一种与流体回路耦合的板翅式相变换热器设计及验证

2024-01-14王岩王玉莹付振东吴显林陈灵孟繁孔于新刚张红星曹剑峰

航天器工程 2023年6期

王岩王玉莹付振东吴显林陈灵孟繁孔于新刚张红星曹剑峰

(北京空间飞行器总体设计部航天器热控全国重点实验室,北京 100094)

随着载人航天事业的不断发展,我国正在推进载人登月的相关科研工作。月球轨道下航天器的外热流波动极大,对航天器散热能力提出了新的挑战,采用耦合相变材料的流体回路系统是一种可行的方案。相变材料的潜热一般远大于显热,这使其能够在很小的温度变化范围内以很小的质量代价存储或释放大量热量,因此成为航天器热控的理想选择。通过利用相变材料熔化蓄热、凝固放热的特性,在阳照区航天器散热能力不足时将无法排散的热量暂时收集起来,等到航天器进入阴影区散热能力较强时再将这部分热量排散出去,并使相变材料凝固,最终实现整圈轨道上设备处于合适的温度水平。

板翅式换热器是工质换热常见的紧凑高效的换热设备,既可用于流体工质之间换热,也可用于流体工质与固体工质(如凝固状态的相变材料)换热。它最早应用于航空领域,早在20世纪30年代,英国马尔斯顿-艾克歇尔瑟公司(Marston Excelsior Ltd.)采用浸渍钎焊方法生产了用于航空发动机的铜质板翅式换热器[1];之后的20年中,更轻巧的铝质钎焊板翅式换热器问世,随后在石油化工、冶金等空气分离设备上得到广泛应用[2]。板翅式换热器凭借其紧凑的形式、优异的换热性能和较高的可靠度与成熟度,也成为国外内航天器流体回路换热设备的常见选择[3-5]。例如:我国神舟飞船使用板翅式换热器作为地面调温和回路间的换热设备。美国猎户座飞船使用板翅式相变换热器(充装烷烃类相变材料)增强其流体回路系统月球轨道的散热能力。文献[6-7]中针对猎户座飞船板翅式相变换热器进行验证分析和优化工作。此外,文献[8]中还使用相变点为28℃的烷烃类相变材料优化猎户座飞船上有效载荷的热控。烷烃类相变材料兼具物理、热、化学和机械性能,适合作为航天器用相变材料[9-11]。目前,国内已经实现相变材料蓄热的在轨应用,如祝融号火星车上使用了3D打印壳体的相变板,但尚未有与流体回路耦合的相变换热器的应用。

本文针对月球轨道热环境设计板翅式相变换热器,其核心特征是可与流体回路直接耦合。对板翅式相变换热器开展仿真和试验分析,验证了相变换热器的蓄热能力和出口流体温度满足情况,可用于载人航天器环月飞行热控。

1 相变换热器设计

本文设计的相变换热器采用板翅式结构形式,如图1所示。相变换热器芯体由相变层、回路1流体层与回路2流体层组成,结构设计时每层相变侧均为独立结构且沿长度方向分为2个腔体。芯体流体层与相变层采用间隔布置,将回路1流体层记作A,回路2流体层记作B,相变层记作C,则芯体排列方式为CBCACBCAC,相变层与流体层之间通过金属板联结。

图1 相变换热器设计状态Fig.1 Design state of PCHE

当航天器处于月球轨道时,由于阴影区与阳照区之间的月球红外差异巨大,对应航天器辐射器的散热能力差异也非常显著。因此,本文将相变换热器串接于航天器热控流体回路中,通过与流体回路耦合的方式调节航天器在不同外界热环境条件下的散热能力。相变换热器位于辐射器出口,流体回路示意如图2所示。相变换热器一侧为热控流体回路工质,另一侧为相变工质,采用液路耦合方式实现流体回路工质与相变工质的双向换热。

按照流体回路控温8℃开展回路设备和辐射器设计。假设整个航天器散热需求为2600W,环月轨道高度为200km,经过初步设计与热仿真得到环月轨道上相变换热器流体侧入口温度。分析得到月球轨道外热流条件下辐射器在1个轨道周期内的散热能力变化情况,见图3。在1个轨道周期内,需要相变换热器具备5000kJ的蓄热能力,并且保证相变换热器出口温度控制在8℃以内。

图2 相变换热器在流体回路中位置示意Fig.2 Diagram of PCHE in fluid loop

图3 环月轨道1个轨道周期内辐射器散热能力仿真结果Fig.3 Simulation results of radiator heat dispassion capacity in a lunar orbit cycle

2 热仿真分析

2.1 简化假设

为了提高仿真效率,需要对复杂的板翅式相变换热器进行抽象和简化,得到既能够准确反映其物理机理又便于建模和仿真计算的理论模型。考虑到板翅式结构在产品中周期性出现,将模型简化为1个基础单元,见图4。单元内包括2块相变换热材料及其附近的平板和翅片,以及1/2个回路1流体通道和1/2个回路2流体通道。选择2块相变材料主要是考虑在高度方向上由于翅片和平板之间的焊接,相变材料实际与回路1流体和回路2流体的换热情况差异明显。此外,在1个基本单元中,左右两侧的翅片只包含实际产品中翅片厚度的1/2,因此左右两侧可以作为周期性边界进行仿真,考虑到热源和冷源都来自流体,可以进一步将边界简化为绝热边界。考虑流体流动也存在对称性,因此上下流体通道均只包含1/2的实际流体通道,流体与平板接触的平面选择无滑移边界条件仿真,流体通道的中间平面(基础单元模型中的流体通道不与平板接触一侧的边界)按照滑移边界条件仿真,流体通道内的流量按照实际通流面积进行折算。模型在流体流动方向上的长度按照设计的相变材料总质量进行折算。

图4 简化的相变换热器基础单元模型Fig.4 Simplified model of basic unit in PCHE

上述模型与实际相变换热器内部单个腔体的热力学边界相符,但是与实际相变换热器位于边缘上的腔体存在偏差。在航天器上,相变换热器外表面包覆多层隔热组件,在工作过程中也可以近似认为是绝热;此外,与边界接触的单元数占实际总单元数的比例较低,因此可以用1个基本单元模型的热仿真结果估计整个相变换热器的实际换热特性。

2.2 仿真参数

本文选用烷烃类相变材料正十四烷,仿真中使用的物性参数见表1。

在仿真分析中,相变换热器均串联布置,入口流体温度根据工况给定。计算过程为:先仿真第1个相变换热器,给定入口温度,得到第1个相变换热器出口温度;再仿真第2个相变换热器,用第1个相变换热器出口的温度结果作为第2个相变换热器的入口温度,得到其出口温度;依此类推,计算后续相变换热器,每个相变换热器的流体流量保持不变。初始状态流体和相变材料的温度均为5.5℃,相变材料为固态,分析出口流体温度和相变材料的熔化情况。

表1 正十四烷物性参数Table 1 Physical property parameters of n-tetradecane

2.3 结果分析

对相变换热器开展仿真分析时,使用确定的相变换热器流体侧入口温度开展计算。2条回路同时工作,仿真分析环月轨道2个周期内5个串联相变换热器出口温度,结果见图5(图中入口曲线所示的温度为仿真分析的输入)。每个相变换热器蓄热量结果见表2。5个相变换热器之后,1个周期内流体出口温度不超过8℃,单个相变换热器蓄热能力超过1000kJ。蓄热能力与温度指标满足设计要求。

在环月轨道2个周期内,5个串联相变换热器的相变材料熔化比例结果见图6。前4个相变换热器熔化比例最高均可达到100%,第5个相变换热器相变材料熔化比例最高可达96.5%。可见,本文相变换热器设计合理,相变材料的利用效率高,5个相变换热器的平均利用效率超过99%。

图5 相变换热器出口流体温度仿真结果Fig.5 Simulation results of PCHE fluid outlet temperature

表2 相变换热器蓄热量仿真结果Table 2 Simulation results of PCHE heat storage capacity kJ

图6 相变材料熔化比例结果Fig.6 Results of melting ratio of PCM

为了更好地分析相变腔内相变材料的熔化过程,对仅有回路1流体侧流体流过进行仿真分析。流体入口温度与2条回路同时工作时相同,分析腔体内部相变材料的熔化过程。第1个串联相变换热器中相变材料详细熔化情况,见图7。相变材料从流体侧表面开始熔化,之后由于翅片和壳体的导热性能优于相变材料,因此相变材料从四周向中间熔化,30min时出口附近完全熔化。

图7 相变换热器入口处相变材料温度与熔化比例Fig.7 PCM temperature and melting ratio near PCHE inlet region

3 性能试验验证

3.1 试验条件

按照本文设计相变换热器结构研制原理样机,并搭建回路试验台开展性能试验。相变换热器性能测试系统如图8所示。

图8 相变换热器换热性能测试系统Fig.8 PCHE performance test system

3.2 试验结果

在相变换热器工质熔化和凝固循环过程中,相变换热器流体侧进出口温度变化和温度分布如图9所示。2条回路运行时,双回路相变换热器温度均匀性较好。相变换热器相变工质在预定的时间内可以完全熔化和凝固,在给定的流体入口温度条件下保持出口温度在750s内不超过8℃,实际蓄热量为1070kJ,满足蓄热量与温度指标要求。