2) 在裝配間隔效果控制良好情況下,突刺間隔層高溫多層隔熱組件的隔熱效果優(yōu)于不銹鋼絲網(wǎng)間隔層高溫多層隔熱組件。
3) 在同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)中,高溫多層隔熱組件與濾光器形成一個光學(xué)腔,提高該光學(xué)腔封閉性,有利于提高熱量利用率,以達(dá)到較高熱源溫度。使用氣凝膠間隔層高溫多層隔熱組件時,光學(xué)腔封閉性最好,同位素?zé)峁夥娫礃訖C(jī)在輸入電功率250 W時,熱源溫度達(dá)到了1 038 ℃,初步滿足工程應(yīng)用需求。
猜你喜歡
煤氣與熱力(2021年3期)2021-06-09 06:16:20
魅力中國(2018年12期)2018-08-06 12:03:22
三聯(lián)生活周刊(2017年17期)2017-04-27 23:05:19
電焊機(jī)(2017年2期)2017-03-01 13:52:59
電子制作(2017年19期)2017-02-02 07:08:31
電源技術(shù)(2015年7期)2015-08-22 08:49:04
焊接(2015年8期)2015-07-18 10:59:13
中國工程咨詢(2015年2期)2015-02-14 02:59:14
同位素(2014年3期)2014-06-13 08:22:28
機(jī)械工程師(2014年2期)2014-04-21 06:49:43
