CN107462276A - 一种空间膜蒸发器性能测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种空间膜蒸发器性能测试系统，包括透明真空室、真空机组、压力调节阀、温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置、水循环机、数据采集与处理系统、高速摄像系统、液氮冷阱、液体压力测量装置及气源；真空室通过法兰上的接口依次连接液氮冷阱、真空机组；真空室通过法兰上的接口依次连接压力调剂阀、气源；真空室通过法兰上的接口依次连接水循环机、液体压力测量装置、流量测量装置；温度测量装置用于测量包括真空室内的温度值，压力测量装置用于测量真空室内的压力值；高速摄像系统对准真空室；数据采集与处理系统分别与液体压力测量装置、温度测量装置、压力测量装置及摄像系统相连。该系统为航天器热控系统用膜蒸发器的研制提供必须的技术保障。

Description

一种空间膜蒸发器性能测试系统

技术领域

本发明属于航天器热控技术领域，具体涉及一种空间膜蒸发器性能测试系统。

技术背景

微孔膜蒸发器是一种质量轻、可靠性高的新型主动热控装置，靠将工质通过特殊的薄膜蒸发到外部环境而带走热量。具有较好的环境适应性，不仅可以在真空环境中工作，而且可以在一定的大气环境中工作。除此之外，膜蒸发器的另一优点是无运动部件、可靠性高。膜蒸发器在工作过程中可以根据热负荷大小实现自调节，无需额外的能量供给和控制。在未来的载人登月、及其它深空探测航天器上有很好的应用前景。

膜蒸发器采用多孔介质的膜状材料作为液体流动通道和换热表面，当膜外环境压力足够小时，液态工质在膜表面沸腾，吸收热量。而产生的蒸汽排出腔体外，只要蒸汽排出速率足够快，不至于引起腔体内压力升高，则相变过程就能够持续进行，进而达到冷却工质自身温度的作用。

目前该新型消耗型散热装置的研究单位主要是美国的NASA。美国非常重视膜蒸发器热控装置的研究，目前已研制了4代原理样机，并计划在未来的载人火星探测和其它深空探测活动中替代水升华器作为新的热控装置。

在我国，随着深空探测、载人登月等被逐渐提上日程，膜蒸发器在我国深空探测飞行器、载人登月航天器、高速再入飞行器及可重复使用飞行器上有着很好的应用前景。但我国目前尚无开展此类研究。膜蒸发器性能测试系统是研制膜蒸发器的必要条件，不仅可以为膜蒸发器的研制提供试验测试结果，验证其散热性能，而且可以对膜蒸发器的研制提供充分的试验测试数据支持，因此具有十分重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种空间膜蒸发器性能测试系统，该系统能够在膜蒸发器测试过程中，实现对有连续水蒸汽排放不同真空度的工作环境模拟及维持，热负荷加载模拟、膜蒸发器安装姿态模拟及测试数据的采集，为航天器热控系统用膜蒸发器的研制提供必须的技术保障。

实现本发明的技术方案如下：

一种空间膜蒸发器性能测试系统，包括透明真空室、真空机组、压力调节阀、温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置、水循环机、数据采集与处理系统、高速摄像系统、液氮冷阱、液体压力测量装置及气源；其中

所述透明真空室主要由透明罩、及安装于透明罩底部的法兰组成，所述真空室内设有用于安装待测膜蒸发器的安装平台；所述真空室通过法兰上的接口依次连接液氮冷阱、真空机组，形成抽真空管路；所述真空室通过法兰上的接口依次连接压力调节阀、气源，形成供气管路；所述真空室通过法兰上的接口依次连接水循环机、液体压力测量装置、流量测量装置，形成水循环回路；所述温度测量装置用于测量包括真空室内的温度值，所述压力测量装置用于测量真空室内的压力值；所述高速摄像系统对准真空室；所述数据采集与处理系统分别与液体压力测量装置、温度测量装置、压力测量装置及摄像系统相连。

进一步地，本发明所述温度测量装置为两组热电偶，其中一组热电偶位于真空室内，并通过法兰上的穿墙插头连接真空室外的数据采集与处理系统，另一组热电偶布置在真空室的给水管路上。

进一步地，本发明压力测量装置由一高精度和低精度真空规组成，分别进行真空室内高真空和低真空时的真空度测量。

进一步地，本发明所述安装平台可以旋转，且倾斜角度可以调整。

本发明真空室内的旋转安装平台用于膜蒸发器测试过程中的安装及不同姿态模拟；真空机组、液氮冷阱用于为膜蒸发器的工作提供真空环境，其中液氮冷阱用于辅助真空机组进行水蒸汽捕获；水循环机为被测对象膜蒸发器的工质存储和输送装置，用于在膜蒸发器工作时，为膜蒸发器提供所需的水工质，并实现其温度、流量、压力调节功能；气源用于在膜蒸发器工作时向真空室内补充洁净空气或其它气体，以维持所需的真空度；压力调节阀与气源连接，辅助真空机组和液氮冷阱，用于调节真空室的真空度；温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置分别用于对真空室温度、真空室压力、水循环回路上水流量的测量与实时监测。数据采集与处理系统包括一组数据采集仪(包括温度采集装置、压力采集装置等)和计算机处理显示终端，分别用于对膜蒸发器的温度、测试系统的压力、流量的测量值进行记录与处理。高速摄像系统用于对膜蒸发器的工作状态进行实时监测。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明突破了国内航天器热控系统用膜蒸发器地面性能测试技术，该系统能够满足膜蒸发器研制过程中开展工作性能测试与实验的需求，为膜蒸发器的研制提供了必不可少的技术保障。

(2)本发明所采用的可视化真空室设计，可以对被测试的膜蒸发器进行360度观测，为实时观察和记录实验现象提供了便利。

(3)本发明真空室中所采用的可旋转膜蒸发器安装平台，可以模拟膜蒸发器的不同安装姿态，为获得不同姿态下膜蒸发器的工作性能提供了技术保障。

(4)本发明所采用真空机组、液氮冷阱、压力调节阀相结合的真空获得技术，大大降低了有水蒸汽排放的环境中真空泵组的工作负荷和压力调节与维持的精度，提高了膜蒸发器工作环境所需特定真空度的获得效率。

(5)本发明膜蒸发器性能测试系统中的高速摄像系统可以对膜蒸发器的工作状态或失效过程进行实时监测，可以方便对膜蒸发器的工作过程进行记录和观察。

附图说明

图1本发明膜蒸发器性能测试系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。

本发明一种空间膜蒸发器性能测试系统，可用于膜蒸发器的可视化试验研究，该系统包括透明真空室、真空机组2、压力调节阀3、温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置4、水循环机5、数据采集与处理系统6、高速摄像系统8、液氮冷阱9、液体压力测量装置10及气源11；其中

透明真空室主要由透明罩101、及安装于透明罩底部的法兰102组成，所述真空室内设有用于安装待测膜蒸发器的旋转安装平台，该平台倾斜角可调；本实例中所述透明罩采用360°透明的玻璃罩，这样可以实时从各个角度观察膜蒸发器的状态。

真空室通过法兰102上的接口依次连接液氮冷阱9、真空机组2，形成抽真空管路；所述真空室通过法兰上的接口依次连接压力调节阀3、气源11，形成气体压力调节管路；真空室通过法兰上的接口依次连接水循环机5、液体压力测量装置10、流量测量装置4，形成水循环回路；水循环机5为一可调节温度、流量和压力的水循环设备，用于在试验过程中为膜蒸发器提供一定温度、流量或压力的水；水循环机5内的水进入膜蒸发器前经过压力测量装置10后对其压力进行测量并记录，确保给水按一定压力供给膜蒸发器，其输出压力可以根据试验需求进行调节；流量测量装置4为一高精度质量流量计，布置在水循环机5与膜蒸发器之间的管路上，用于实时测量并记录水循环机为膜蒸发器的供水情况。

温度测量装置用于测量包括真空室内的温度值，所述压力测量装置用于测量真空室内的压力值；所述高速摄像系统8对准真空室，用于对膜蒸发器的工作状态进行实时监测；所述数据采集与处理系统6分别与液体压力测量装置、温度测量装置、压力测量装置及摄像系统相连。数据采集与处理系统6包括一组数据采集仪和计算机处理显示终端，分别用于对膜蒸发器的温度、测试系统的压力、流量的测量值进行记录与处理。

本发明温度测量装置为两组热电偶，其中一组热电偶位于真空室内(可以给水进出口处)，并通过法兰上的穿墙插头连接真空室外的温度采集器相连，另一组热电偶布置在真空室的给水管路上，还可以布置在水循环机5等需要测量温度的地方。

本发明压力测量装置由一高精度和低精度真空规组成，通过法兰102与真空室相连，分别进行真空室内高真空和低真空时的真空度测量。

本发明系统的工作过程：进行膜蒸发器试验时，将温度测量装置中的热电偶布置在被测对象膜蒸发器的给水进出口、给水管路、水循环机等其它需要进行温度监测的位置，将被测试对象膜蒸发器固定于所述的透明玻璃罩101中的可调整角度的安装平台上。关闭真空室1，开启真空机组2对真空室进行抽真空，并调节压力调节阀3使其维持一定的真空压力。设定水循环机5对膜蒸发器的给水温度、流量进行调控，当数据采集与处理系统中的压力测量装置显示的真空室内压力及温度采集与处理系统中的温度测量装置显示的膜蒸发器及工质储箱温度满足要求后，开启水循环机5给水管路阀门为膜蒸发器供水，同时膜蒸发器开始工作，供水的质量流量由流量测量装置4进行实时监测并记录。膜蒸发器工作过程中的温度数据将由温度测量装置进行实时采集记录，膜蒸发器工作过程中排放至真空室内的水蒸气通过液氮冷阱9时被部分冷凝，未被冷凝的水蒸气将由真空机组抽出。与此同时，压力调节阀3根据反馈得到的真空室压力进行对其开度实时调节，与气源11连接，向真空室内补充一定的洁净空气或其它气体，以实现对真空室内压力的维持与试验环境的模拟。

本发明透明玻璃罩及液氮冷阱强度方面能够承受内外1.03×10⁵Pa压差作用。真空机组2具备在有连续排放的水蒸汽的环境下抽真空及真空度多级可调可控的能力，并且清洁无油，由罗茨真空泵(为主泵)与干式螺杆真空泵(为前级泵)组合而成。高精度真空规测量精度优于2Pa。温度测量装置具备不少于20个温度传感器信号测量及处理能力，测量精度±0.3℃。流量测量装置的流量测量精度为±0.5％。压力测量装置测量精度为±0.5％。系统能实现的压力调节范围为10Pa-10000Pa。水循环机温度调节范围为5℃～60℃，流量调节范围为10L/h-100L/h，压力调节范围为13Pa-10kPa。气源洁净度为，纯度为0.9999。

本发明中所述的所有设备输入电压符合中国的标准，即380/220V±10％，50Hz。

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 (5)

1.一种空间膜蒸发器性能测试系统，其特征在于，包括透明真空室、真空机组(2)、压力调节阀(3)、温度测量装置、压力测量装置、流量测量装置(4)、水循环机(5)、数据采集与处理系统(6)、摄像系统(8)、液氮冷阱(9)、液体压力测量装置(10)及气源(11)；其中

所述透明真空室主要由透明罩(101)、及安装于透明罩底部的法兰(102)组成，所述真空室内设有用于安装待测膜蒸发器的安装平台；所述真空室通过法兰(102)上的接口依次连接液氮冷阱(9)、真空机组(2)，形成抽真空管路；所述真空室通过法兰上的接口依次连接压力调剂阀(3)、气源(11)，形成供气管路；所述真空室通过法兰上的接口依次连接水循环机(5)、液体压力测量装置(10)、流量测量装置(4)，形成水循环回路；所述温度测量装置用于测量包括真空室内的温度，所述压力测量装置用于测量真空室内的压力；所述摄像系统(8)对准真空室；所述数据采集与处理系统(6)分别与液体压力测量装置(10)、温度测量装置、压力测量装置及摄像系统(8)相连。

2.根据权利要求1所述空间膜蒸发器性能测试系统，其特征在于，所述温度测量装置为两组热电偶，其中一组热电偶位于真空室内，另一组热电偶布置在真空室的给水管路上。

3.根据权利要求1所述空间膜蒸发器性能测试系统，其特征在于，压力测量装置由一高精度和低精度真空规组成。

4.根据权利要求1所述空间膜蒸发器性能测试系统，其特征在于，所述安装平台可以旋转，且倾斜角度可以调整。

5.根据权利要求1所述空间膜蒸发器性能测试系统，其特征在于，所述透明罩(101)采用360°透明的玻璃罩。