基于水蒸发器的高速飞行器电子设备冷却性能研究

李漫露，庞丽萍，马德胜

（1.北京动力机械研究所，北京 100074；2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191）

0 引言

高速飞行器技术作为航空和航天技术的结合点，以其显著的价值和巨大的潜力成为世界大国竞相发展的热点领域。2010年5月，美国空军发布《技术远景2010-2030》，提出美军未来所需的30项关键核心技术，其中快速战场监视和侦察/打击系统、高速突防巡航导弹和可重复使用航天运载器等多项核心技术均与高速飞行器技术有关[1-2]。高速飞行器电子设备集成化程度高且数量多，使得对飞行器电子设备散热的研究显得尤为重要。对于飞行器电子设备散热问题，传统的方法是以冲压空气为热沉[3-8]，以防冻液作为制冷剂对电子设备进行冷却。随着飞行器飞行速度的提高和电子设备释放的热量越来越多，传统的冷却方式已无法满足高速飞行器电子设备的冷却需求，需要开发更加高效的制冷方式。基于高空低气压条件下液态水具有较大的蒸发潜热的特点，本文以水为热沉，采用防冻液冷却电子设备的制冷方式，分析高空环境下水的相变换热性能，为高速飞行器电子设备在低压环境下的冷却研究提供参考。

1 电子设备冷却系统

机载电子设备冷却系统如图1所示，系统由水蒸发器、储液箱、泵、脉冲电子设备、恒定电子设备以及控制阀等主要组件构成。其中脉冲电子设备是周期为4 ms且峰值功率为15 kW的电子设备；恒定电子设备的功率不随时间变化，为一恒定数值。

图1 机载电子设备冷却系统图Fig.1 Cooling system of airborne electronic equipment

1.1 冷却原理

冷却系统中防冻液的循环方式为常压闭环流通。308 K的防冻液由液冷泵从储液箱内抽出，首先流经脉冲电子设备，防冻液温度升至328 K左右；然后流经恒定功率的恒定电子设备，防冻液温度升高至343 K左右；随后防冻液进入水蒸发器中，通过换热器将热量传递给水，水在低压环境下吸热沸腾相变，降温后的防冻液再次流入储液箱，完成一次制冷循环。

1.2 冷却工况

高速飞行器巡航高度为27 km，脉冲电子设备温度不能超过333 K，恒定电子设备的温度不能超过343 K；防冻液的质量流量约为0.25 kg/s；由于外界环境压力约为2 kPa左右，此时水的沸点温度约为293 K左右，水吸收防冻液热量升温后易发生相变；为了使水蒸发器内的水蒸气更易溢出，对水箱抽气，水箱内的压力略高于所处外界环境200 Pa左右。

2 仿真建模

2.1 水蒸发器模型

针对水蒸发器中换热器的防冻液侧和水侧进行了换热量计算，其中，水侧换热量分为两种：一种是水箱内水升温过程吸收的显热；另一种是水箱内水蒸发带走的潜热。

防冻液侧换热量计算：

式中：Q为防冻液侧换热量，kW；mg为防冻液侧质量流量，kg/s；Cpg为防冻液的定压比热，kJ/（kg·K）；为防冻液入口温度，K；为防冻液出口温度，K。

水箱内水升温过程吸收的热量：

式中：Q1为水升温过程吸收的热量，kW；mw为水箱内水的质量，kg；Cpw为水的定压比热，kJ/（kg·K）；tv为水的蒸发温度，K；tw为水的初始温度，K。

水箱内水沸腾带走的潜热：

式中：Q2为水蒸发带走的潜热，kW；Δmv为水的蒸发量，kg；r为水的气化潜热，kJ/kg。

由能量守恒Q=Q1+Q2并结合式（1）（2）和（3）可以得出水箱内水的蒸发量计算公式：

水蒸发器热力学数学模型遵循以下热力学公式，在压力低于4 MPa时，水蒸发器的过热度与对流换热系数计算如式（5）（6）。

式中：Tw为壁面温度，K；Ts为水的沸点温度，K；q为热流密度，W/m2；p为水蒸发器箱体内的压力，MPa。

式中：hpool为沸腾换热系数，W/（m2·K）。

2.2 仿真程序

建立基于AmeSim软件的仿真模型，如图2所示。包括：脉冲电子设备、恒定电子设备、水蒸发器、储液箱和泵等主要组件。

图2 基于Amesim软件的仿真模型Fig.2 Simulation model based on Amesim software

3 仿真结果与分析

3.1 边界条件

恒定电子设备冷却功率为5 kW。脉冲电子设备冷却平均功率为15 kW，如图3所示，其中脉冲电子设备为间歇发热热源，脉冲周期为4 ms，峰值为500 W/cm2。

图3 脉冲电子设备功率Fig.3 Power of pulse electronic equipment

电子设备冷却采用防冻液，仿真边界条件如表1所列。

表1 仿真边界条件Tab.1 Simulation boundary conditions

3.2 仿真结果分析

结合热力学第一定律进行仿真分析，得到了防冻液进出水蒸发器及脉冲电子设备的温度变化如图4和图5所示。

图4 防冻液进出脉冲电子设备温度Fig.4 Temperatures of antifreeze in and out of electronic equipment

图5 防冻液进出水蒸发器温度Fig.5 Temperatures of antifreeze at inlet and outlet water evaporator

由图4～5可以看出，防冻液流出脉冲电子设备时的温度约为331 K，防冻液进出恒定电子设备的温度分别为331 K与343 K，同时防冻液流出水蒸发器的温度为308.15 K，满足了机载电子设备冷却需求。

由图6可以看出，水蒸发器的耗水速率变化较小，约为0.008 kg/s。这是由于飞行器巡航阶段电子设备产生热量基本恒定，同时在巡航阶段由于高度没有发生改变，这就使得飞行器外界环境压力不变，从而使水的沸点基本不变。由图7可以看出，耗水量基本上与飞行时间呈正相关，在总电子设备工作时间内水蒸发器的总耗水量约为25 kg。

图6 水蒸发器的耗水速率Fig.6 Water consumption rate of water evaporator

图7 水蒸发器的耗水量Fig.7 Water consumption of water evaporator

4 结论

高速飞行器在巡航状态下，利用水蒸发器作为热沉对机载电子设备进行冷却。仿真分析结果表明，在整个飞行时间内，水蒸发器可以将防冻液的温度由343.15 K降至308.15 K，满足了防冻液进入脉冲电子设备温度不高于333 K的需求。此外，本方案采用液态水作为主要热沉吸收系统的热负荷，提高了换热性能，减少了对环境的污染，从而实现节能与经济的要求。