CN104483346B - 一种两相流体回路真空热性能试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相流体回路真空热性能试验方法。使用本发明能够对两相流体回路在不同工作温度下的传热能力和阻断性能进行测试、评估。本发明首先设计了一套真空热性能试验装置，然后根据该试验装置，通过控制模拟热源和散热板的温度控制两相流体回路的工作温度，设计试验方法，对两相流体回路的热传导和阻断性能进行测试。其中，温度传感器的布置有利于观察两相流体回路中氨工质的状态，查看两相流体回路中的各部件是否满足温度要求，同时还可以查看两相流体回路是否达到平衡。

Description

一种两相流体回路真空热性能试验方法

技术领域

本发明涉及航天器热控制技术领域，尤其涉及一种两相流体回路真空热性能试验方法。

背景技术

两相流体回路技术是近二十年来国内外重点发展的航天器热控制技术，主要包括环路热管技术、机械泵驱动两相流体回路技术、重力驱动两相流体回路技术等。重力驱动两相流体回路系统是解决嫦娥探月工程中巡视器和着陆器度过月夜的关键技术，通过两相流体回路系统，将同位素热源的热量带入到载荷舱内，保证载荷舱各设备的温度不至于过低。重力驱动两相流体回路的系统组成如图1所示，包括蒸发器1(包括丝网蒸发器7、液体分流器8和蒸气汇流器9)、蒸气管路2、冷凝管路3、储液器4、液体管路6和控制阀5，其中，冷凝管路3位于储液器4重力场上方，蒸发器1位于储液器4重力场的下方、并与同位素热源耦合安装，储液器4内液面和蒸发器1底部之间形成重力辅助高度差；储液器4通过液体管路6连接至蒸发器1入口，在液体管路6上设有控制阀5，蒸发器1出口依次通过蒸气管路2、冷凝管路3连接至储液器4，形成封闭的管路系统。为确保重力驱动两相流体回路在-50℃～70℃温度范围内具有良好的传热特性，选择氨作为工作介质。月夜期间，重力驱动两相流体回路控制阀5开启，启动重力驱动两相流体回路，将同位素核热源的热量引入探测器内部。月昼期间，重力驱动两相流体回路控制阀5关闭，关闭重力驱动两相流体回路，阻断同位素核热源向探测器内部传递热源。

为了保证重力驱动两相流体回路技术能够正常运行，同时保证在月夜时重力驱动两相流体回路能够传递满足系统所需要的传热量、在月昼时重力驱动两相流体回路系统能够正常阻断，必须对重力驱动两相流体回路进行真空试验，要求重力驱动两相流体回路在给定的稳态工作温度(即储液器4温度)下，重力驱动两相流体回路的稳态传热量和稳态传热温差(蒸发器1与储液器4之间的温差)满足技术指标。

由于重力驱动两相流体回路技术是航天器热控制的新型热控方法，没有固定的测试方式和测试方法。同时，考虑到月球恶劣的环境，重力驱动两相流体回路与同位素热源联合使用，此种情况下的传热能力、阻断性能的测试方法未见文献报道，需要自行摸索，从而指导重力驱动两相流体回路的在轨应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种两相流体回路真空热性能试验方法，能够对两相流体回路在不同工作温度下的传热能力和阻断性能进行测试、评估。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

步骤1，设计两相流体回路真空热性能试验装置：

所述试验装置包括散热板、控温加热器、多层隔热组件、温度传感器、模拟热源和回路支架；其中，散热板通过隔热垫隔热安装在回路支架的上部；两相流体回路的冷凝管路埋在散热板中，两相流体回路的储液器半埋在散热板中；两相流体回路中的蒸发器隔热安装在回路支架的下部；控温加热器安装在两相流体回路的蒸汽管路、储液器、控制阀和液体管路上；温度传感器安装在两相流体回路的蒸发器、蒸汽管路、冷凝管路、储液器、控制阀和液体管路、模拟热源以及散热板边缘区域上；多层隔热组件包裹在蒸汽管路、储液器、控制阀和液体管路上；模拟热源为RHU同位素电模拟热源，固定安装在蒸发器内；安装为散热板提供工作温度的散热板加热器，所述散热板加热器为安装在散热板外侧空间的红外加热器或者粘贴在散热板上的加热片；

步骤2，将回路支架放入真空仓中，抽真空，使得真空度小于2×10^-3Pa，设置储液器、控制阀、液体管路和蒸气管路上的控温加热器为自控状态，自控门限为-55℃～-30℃；设置散热板加热器的自控门限为-55℃～-30℃；

步骤3，向真空仓的热沉通液氮，降低真空仓温度至-150℃；将储液器的温度降至第一测试温度-50℃，且达到两相流体回路工况平衡；所述工况平衡为储液器温度在半小时维持不变或单调变化小于1℃/h；储液器的温度即为两相流体回路的工作温度；

步骤4，极限传热能力测试：

开启模拟热源，按照设定的步长增加模拟热源的加热功率，在每次增加模拟热源的加热功率的同时减小散热板加热器的加热功率，使储液器的温度维持在-50℃，且达到两相流体回路工况平衡，直至散热板加热器的加热功率为零或者因蒸发器的温度突升导致无法维持工况平衡；则散热板加热器的加热功率为零时或者蒸发器的温度突升前一平衡时刻的模拟热源的加热功率即为该工作温度下两相流体回路的极限传热能力；

步骤5，通过降低蒸发器的功率、同时增加散热板的功率，改变储液器的温度至各测试温度，依照步骤4的方法，获得各测试温度下两相流体回路的极限传热能力，其中，按照递升的方式改变储液器温度；

步骤6，两相流体回路阻断能力测试：

不同工作温度下，当两相流体回路运行在平衡工况时，保持模拟热源和散热板加热器的加热功率不变，对控制阀进行开关操作，检查两相流体回路的阻断性能：如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不断升高后突升、散热板的温度不断降低，而重新开启控制阀后，蒸发器温度降低、散热板温度提升，直至达到工况平衡，表明两相流体回路阻断性能正常；如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不变或平稳升高，则表明两相流体回路阻断性能不正常。

其中，所述步骤3的降温过程中，开启模拟热源，使得两相流体回路运行，加快蒸发器的降温速率。

所述蒸发器安装在隔热板上，模拟热源放置在蒸发器的内部，模拟热源工装的耳片通过螺钉和隔热垫固定在隔热板上，所述隔热板通过4个隔热柱固定安装在回路支架上。

所述隔热板、隔热垫和隔热柱材料为聚酰亚胺或玻璃钢。

所述散热板的基板为铝板或蜂窝板，散热板的表面粘贴有OSR片或喷涂高发射率的涂层。

所述温度传感器的安装位置为：

蒸发器的4个翅片上沿高度方向分别布置至少2个温度传感器，其中一个位于蒸发器翅片的下端，一个位于蒸发器翅片的上端；

蒸气管路的进口、顶部和出口处分别布置1个温度传感器；

冷凝管路的进口、出口分别布置1个温度传感器，在冷凝管路的翅片上布置至少1个温度传感器；

储液器的外表面沿高度方向布置3个温度传感器，分别位于储液器的气空间、气液界面和液体空间；

连接储液器和控制阀的液体管路上布置至少1个温度传感器，在连接控制阀和蒸发器的液体管路上布置至少1个温度传感器；

控制阀上布置1个温度传感器；

模拟热源上布置至少1个温度传感器；

散热板的内表面的边缘区域布置至少1个温度传感器。

所述控温加热器为加热片、加热丝、加热带或加热板。

有益效果：

(1)采用本发明可对两相流体在真空环境下的传热能力和阻断性能进行全面、有效的评估。

(2)由于冷凝管路和蒸发器降温速率不同，在降温过程中加大模拟热源的加热功率可以使得蒸发器的温度提升，两相流体回路中的氨工质将蒸发器的热量传递至冷凝管路，能够提高蒸发器的降温速率。

(3)散热板的基板选为铝板或蜂窝板，在其表面粘贴OSR片或喷涂高发射率的涂层，有利于提高散热板的散热率。

(4)温度传感器的布置有利于观察两相流体回路中氨工质的状态，查看两相流体回路中的各部件是否满足温度要求，同时还可以查看两相流体回路是否达到平衡。

附图说明

图1为重力驱动两相流体回路系统组成示意图。

图2为两相流体回路真空热性能试验装置示意图。

图3为两相流体回路蒸发器的安装示意图。

图4为两相流体回路上的温度传感器的布置示意图。

图5为散热板(包括冷凝管路)上温度传感器的布置示意图。

其中，1-蒸发器，2-蒸汽管路，3-冷凝管路，4-储液器，5-控制阀，6-液体管路，7-丝网蒸发器，8-液体分流器，9-蒸汽汇流器，10-真空仓，11-散热板，12-隔热板，13-隔热垫，14-隔热柱，15-模拟热源，16-红外加热器，17-回路支架。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种两相流体回路真空热性能试验方法，该方法基于如图2所示的试验装置进行试验测试，所述试验装置包括散热板11、控温加热器、多层隔热组件、温度传感器、模拟热源15和回路支架17。

其中，两相流体回路和散热板11隔热安装在回路支架17上，散热板11用隔热垫隔热安装在回路支架17的上部，用于模拟两相流体回路在轨的散热部分；两相流体回路的冷凝管路3埋在散热板11中，两相流体回路的储液器4半埋在散热板11中，位于冷凝管路3的出口处；两相流体回路中的蒸发器1隔热安装在回路支架17的下部，位于冷凝管路3的下方；控温加热器安装在两相流体回路的蒸汽管路2、储液器4、控制阀5和液体管路6上，防止管路冻结；温度传感器安装在两相流体回路的蒸发器1、蒸汽管路2、冷凝管路3、储液器4、控制阀5和液体管路6，以及散热板11上，用于测量两相流体回路各部件以及散热板的温度，检测两相流体回路的运行情况；多层隔热组件安装在蒸汽管路2、储液器4、控制阀5和液体管路6上，用来防止管路部分环境漏热，模拟在轨工况；模拟热源15采用RHU同位素电模拟热源，固定安装在蒸发器1内，用来模拟同位素加热器件，模拟热源15同时也是蒸发器1的控温加热器；回路支架17放置在真空仓10中，真空仓10提供温度不大于80K，真空度小于2×10^-3pa的真空环境。

其中，散热板的基板可以采用铝板或蜂窝板等导热性能较好的材料制成，其外表面粘贴有OSR片，或喷涂高发射率的涂层，从而有利于散热。

蒸发器1、模拟热源15与回路支架17之间的隔热方式如图3所示，蒸发器1安装在隔热板12上，模拟热源15放置在蒸发器1的内部，模拟热源15工装的耳片通过螺钉和隔热垫13固定在隔热板12上，所述隔热板12通过4个隔热柱14固定安装在回路支架17上。其中，隔热板12、隔热垫13和隔热柱14材料为聚酰亚胺或玻璃钢等导热率低的材料。液体分流器8下表面与隔热板12上表面间的距离大于10mm，隔热板12与回路支架17间的有效隔热距离大于100mm。

温度传感器为热电偶温度传感器，其布置如图4所示。在两相流体回路上布置34个温度传感器：

①在蒸发器1的4个翅片上沿高度方向由下至上分别均匀布置3个温度传感器，共12个，编号T1～T12，也可以只在蒸发器翅片的下端和上端布置传感器，主要是用于测量蒸发器中液态工质和气态工作的温度，从而反应蒸发器1的工作状态。

②在蒸气管路2的进口、顶部和出口处分别布置1个温度传感器，编号分别为T13、T14和T15。

③在冷凝管路3的进口、出口及冷凝管路上布置9个温度传感器，编号T16～T24，如图5所示；冷凝管路3一般安装有翅片，用于增大散热面积，温度传感器一般安装在翅片上。

④在储液器4的外表面沿高度方向布置3个温度传感器，编号T25～T27，分别用于测量储液器4中气体、气液界面和液体的温度。

⑤液体管路6分为两段，一段连接储液器3和控制阀5，另一段连接控制阀5和蒸发器1。其中，在连接储液器3和控制阀5的液体管路的中点处布置1个温度传感器，编号T28；在连接控制阀5和蒸发器1的液体管路的进口和出口处分别布置1个温度传感器，编号分别为T31和T32，也可以在连接控制阀5和蒸发器1的液体管路的中点处布置1个温度传感器。

⑥在控制阀5上布置温度传感器。若控制阀5由两个并行的阀(a阀和b阀)组成，则在a阀和b阀上分别布置1个温度传感器，编号分别为T29和T30；

⑦在模拟热源上布置2个温度传感器，编号为T33和T34；

⑧在散热板11的内表面的边缘区域布置4个温度传感器，编号为T35和T38，4个温度传感器距散热板边缘100mm，如图5所示。

温度传感器所在位置即为测点位置。

控温加热器可以是加热片、加热丝、加热带、加热板或其他加热方式，采用PID控制或通断控温的方式，主要是防止两相流体回路各部件被冻结。其中，储液器4上的控温加热器采用在储液器4上串联安装2个加热片实现；控制阀5上的控温加热器采用在控制阀5连接的液体管路上安装加热带，如图2所示的(测点28和测点29之间管路、测点29与测点31之间管路、测点28与测点30之间管路、侧点30与测点31之间管路)分别安装1个加热带，4个加热带串联，每段管路长约50mm；液体管路6上的控温加热器采用在液体管路6上的测点31与测点32之间安装1个加热带实现；蒸气管路2上的控温加热器采用3个串联安装的加热带实现。

储液器4、控制阀5、液体管路6和蒸气管路2上的控温加热器主要起防止管路冻结的作用。

蒸发器1的温度控制依靠安装在其内部的模拟热源15实现。由于在传热过程中，同位素热源的热量被两相流体回路传递带走，同位素热源自身表面的温度会降低到与蒸发器的温度一致。

冷凝管路2预埋在散热板11中，与散热板11的温度基本一致，散热板11的温度控制依靠安装在散热板11外侧的红外加热器16或者是粘贴在散热板上的加热片实现。

其中，控制散热板11的温度为-60℃～50℃。由于两相流体回路运行过程中氨工质的热传递作用，蒸发器1、蒸汽管路2、冷凝管路3、储液器4、控制阀5和液体管路6的温度基本在-55℃～50℃范围内。其中，储液器4的温度即为两相流体回路的工作温度。

选择测点T1(蒸发器1下部，靠近液体管路6的出口)、T3(蒸发器1上部，靠近蒸气管路2的进口)、T14(蒸气管路2中部)、T17(冷凝管路3进口)、T23(冷凝管路3出口)、T25(储液器4上部，即储液器气空间)、T27(储液器下部)、T29～T30(控制阀a和控制阀b)、T31(液体管路6进口)、T35～T38(散热板11的4个角)为温度监测点，监控模拟热源15、散热板11和两相流体回路是否满足温度要求，同时，通过比较温度监测点与其他测点的温度，判断是否达到平衡。

利用上述试验装置进行重力驱动两相流体回路真空热性能试验，测试重力驱动两相流体回路在不同的工作温度下的极限传热性能和阻断性能。其中，两相流体回路的工作温度为储液器4的温度，测试过程中，依靠改变蒸发器1和散热板11的温度改变储液器4的温度，储液器4、控制阀5、液体管路6和蒸气管路2上的控温加热器仅用于防止两相流体回路中各部件被冻结，具体实现步骤如下：

步骤1，将回路支架17放入真空仓10中，抽真空(真空度小于2×10^-3pa)，设置储液器4、控制阀5、液体管路6和蒸气管路2上的控温加热器为自控状态，自控门限为-55℃～-30℃，即当温度小于自控门限时，控温加热器自动开启，防止其被冻结。设置散热板加热器的自控门限为-55℃～-30℃。

步骤2，向真空仓的热沉通液氮，降低真空仓温度至-150℃，由于两相流体回路的蒸汽管路(2)、储液器(4)、控制阀(5)和液体管路(6)被多层隔热组件包裹，其降温速率慢，散热板的降温速率最快，为提高两相流体回路各部件的降温速率，在降温过程中，开启模拟热源15，使得两相流体回路运行，通过散热板中的冷凝管路带动蒸发器、储液器降温，加快蒸发器的降温速率，直到将储液器的温度降至-50℃，当储液器温度在半小时维持不变或单调变化小于1℃/h时，认为工况平衡。储液器的温度即为两相流体回路的工作温度。

步骤3，极限传热能力测试：按照一定的步长增加蒸发器的加热功率(即模拟热源的加热功率)，在每次增加模拟热源的加热功率的同时同步减小散热板加热器的加热功率，使储液器的温度维持在-50℃，每次加热功率调整后均需等待两相流体回路工况平衡，直至散热板加热器的加热功率为零或者因蒸发器的温度突升导致无法维持工况平衡。当散热板加热功率为0时，散热板达到此工作温度下的最大散热能力，蒸发器加热功率的继续提升会使得储液器的温度升高，不能继续维持在-50℃。当蒸发器的加热功率大于两相流体回路极限传热能力时，蒸发器内的液体被烧干，导致蒸发器的温度突升。因此，散热板加热器的加热功率为零时或者蒸发器的温度突升前一平衡时刻的蒸发器的加热功率为该工作温度下两相流体回路的极限传热能力。

步骤4，通过降低蒸发器的功率、同时增加散热板的功率，改变储液器的温度，依照步骤3的方法，获得不同工作温度下两相流体回路的极限传热能力。其中，在测试不同工作温度下两相流体回路的极限传热能力时，工作温度的调整方法为逐步升高，如首先测-50℃工作温度时的极限传热能力，然后依次测量-40℃、-30℃、-20℃……工作温度时的极限传热能力。

步骤5，两相流体回路阻断能力测试：

不同工作温度下，当两相流体回路运行在平衡工况时，保持蒸发器和散热板加热器的加热功率不变，对重力驱动两相流体回路的阀进行开关操作，检查两相流体回路的阻断性能：如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不断升高并迅速突升，散热板的温度不断降低，重新开启控制阀，蒸发器温度降低、散热板温度提升，直至达到工况平衡，表明两相流体回路阻断性能正常；如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不变或缓慢升高，则表明两相流体回路阻断性能不正常。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设计两相流体回路真空热性能试验装置：

所述试验装置包括散热板(11)、控温加热器、多层隔热组件、温度传感器、模拟热源(15)和回路支架(17)；其中，散热板(11)通过隔热垫隔热安装在回路支架(17)的上部；两相流体回路的冷凝管路(3)埋在散热板(11)中，两相流体回路的储液器(4)半埋在散热板(11)中；两相流体回路中的蒸发器(1)隔热安装在回路支架(17)的下部；控温加热器安装在两相流体回路的蒸汽管路(2)、储液器(4)、控制阀(5)和液体管路(6)上；温度传感器安装在两相流体回路的蒸发器(1)、蒸汽管路(2)、冷凝管路(3)、储液器(4)、控制阀(5)和液体管路(6)、模拟热源(15)以及散热板(11)边缘区域上；多层隔热组件包裹在蒸汽管路(2)、储液器(4)、控制阀(5)和液体管路(6)上；模拟热源(15)为RHU同位素电模拟热源，固定安装在蒸发器(1)内；安装为散热板(11)提供工作温度的散热板加热器，所述散热板加热器为安装在散热板外侧空间的红外加热器(16)或者粘贴在散热板上的加热片；

步骤2，将回路支架(17)放入真空仓(10)中，抽真空，使得真空度小于2×10^-3Pa，设置储液器(4)、控制阀(5)、液体管路(6)和蒸气管路(2)上的控温加热器为自控状态，自控门限为-55℃～-30℃；设置散热板加热器的自控门限为-55℃～-30℃；

步骤3，向真空仓(10)的热沉通液氮，降低真空仓温度至-150℃；将储液器的温度降至第一测试温度-50℃，且达到两相流体回路工况平衡；所述工况平衡为储液器温度在半小时维持不变或单调变化小于1℃/h；储液器的温度即为两相流体回路的工作温度；

步骤4，极限传热能力测试：

开启模拟热源，按照设定的步长增加模拟热源的加热功率，在每次增加模拟热源的加热功率的同时减小散热板加热器的加热功率，使储液器的温度维持在-50℃，且达到两相流体回路工况平衡，直至散热板加热器的加热功率为零或者因蒸发器的温度突升导致无法维持工况平衡；则散热板加热器的加热功率为零时或者蒸发器的温度突升前一平衡时刻的模拟热源的加热功率即为该工作温度下两相流体回路的极限传热能力；

步骤5，通过降低蒸发器的功率、同时增加散热板的功率，改变储液器的温度至各测试温度，依照步骤4的方法，获得各测试温度下两相流体回路的极限传热能力，其中，按照递升的方式改变储液器温度；

步骤6，两相流体回路阻断能力测试：

不同工作温度下，当两相流体回路运行在平衡工况时，保持模拟热源和散热板加热器的加热功率不变，对控制阀进行开关操作，检查两相流体回路的阻断性能：如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不断升高后突升、散热板的温度不断降低，而重新开启控制阀后，蒸发器温度降低、散热板温度提升，直至达到工况平衡，表明两相流体回路阻断性能正常；如果关闭控制阀后，蒸发器的温度不变或平稳升高，则表明两相流体回路阻断性能不正常。

2.如权利要求1所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述步骤3的降温过程中，开启模拟热源(15)，使得两相流体回路运行，加快蒸发器(1)的降温速率。

3.如权利要求1所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述蒸发器(1)安装在隔热板(12)上，模拟热源(15)放置在蒸发器(1)的内部，模拟热源(15)工装的耳片通过螺钉和隔热垫(13)固定在隔热板(12)上，所述隔热板(12)通过4个隔热柱(14)固定安装在回路支架(17)上。

4.如权利要求3所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述隔热板(12)、隔热垫(13)和隔热柱(14)材料为聚酰亚胺或玻璃钢。

5.如权利要求1所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述散热板(11)的基板为铝板或蜂窝板，散热板(11)的表面粘贴有OSR片或喷涂高发射率的涂层。

6.如权利要求1所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述温度传感器的安装位置为：

蒸发器(1)的4个翅片上沿高度方向分别布置至少2个温度传感器，其中一个位于蒸发器翅片的下端，一个位于蒸发器翅片的上端；

蒸气管路(2)的进口、顶部和出口处分别布置1个温度传感器；

冷凝管路(3)的进口、出口分别布置1个温度传感器，在冷凝管路(3)的翅片上布置至少1个温度传感器；

储液器(4)的外表面沿高度方向布置3个温度传感器，分别位于储液器(4)的气空间、气液界面和液体空间；

连接储液器(3)和控制阀(5)的液体管路上布置至少1个温度传感器，在连接控制阀(5)和蒸发器(1)的液体管路上布置至少1个温度传感器；

控制阀(5)上布置1个温度传感器；

模拟热源(15)上布置至少1个温度传感器；

散热板(11)的内表面的边缘区域布置至少1个温度传感器。

7.如权利要求1所述的两相流体回路真空热性能试验方法，其特征在于，所述控温加热器为加热片、加热丝、加热带或加热板。