浴油调温型真空热模拟器热特性研究

周于梦秋，孙兴华，肖显斌，丁保迪，刘守文（.华北电力大学，北京 006；.北京卫星环境工程研究所，北京 006）

浴油调温型真空热模拟器热特性研究

周于梦秋1，孙兴华2，肖显斌1，丁保迪1，刘守文2（1.华北电力大学，北京 102206；2.北京卫星环境工程研究所，北京 102206）

通过传热分析，建立浴油调温型热真空模拟器各环节的换热模型。在已建立的换热子模型基础上运用稳态增进的方法，将各环节进行迭代联动，得出试验试件在整体试验操作作用下的温度响应曲线。根据试件的温度响应曲线，提出适当油温预判值策略，优化控温操作。该控温策略通过验证，具有明显缩短试验中温度响应时间的效果。

真空热模拟器；温度响应；预判值

0 引言

浴油调温型真空热模拟器与其他换热介质的真空热试验设备一样，是为即将投入宇宙空间执行工作的航天设备，提供一个模拟宇宙空间冷黑环境的试验设备。基本结构由筒体、热沉、冷板和筒体外的加热装置和制冷机组成。工作方式是通过将被测试件置于冷板上，当需要测试试件在某一特定温度和压力条件下的工作性能时，首先调节加热、制冷装置改变其中的介质温度，介质流通于冷板和热沉管道内进行换热，使处于真空热环境下的试件尽快达到试验目标温度。

调温方式通常可以通过多次试验摸索出一定规律，但缺乏相应理论基础。同时，目前的控温速度和控温精度还不足以满足试验要求。文章对整个系统的非稳态传热特性的研究就是为了使控温方式更具有普遍性和适应性，同时提高控温速度和控温精度。

1 设备结构与参数

从不同型号的热真空设备设计相关文献，例如VM800型[1]、VM1000型[2]，可以看出热真空设备的主要结构。试验设备基本由真空容器、热沉系统、制冷系统、真空系统以及测控系统组成[2]。在制冷方式上，通常有液氮制冷、制冷剂制冷、气氮调温和浴油调温等，加热方式还会有红外加热笼调温方式。不同的制冷方式相应的温度调节范围也各不相同，其中浴油调温的温度范围由-70～150℃，原理如图1所示。

图1 试验设备简图Fig.1 Test equipment diagram

该设备和其他类型的真空热试验设备类似，主要由容器真空系统、热沉与调温系统等组成。试验设备的原理是通过加热器、压缩型制冷机对油介质进行温度控制，通过油介质来对冷板、热沉进行升降温，产品试件安装在冷板表面，通过导热对冷板进行高低温控制，热沉和试件安装平台都设置油介质通道。鉴于真空热试验设备中核心技术是真空技术和传热技术[3]，主要通过传热学分析其传热过程，不考虑设备详细结构影响。热沉与冷板材料为紫铜，试件默分别认为铝制平板、圆柱、球体模型试件，导热介质为油。

2 换热子模型[4]

根据设备运行原理，可以从加热器、压缩制冷机开始到试件的温度传递过程分为七个换热步骤。首先是热沉空载时，与一定温度的油介质进行对流换热；实际上冷板也属于一种热沉[5]，因此也考虑冷板内管壁与油介质之间存在的对流换热方式；油介质在加热器管道中的换热方式也属于对流换热范畴；其次是热沉与试件之间的辐射换热；同样热沉与冷板之间的换热方式也是辐射换热；而冷板与置放在其上的试件既有辐射换热亦存在热传导过程。换热环节关系如图2所示。

图2 换热环节关系简图Fig.2 The heat exchange link relationship diagram

2.1 对流换热

（1）对流换热热沉空载时与油介质[6]、冷板内管壁与油介质温度关系如式（1）：代入设定参数得：

式中：t为热沉或冷板温度，K；t0为热沉或冷板初始温度，K；t∞为热沉管内油介质温度，K；τ为时间参数，s；h为表面换热系数，W/（m2·K）；ρ为热沉材料的密度，kg/m3；c为热沉、冷板的比热容，J/（kg·K）；V为热沉材料的体积，m3；

（2）油介质与加热器温度关系如式（3）：

式中：t′f、t″f分别为油介质管道入口温度与管道出口温度，K；tw为管壁的初始温度，K；h为表面换热系数，W（/m2·K）；c为油介质的比热容，J（/kg·K）；A为管道换热体积，m3；d为管道直径，m；l为管道长度，m；qm为质量流量，kg/s。

2.2 辐射换热

（1）一定温度的热沉与试件产品及热沉与冷板换热如式（4）：

式中：Tw和T2为冷板表面温度，K；T1为热沉温度，K；A为试件表面面积，m2；ε为试件发射率；σ为史蒂芬玻尔兹曼常数5.67×10-8，W/（m2·K）；ρ为冷板材料的密度，kg/m3；c为冷板的比热容，J/（kg·K）；V为冷板的体积，m3；

（2）冷板外管壁与试件间-辐射换热

当考虑冷板外管壁与试件的辐射换热时，由于冷板外管壁与试件之间存在直接接触，发生热传导，所以应该同时考虑辐射与热传导的联合作用，有文献表示利用数值计算解法，计算空气隙下稳态作用过程辐射与热传导。但是，斯特凡波尔兹曼公式Φ=εAσT4表明，式中史蒂芬玻尔兹曼常数σ为5.67×10-8W/（m2·K4），该设备调节温度范围约为200~400 K，因此非高温情况下，辐射传热量很小。可知相比于直接接触的热传导，辐射传热量较小。

因此，为了更方便的获取系统内部非稳态传热特性，简化系统非稳态传热过程的运算，此处考虑忽略计算热沉（冷板）与试件、冷板外管壁与试件间的辐射换热。

2.3 热传导换热

正规状况阶段的简化解法有拟合公式法与诺谟图法，采用拟合公式分析解的方法，如式（5）：

表1为试件系数。

表1 试件系数[6]Table1 Specimen Coefficient

代入具体数值有：

（1）平板试件

式中：tw为冷板温度，K；t0为试件初始温度，K；t为试件温度，K；τ为时间项，s。

（2）圆柱试件

式中：tw为冷板温度，K；t0为试件初始温度，K；t为试件温度，K；τ为时间项，s。

（3）球体试件

式中：tw为冷板温度，K；t0为试件初始温度，K；t为试件温度，K；τ为时间项，s。

无论是以平板、圆柱还是球体为模型的试件，温度变化速率与时间都成对数关系。

3 子模型联动

通过将系统内的换热方式简化独立成七种换热类型，得出相应温度与时间的变化关系。现将选取适当时间步长将系统内的换热方式整合到一起，从而得出特定条件下整个试验装置内的温度响应过程。

时间步长就是一个时间小量Δτ。通过计算某个时间节点上的温度值，在移动一个时间步长Δτ的情况下到达下个时间节点，计算下一节点上的温度值时同时将上个节点计算出的温度值作为该节点已知的温度条件，迭代上个节点的计算值，以此类推，直到完成计算最后一个时间节点上的温度值，这样就得到了整个温度场分布。选择时间步长就是用一种数值解的方法来描述动态的温度场。在已经建立的数学模型条件下，结合从数学模型解析出温度与时间的关系，选取1 s单位时间步长，逐个时间层的迭代推出整体温度场分布。

转温工况示例：油介质、热沉、冷板、试件的稳定温度为250 K，加热器制冷机处制动，调节油介质通流换热管道管壁温度为400 K。转温工况调条件下，平板、圆柱、球体的温度响应曲线为图3～图5，由温度响应曲线可看出，由调温装置到油介质，油介质到冷板，冷板到试件的温度变化存在时滞性。同时温度相应阶段可以分为快速响应阶段（初始0~300 s范围内）及慢速响应阶段（300 s之后）。慢速响应阶段很大程度上影响了试件达到目标温度的时间，降低试验过程的控温速度，影响控温精度。

图3 平板试件1 500 s内温度变化图Fig.3 Temperature variation of 1 500 s in flat plate specimen

图4 圆柱试件1 500 s内温度变化图Fig.4 Temperature variation of 1500 s in cylindrical specimen

图5 球体试件1 500 s内温度变化图Fig.5 Temperature variation of 1 500 s in sphere specimen

4 油温预判值影响

4.1 油温预判值

当进行浴油调温型真空热模拟实验时，不论是启动或者转温工况，都能得知一个初始条件和试件目的温度。此时，要求依据模型给出对油温的预判，就是指确定加热器和压缩制冷机处调节变温温度的温度值，即温度变化曲线中设定的管壁温度值。从上述温度响应图中可以看出，试件温度最终都能到达一开始设定的温度预判值，只是需要相当长的时间去实现，因此这不是一个有意义的预判值。针对实验条件设置适宜的油温预判值才能缩短调温时间提高设备利用效率。从试件的温度响应曲线上来看，温度响应过程分为快速响应阶段、慢速响应阶段以及平稳响应阶段。对应曲线中斜率较大、中等以及平稳区域。缩短温度响应时间可从快速响应阶段入手，即提高预判值。

以平板试件的转温工况为例。对比油温预判值提高为410 K、420 K情况时的温度响应。

设置预判油温值（设定值）为410 K、420 K，0~ 1 500 s内的温度响应曲线如图6所示。

图6 温度变化曲线图Fig.6 Temperature change curve

由图3、图6可以看出，油温预判值不同，温度相应曲线不同。在图3中当试件需要400 K的油温预判值作用下，试件需要长于1 200 s，即20 min的时间来达到目的温度，不存在超温情况；在图6（a）中410 K的油温预判值作用下，需要约720 s，即12 min时长就可以达到目的温度400 K，在接近400 K时需要辅助调低管壁温度，否则会发生超温，超温范围400~410 K；在图6（b）中420 K的油温预判值作用下，需要约600 s时长，即10 min让试件达到400 K的目的温度，在接近目标温度时易发生超温作用，超温范围400~420 K，此时需要辅助调低管壁温度。

4.2 预判值策略

综合不同预判值的曲线，设置油温预判值与试件目的温度相同时，耗时长；而设置油温预判值越高越容易带来超温影响；因此建议参考温度响应曲线，在试件将要达到目的温度时就予以辅助调温处理，防止超温。根据分析总结提出一种控温策略：

浴油温度预判值=目标温度±|目标温度和初始温度差值|×0.5（升温为+，降温为-），为防止超温，经过200 s应立即改为试验规定的目标温度。温度变化范围为203～423 K，若是预判值超出温度范围，将设定极限值为预判值。在这种控温策略下，能大大缩短温度调节时间。

4.3 预判值策略示例

以273 K→373 K→223 K→273 K的温度循环过程为例。未使用控温策略时试件温度响应过程如图7所示。

图7 未执行控温策略温度响应状况图Fig.7 Temperature response diagram of the temperature control strategy

使用控温策略时试件响应过程如图8所示，第一升温阶段预判值设定为423 K；第二降温阶段预判值设定为203 K；第三阶升温预判值段设定为298 K。在调整预判值200 s后恢复原始设定，以免超温（升降温超过温度范围，选择界限温度）。

图8 执行控温策略温度响应状况Fig.8 Temperature response diagram chart of temperature control strategy

通过对比可以发现，在温度快速响应阶段使用控温策略情况下都有了很大的改善。

273～373 K室温开始升温阶段，未使用控温策略对比使用控温策略的温度响应时间为1 500～1 100 s，与未优化相比节省约7 min；373～223 K降温阶段，未使用控温策略对比使用控温策略的温度响应时间为1 500～1 300 s，与未优化相比节省了约3.3 min；223～273 K升温阶段，未使用控温策略对比使用控温策略的温度响应时间为1 450～1 250 s，与未优化相比节省了约5 min；

可以发现在该控温策略下，当目标温度与初始温度差值越大时，同时目标温度与上下限温度差值越大，其改善的温度响应效果越好越明显。在373～223 K降温阶段，由于浴油调温范围为203~ 423 K，因此其油温预判值只能选取到203 K，差值不大导致该阶段温度响应改善不明显。但总体而言，不论是升温过程、降温过程、温度循环过程，根据控温策略改善的温度响应时间有明显的缩短效果。

5 总结

浴油调温型真空热试验设备，作为宇宙空间冷黑环境的重要试验设备，通常需要对预太空试件进行多次试验。其试验过程的长短一定程度上影响了航天事业的发展进步。通过建立设备试验过程中各环节的传热模型，将各环节通过时间步长联动，可以得到某试验条件下的试件温度响应曲线。根据既得的温度响应曲线可以发现，在快速相应阶段适当调整油温预判值可大大缩短试验中的温度响应时间。但为了避免出现超温现象，需要辅助调温策略。

通过分析总结，提出一种优化试验过程、缩短试验时间的控温策略。浴油温度预判值=目标温度±|目标温度和初始温度差值|×0.5（升温为+，降温为-）。在该控温策略下，目标温度与初始温度差值越大、目标温度与上下限温度差值越大，其改善的温度响应效果越好。同时配置20 s时间限制，需将终温立即改为试验规定的目标温度。在此操控模式下，不但能有效提高温度响应速率，还能起到防止超温的作用。对于需要长期进行试验检验的真空热试验设备而言具有显著意义的。单次试验时间可能不足以明显显示出其优势，但对成千上万次数以累计的时间成本，提高设备试验效率效果卓然。

[1]马学焕，石国丽，姜春，等.VM800型真空热试验设备的研制[J].机械工程师，2012（7）：173-175.

[2]叶海峰，秦博，石国丽，等.VM1000型热真空试验设备的研制[J].制冷技术，2013，41（10）：62-69.

[3]杨冬甫.热真空试验技术与设备发展概述[J].中国仪器仪表，2008（9）：75-78.

[4]杨世铭.传热学［M］.第二版.北京：高等教育出版社，1999．

[5]孙娟，刘国青，裴一飞.真空条件下冷板传热分析[J].航天器环境工程，2010（1）：67-70.

6]闫格，杨建斌，刘强，等.腰三角形热真空环模试验中温度参数的探讨[J].真空与低温，2011，17（1）：32-36.

THERMAL CHARATERISTIC STUDY ON THERMAL VACUUM SIMULATOR DEVICE

ZHOU Yu Meng-qiu1，SUN Xing-hua2，XIAO Xian-bin1，DING Bao-di1，LIU Shou-wen2
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Satellite Environment Engineering Research Institute，Beijing 102206，China）

Through thermal analysis，several heat transfer models of the thermal vacuum simulator were bulit.Based on the thermal models，we integrate all parts of the system by using stable step.And the temperature response curves of the test specimen were obtained.According to the temperature response curves，an appropriate method of prediction of temperature set value was proposed，and control of temperature during the tests was optimized.The temperature control strategy is verified，which has a significant effect on reducing the temperature response time.

thermal vacuum simulator；temperature response；predictive value

V416.5

A

1006-7086（2017）01-0031-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.006

2016-10-12

周于梦秋（1992-），女，北京人，硕士研究生，主要从事生物质/废弃物/化石燃料高效清洁利用的理论与应用。E-mail:xiaoxianbin@tsinghua.org.cn。