一種與流體回路耦合的板翅式相變換熱器設(shè)計及驗證

王巖 王玉瑩 付振東 吳顯林 陳靈 孟繁孔 于新剛 張紅星 曹劍峰

(北京空間飛行器總體設(shè)計部 航天器熱控全國重點實驗室,北京 100094)

隨著載人航天事業(yè)的不斷發(fā)展,我國正在推進載人登月的相關(guān)科研工作。月球軌道下航天器的外熱流波動極大,對航天器散熱能力提出了新的挑戰(zhàn),采用耦合相變材料的流體回路系統(tǒng)是一種可行的方案。相變材料的潛熱一般遠(yuǎn)大于顯熱,這使其能夠在很小的溫度變化范圍內(nèi)以很小的質(zhì)量代價存儲或釋放大量熱量,因此成為航天器熱控的理想選擇。通過利用相變材料熔化蓄熱、凝固放熱的特性,在陽照區(qū)航天器散熱能力不足時將無法排散的熱量暫時收集起來,等到航天器進入陰影區(qū)散熱能力較強時再將這部分熱量排散出去,并使相變材料凝固,最終實現(xiàn)整圈軌道上設(shè)備處于合適的溫度水平。

板翅式換熱器是工質(zhì)換熱常見的緊湊高效的換熱設(shè)備,既可用于流體工質(zhì)之間換熱,也可用于流體工質(zhì)與固體工質(zhì)(如凝固狀態(tài)的相變材料)換熱。它最早應(yīng)用于航空領(lǐng)域,早在20世紀(jì)30年代,英國馬爾斯頓-艾克歇爾瑟公司(Marston Excelsior Ltd.)采用浸漬釬焊方法生產(chǎn)了用于航空發(fā)動機的銅質(zhì)板翅式換熱器[1];之后的20年中,更輕巧的鋁質(zhì)釬焊板翅式換熱器問世,隨后在石油化工、冶金等空氣分離設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用[2]。板翅式換熱器憑借其緊湊的形式、優(yōu)異的換熱性能和較高的可靠度與成熟度,也成為國外內(nèi)航天器流體回路換熱設(shè)備的常見選擇[3-5]。例如:我國神舟飛船使用板翅式換熱器作為地面調(diào)溫和回路間的換熱設(shè)備。美國獵戶座飛船使用板翅式相變換熱器(充裝烷烴類相變材料)增強其流體回路系統(tǒng)月球軌道的散熱能力。文獻[6-7]中針對獵戶座飛船板翅式相變換熱器進行驗證分析和優(yōu)化工作。此外,文獻[8]中還使用相變點為28℃的烷烴類相變材料優(yōu)化獵戶座飛船上有效載荷的熱控。烷烴類相變材料兼具物理、熱、化學(xué)和機械性能,適合作為航天器用相變材料[9-11]。目前,國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)相變材料蓄熱的在軌應(yīng)用,如祝融號火星車上使用了3D打印殼體的相變板,但尚未有與流體回路耦合的相變換熱器的應(yīng)用。

本文針對月球軌道熱環(huán)境設(shè)計板翅式相變換熱器,其核心特征是可與流體回路直接耦合。對板翅式相變換熱器開展仿真和試驗分析,驗證了相變換熱器的蓄熱能力和出口流體溫度滿足情況,可用于載人航天器環(huán)月飛行熱控。

1 相變換熱器設(shè)計

本文設(shè)計的相變換熱器采用板翅式結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。相變換熱器芯體由相變層、回路1流體層與回路2流體層組成,結(jié)構(gòu)設(shè)計時每層相變側(cè)均為獨立結(jié)構(gòu)且沿長度方向分為2個腔體。芯體流體層與相變層采用間隔布置,將回路1流體層記作A,回路2流體層記作B,相變層記作C,則芯體排列方式為CBCACBCAC,相變層與流體層之間通過金屬板聯(lián)結(jié)。

圖1 相變換熱器設(shè)計狀態(tài)Fig.1 Design state of PCHE

當(dāng)航天器處于月球軌道時,由于陰影區(qū)與陽照區(qū)之間的月球紅外差異巨大,對應(yīng)航天器輻射器的散熱能力差異也非常顯著。因此,本文將相變換熱器串接于航天器熱控流體回路中,通過與流體回路耦合的方式調(diào)節(jié)航天器在不同外界熱環(huán)境條件下的散熱能力。相變換熱器位于輻射器出口,流體回路示意如圖2所示。相變換熱器一側(cè)為熱控流體回路工質(zhì),另一側(cè)為相變工質(zhì),采用液路耦合方式實現(xiàn)流體回路工質(zhì)與相變工質(zhì)的雙向換熱。

按照流體回路控溫8℃開展回路設(shè)備和輻射器設(shè)計。假設(shè)整個航天器散熱需求為2600W,環(huán)月軌道高度為200km,經(jīng)過初步設(shè)計與熱仿真得到環(huán)月軌道上相變換熱器流體側(cè)入口溫度。分析得到月球軌道外熱流條件下輻射器在1個軌道周期內(nèi)的散熱能力變化情況,見圖3。在1個軌道周期內(nèi),需要相變換熱器具備5000kJ的蓄熱能力,并且保證相變換熱器出口溫度控制在8℃以內(nèi)。

圖2 相變換熱器在流體回路中位置示意Fig.2 Diagram of PCHE in fluid loop

圖3 環(huán)月軌道1個軌道周期內(nèi)輻射器散熱能力仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of radiator heat dispassion capacity in a lunar orbit cycle

2 熱仿真分析

2.1 簡化假設(shè)

為了提高仿真效率,需要對復(fù)雜的板翅式相變換熱器進行抽象和簡化,得到既能夠準(zhǔn)確反映其物理機理又便于建模和仿真計算的理論模型。考慮到板翅式結(jié)構(gòu)在產(chǎn)品中周期性出現(xiàn),將模型簡化為1個基礎(chǔ)單元,見圖4。單元內(nèi)包括2塊相變換熱材料及其附近的平板和翅片,以及1/2個回路1流體通道和1/2個回路2流體通道。選擇2塊相變材料主要是考慮在高度方向上由于翅片和平板之間的焊接,相變材料實際與回路1流體和回路2流體的換熱情況差異明顯。此外,在1個基本單元中,左右兩側(cè)的翅片只包含實際產(chǎn)品中翅片厚度的1/2,因此左右兩側(cè)可以作為周期性邊界進行仿真,考慮到熱源和冷源都來自流體,可以進一步將邊界簡化為絕熱邊界?？紤]流體流動也存在對稱性,因此上下流體通道均只包含1/2的實際流體通道,流體與平板接觸的平面選擇無滑移邊界條件仿真,流體通道的中間平面(基礎(chǔ)單元模型中的流體通道不與平板接觸一側(cè)的邊界)按照滑移邊界條件仿真,流體通道內(nèi)的流量按照實際通流面積進行折算。模型在流體流動方向上的長度按照設(shè)計的相變材料總質(zhì)量進行折算。

圖4 簡化的相變換熱器基礎(chǔ)單元模型Fig.4 Simplified model of basic unit in PCHE

上述模型與實際相變換熱器內(nèi)部單個腔體的熱力學(xué)邊界相符,但是與實際相變換熱器位于邊緣上的腔體存在偏差。在航天器上,相變換熱器外表面包覆多層隔熱組件,在工作過程中也可以近似認(rèn)為是絕熱;此外,與邊界接觸的單元數(shù)占實際總單元數(shù)的比例較低,因此可以用1個基本單元模型的熱仿真結(jié)果估計整個相變換熱器的實際換熱特性。

2.2 仿真參數(shù)

本文選用烷烴類相變材料正十四烷,仿真中使用的物性參數(shù)見表1。

在仿真分析中,相變換熱器均串聯(lián)布置,入口流體溫度根據(jù)工況給定。計算過程為:先仿真第1個相變換熱器,給定入口溫度,得到第1個相變換熱器出口溫度;再仿真第2個相變換熱器,用第1個相變換熱器出口的溫度結(jié)果作為第2個相變換熱器的入口溫度,得到其出口溫度;依此類推,計算后續(xù)相變換熱器,每個相變換熱器的流體流量保持不變。初始狀態(tài)流體和相變材料的溫度均為5.5℃,相變材料為固態(tài),分析出口流體溫度和相變材料的熔化情況。

表1 正十四烷物性參數(shù)Table 1 Physical property parameters of n-tetradecane

2.3 結(jié)果分析

對相變換熱器開展仿真分析時,使用確定的相變換熱器流體側(cè)入口溫度開展計算。2條回路同時工作,仿真分析環(huán)月軌道2個周期內(nèi)5個串聯(lián)相變換熱器出口溫度,結(jié)果見圖5(圖中入口曲線所示的溫度為仿真分析的輸入)。每個相變換熱器蓄熱量結(jié)果見表2。5個相變換熱器之后,1個周期內(nèi)流體出口溫度不超過8℃,單個相變換熱器蓄熱能力超過1000kJ。蓄熱能力與溫度指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

在環(huán)月軌道2個周期內(nèi),5個串聯(lián)相變換熱器的相變材料熔化比例結(jié)果見圖6。前4個相變換熱器熔化比例最高均可達到100%,第5個相變換熱器相變材料熔化比例最高可達96.5%?？梢?本文相變換熱器設(shè)計合理,相變材料的利用效率高,5個相變換熱器的平均利用效率超過99%。

圖5 相變換熱器出口流體溫度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of PCHE fluid outlet temperature

表2 相變換熱器蓄熱量仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of PCHE heat storage capacity kJ

圖6 相變材料熔化比例結(jié)果Fig.6 Results of melting ratio of PCM

為了更好地分析相變腔內(nèi)相變材料的熔化過程,對僅有回路1流體側(cè)流體流過進行仿真分析。流體入口溫度與2條回路同時工作時相同,分析腔體內(nèi)部相變材料的熔化過程。第1個串聯(lián)相變換熱器中相變材料詳細(xì)熔化情況,見圖7。相變材料從流體側(cè)表面開始熔化,之后由于翅片和殼體的導(dǎo)熱性能優(yōu)于相變材料,因此相變材料從四周向中間熔化,30min時出口附近完全熔化。

圖7 相變換熱器入口處相變材料溫度與熔化比例Fig.7 PCM temperature and melting ratio near PCHE inlet region

3 性能試驗驗證

3.1 試驗條件

按照本文設(shè)計相變換熱器結(jié)構(gòu)研制原理樣機,并搭建回路試驗臺開展性能試驗。相變換熱器性能測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 相變換熱器換熱性能測試系統(tǒng)Fig.8 PCHE performance test system

3.2 試驗結(jié)果

在相變換熱器工質(zhì)熔化和凝固循環(huán)過程中,相變換熱器流體側(cè)進出口溫度變化和溫度分布如圖9所示。2條回路運行時,雙回路相變換熱器溫度均勻性較好。相變換熱器相變工質(zhì)在預(yù)定的時間內(nèi)可以完全熔化和凝固,在給定的流體入口溫度條件下保持出口溫度在750s內(nèi)不超過8℃,實際蓄熱量為1070kJ,滿足蓄熱量與溫度指標(biāo)要求。

圖9 相變換熱器流體進出口溫度試驗結(jié)果Fig.9 Test results of PCHE fluid inlet and outlet temperature

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種與流體回路耦合的板翅式相變換熱器,分析了其內(nèi)部換熱特性和相變材料熔化與凝固過程,獲得了相變換熱器的蓄熱能力和出口流體溫度情況,搭建性能試驗系統(tǒng)并開展試驗分析,從而進一步驗證了相變換熱器設(shè)計的合理性。本文提出的耦合相變換熱器的流體回路方案,可作為載人航天器月球軌道飛行的有效熱控手段。