CN112304655A - 一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统及方法，该方法通过模拟机械泵驱动两相流体回路在待测对象工作期间内开机及关机的运行过程，通过加速试验方法检测机械泵驱动两相流体回路在寿命期间内是否有效；同时测试机械泵驱动两相流体回路在待测对象开机运行期间，蒸发器的温度变化，判断机械泵驱动两相流体回路是否满足器件热控的要求。

Description

一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验方法，属于航天热控领域。
背景技术
随着航天遥感技术的不断发展，光学遥感器对其核心器件(如CCD组件或CMOS组件)的温度要求越来越高，需要采用机械泵驱动两相流体回路技术进行热控设计。机械泵驱动两相流体回路的系统组成如图1所示。包括机械泵、储液器、换热器、预热器、蒸发器、冷凝器以及连接管路等；其中储液器在机械泵驱动两相流体回路系统中起着控制系统温度，调节主回路和储液器之间的流体分布以及在微重力条件下进行气液流体管理的作用。工质在储液器和蒸发器内为饱和态，这两个部件内部的饱和温度和压力基本相等。
光学遥感器核心器件为周期性工作模式。遥感相机成像时，核心器件开始工作，其工作产生的热量需要通过机械泵驱动两相流体回路带走，在此期间机械泵驱动两相流体回路的；遥感相机不成像时，核心器件不工作，在此过程中需要对核心器件进行保温设计。为确保相机成像指标满足要求，需要核心器件在工作时温度保持恒定，即机械泵驱动两相流体回路需要为核心器件的工作提供一个稳定的工作边界。为快速验证机械泵驱动两相流体回路长寿命的工作性能，需在地面开展寿命加速试验，验证机械泵驱动两相流体回路是否满足在轨工作八年的寿命要求，以及在寿命期间机械泵驱动两相流体回路的控温性能是否满足设计要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验方法，能够有效模拟机械泵驱动两相流体回路在寿命期间周期性工作模式下的工作性能，以保证其在轨长期应用过程中的可靠性。
本发明的技术解决方案是：
一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，包括：机械泵、换热器、预热器、蒸发器组件、冷凝器、储液器、过滤器、保温装置、加热回路、控温回路、制冷机组、流量计、绝对压力传感器、压差传感器、温度传感器以及测控设备；
两相流体回路通过机械泵产生动力驱动工质在回路内循环流动，机械泵出口的液相工质经换热器与高温工质进行热量交换，再经预热器加热至两相饱和态，随后进入蒸发器组件吸收加热回路产生的热量，吸收热量后的工质进入冷凝器中将热量排散给制冷机，并通过制冷机将热量排散至环境中，最后工质从两相态恢复至液态并经储液器、过滤器再次进入机械泵，完成一个循环；
保温装置为采用低导热系数材料的腔室结构，用于降低外界环境对机械泵温度扰动的影响；加热回路布置于模拟热源外表面，用于待测对象发热量的模拟，并通过测控设备控制实现加热回路的通断，从而实现待测对象周期性工作的模拟；控温回路布置于储液器外表面，用于为储液器控温，并通过测控设备进行温度控点的调整，从而实现待测对象不同工作点的调整；制冷机组与冷凝器导热连接，用于为两相流体回路系统运行提供热沉边界，并通过测控设备实现温度边界的调整，从而冷凝器温度变化的模拟；流量计位于机械泵下游，用于获取两相流体回路系统的流量，并通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求；绝对压力传感器位于储液器上游，用于获取系统绝对压力的数值，并通过该数值的变化分析系统控温点是否正常以及储液器内工质余量是否满足要求；压差传感器布置于机械泵的上游和下游，用于获取系统的压差，并通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求。
进一步的，所述通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求，具体为：实时流量
Figure BDA0002701681620000021
在
Figure BDA0002701681620000022
区间内时，式中
Figure BDA0002701681620000023
为初始流量，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
进一步的，通过系统绝对压力的数值的变化分析系统控温点是否正常，具体为：实时绝对压力Pt对应的温度计算值Tac＝f(Pt)与储液器温度实时测点Tat满足|Tac-Tat|≤1℃时，系统控温点满足要求，反之则不满足。
进一步的，通过系统绝对压力的数值的变化分析储液器内工质余量是否满足要求，具体为：实时绝对压力Pt在Pt≥0.9Pi区间内时，式中Pi为初始压力，储液器内工质余量满足要求，反之则不满足。
进一步的，所述通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求，具体为：实时压差ΔPt在0.8ΔPi≤ΔPt≤1.2ΔPi区间内时，式中ΔPi为初始压差，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
进一步的，本发明还提出一种两相流体回路寿命加速试验方法，步骤如下：
步骤一：确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象传递的最大功率；确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象开机与关机过程中机械泵、储液器、冷凝器以及连接管路的温度变化；获得两相流体回路在一个轨道周期内的流量、压力和压差的变化；获得蒸发器工作温度T；获得两相流体回路待测对象开机和关机时间t1和t3；
步骤二：确定待测对象关机时机械泵控温为T-ΔT1，储液器控温为T+ΔT2，预热器控温为T+ΔT3，其中ΔT1，ΔT2，ΔT3均为正值；
步骤三：依据温度T+ΔT2对应的饱和压力P1与温度T对应的饱和压力P2的比值确定待测对象关机时间t1’＝P2/P1*t1；
步骤四：关闭机械泵，阻断两相流体回路的运行；
步骤五：模拟两相流体回路关机过程，分别对机械泵、储液器、预热器和冷凝器按照步骤一温度变化进行控温；
步骤六：关机过程维持一个循环后，经历t2时间后，将储液器控温调至温度T后，将机械泵开启，机械泵随后驱动流体在两相流体回路内开始循环，工质在预热器内迅速转化为温度为T的饱和态工质；
步骤七：模拟两相流体回路开机过程，令蒸发器加载的功率与步骤一获得两相流体回路在一个轨道周期内传递的最大功率一致，冷凝器的控温按照步骤一温度变化确定，加热时间为t3；
步骤八：运行一个开机过程后，停止对蒸发器加热；
步骤九：重复步骤四至步骤八，重复次数与两相流体回路所设定的在轨工作次数要求相同；若重复次数不满足相机所要求的在轨工作总次数的要求就出现故障，则表明两相流体回路不能满足相机在轨工作的寿命要求；若重复次数满足所设定的在轨工作的寿命要求，则进入步骤十；
步骤十：分析两相流体回路的控温性能是否满足设计要求。
进一步的，所述待测对象为相机核心器件，即CCD组件或CMOS组件。
进一步的，所述的两相流体回路加速寿命试验方法，试验加速比为(t1+t2)/(t1’+t2+t3)。
进一步的，所述步骤十分析两相流体回路的控温性能是否满足设计要求，具体为：加速寿命试验结束后，判断蒸发器的温度变化是否在两相流体回路的变化范围内；若在允许的变化范围内，则表明两相流体回路的控温性能满足设计要求；反之则不满足。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用该试验方法能够加速模拟机械泵驱动两相流体回路在遥感器寿命期间的运行过程，检测机械泵驱动两相流体回路在轨全周期是否有效从而保证其在空间遥感器应用过程的可靠性。
(2)采用该试验方法能够测试机械泵驱动两相流体回路在开机运行期间，蒸发器对热源的控温情况，并通过此作为判据判断机械泵驱动两相流体回路是否满足遥感器控温的要求。
(3)采用该试验方法可以快速对机械泵驱动两相流体回路的工作性能进行验证，大幅缩短了机械泵寿命测试需要的时间，节省了大量的人力和物力。
(4)采用该试验方法可以保证遥感器工作期间温度的稳定性，避免了温度波动对相机成像的影响，提高了成像质量。
(5)本发明两相流体回路加速寿命试验方法，通过调整机械泵开机与关机的工作时间，实现了适用于周期性工作热源的两相流体回路系统的加速；同时，本发明两相流体回路加速寿命试验方法，通过提高储液器设定压力的方法，大幅缩短了机械泵关机等待时间。
(6)通过在预热器处设置高温，保证了机械泵开机后回路内的工质可以快速转化为饱和工质，从而确保进入到蒸发器内的工质为恒定温度。
附图说明
图1为机械泵驱动两相流体回路组成示意图；
图2为机械泵驱动两相流体回路加速寿命试验装置组成示意图；
图3为机械泵驱动两相流体回路加速寿命试验结果图，其中，(a)为蒸发器和预热器温度变化趋势；(b)为预热器和压差的变化趋势。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种机械泵驱动两相流体回路加速寿命试验方法，采用该方法能够有效模拟机械泵驱动两相流体回路在寿命期间周期性工作模式下的工作性能，以保证其在轨长期应用过程中的可靠性。
该加速寿命试验方法所采用的试验装置如图2所示，包括：机械泵、换热器、预热器、蒸发器组件、冷凝器、储液器、过滤器、保温装置、加热回路、控温回路、制冷机组、流量计、绝对压力传感器、压差传感器、温度传感器以及测控设备；
两相流体回路通过机械泵产生动力驱动工质在回路内循环流动，机械泵出口的液相工质经换热器与高温工质进行热量交换，再经预热器加热至两相饱和态，随后进入蒸发器组件吸收加热回路产生的热量，吸收热量后的工质进入冷凝器中将热量排散给制冷机，并通过制冷机将热量排散至环境中，最后工质从两相态恢复至液态并经储液器、过滤器再次进入机械泵，完成一个循环；
保温装置为采用低导热系数材料的腔室结构，用于降低外界环境对机械泵温度扰动的影响；加热回路布置于模拟热源外表面，用于待测对象发热量的模拟，并通过测控设备控制实现加热回路的通断，从而实现待测对象周期性工作的模拟；控温回路布置于储液器外表面，用于为储液器控温，并通过测控设备进行温度控点的调整，从而实现待测对象不同工作点的调整；制冷机组与冷凝器导热连接，用于为两相流体回路系统运行提供热沉边界，并通过测控设备实现温度边界的调整，从而冷凝器温度变化的模拟；流量计位于机械泵下游，用于获取两相流体回路系统的流量，并通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求；绝对压力传感器位于储液器上游，用于获取系统绝对压力的数值，并通过该数值的变化分析系统控温点是否正常以及储液器内工质余量是否满足要求；压差传感器布置于机械泵的上游和下游，用于获取系统的压差，并通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求。
采用该试验装置进行机械泵驱动两相流体回路加速寿命试验的过程为：
步骤一：确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象传递的最大功率；确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象开机与关机过程中机械泵、储液器、冷凝器以及连接管路的温度变化；获得两相流体回路在一个轨道周期内的流量、压力和压差的变化；获得蒸发器工作温度T；获得两相流体回路待测对象开机和关机时间t1和t3；
步骤二：确定待测对象关机时机械泵控温为T-ΔT1，储液器控温为T+ΔT2，预热器控温为T+ΔT3，其中ΔT1，ΔT2，ΔT3均为正值；
步骤三：依据温度T+ΔT2对应的饱和压力P1与温度T对应的饱和压力P2的比值确定待测对象关机时间t1’＝P2/P1*t1；
步骤四：关闭机械泵，阻断两相流体回路的运行；
步骤五：模拟两相流体回路关机过程，分别对机械泵、储液器、预热器和冷凝器按照步骤一温度变化进行控温；
步骤六：关机过程维持一个循环后，经历t2时间后，将储液器控温调至温度T后，将机械泵开启，机械泵随后驱动流体在两相流体回路内开始循环，工质在预热器内迅速转化为温度为T的饱和态工质；
步骤七：模拟两相流体回路开机过程，令蒸发器加载的功率与步骤一获得两相流体回路在一个轨道周期内传递的最大功率一致，冷凝器的控温按照步骤一温度变化确定，加热时间为t3；
步骤八：运行一个开机过程后，停止对蒸发器加热；
步骤九：重复步骤四至步骤八，重复次数与两相流体回路所设定的在轨工作次数要求相同；若重复次数不满足相机所要求的在轨工作总次数的要求就出现故障，则表明两相流体回路不能满足相机在轨工作的寿命要求；若重复次数满足所设定的在轨工作的寿命要求，则进入步骤十；
步骤十：分析两相流体回路的控温性能是否满足设计要求。
通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求：实时流量
Figure BDA0002701681620000071
在
Figure BDA0002701681620000072
区间内时，式中
Figure BDA0002701681620000073
为初始流量，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
通过系统绝对压力的数值的变化分析系统控温点是否正常：实时绝对压力Pt对应的温度计算值Tac＝f(Pt)与储液器温度实时测点Tat满足|Tac-Tat|≤1℃时，系统控温点满足要求，反之则不满足。
通过系统绝对压力的数值的变化分析储液器内工质余量是否满足要求：实时绝对压力Pt在Pt≥0.9Pi区间内时，式中Pi为初始压力，储液器内工质余量满足要求，反之则不满足。
通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求：实时压差ΔPt在0.8ΔPi≤ΔPt≤1.2ΔPi区间内时，式中ΔPi为初始压差，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
给出本发明实施例如下：
某空间遥感器CMOS组件使用机械泵驱动两相流体回路进行散热，并要求两相流体回路在轨工作大于8年，其中空间遥感器的一个轨道周期为100min，CMOS组件的最大工作时长为10min。
为快速验证两相流体回路工作性能，需要对其进行加速寿命试验。采用本发明提出的加速寿命试验方法，搭建了氨工质两相流体回路加速寿命试验系统，其中待测对象工作时温度要求(蒸发器工作温度)为0℃±2℃，最大发热功率为400瓦。
系统主要参数：机械泵为屏蔽式离心泵，额定流量为1g/s，额定扬程为0.03MPa；储液器为两相控温型储液器，容积为0.001m3；蒸发器为板式微通道平板结构，面积为0.04m2；制冷机最低工作温度为-30℃，并可根据需要进行调温。
依据本发明方法，CMOS组件不工作时，将储液器温度提升至60℃，依据60℃对应的饱和压力2.62MPa与0℃对应的饱和压力0.43MPa的比值确定待测对象关机时间t1’＝0.43/2.62*90＝14.5min，与此同时，将预热器温度控温提升至60℃；随后将储液器温度从60℃调至0℃，降温时间为t2＝5min；储液器到温后将模拟热源开启，并维持t3＝10min，蒸发器温度维持在0℃±2℃区间内，如图3a所示。图3b为机械泵开机和关机时压差变化图。采用此方法进行加速后，加速比为3.39，节省时间比值达到71.5％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，其特征在于包括：机械泵、换热器、预热器、蒸发器组件、冷凝器、储液器、过滤器、保温装置、加热回路、控温回路、制冷机组、流量计、绝对压力传感器、压差传感器、温度传感器以及测控设备；
两相流体回路通过机械泵产生动力驱动工质在回路内循环流动，机械泵出口的液相工质经换热器与高温工质进行热量交换，再经预热器加热至两相饱和态，随后进入蒸发器组件吸收加热回路产生的热量，吸收热量后的工质进入冷凝器中将热量排散给制冷机，并通过制冷机将热量排散至环境中，最后工质从两相态恢复至液态并经储液器、过滤器再次进入机械泵，完成一个循环；
保温装置为采用低导热系数材料的腔室结构，用于降低外界环境对机械泵温度扰动的影响；加热回路布置于模拟热源外表面，用于待测对象发热量的模拟，并通过测控设备控制实现加热回路的通断，从而实现待测对象周期性工作的模拟；控温回路布置于储液器外表面，用于为储液器控温，并通过测控设备进行温度控点的调整，从而实现待测对象不同工作点的调整；制冷机组与冷凝器导热连接，用于为两相流体回路系统运行提供热沉边界，并通过测控设备实现温度边界的调整，从而冷凝器温度变化的模拟；流量计位于机械泵下游，用于获取两相流体回路系统的流量，并通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求；绝对压力传感器位于储液器上游，用于获取系统绝对压力的数值，并通过该数值的变化分析系统控温点是否正常以及储液器内工质余量是否满足要求；压差传感器布置于机械泵的上游和下游，用于获取系统的压差，并通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求。
2.根据权利要求1所述的一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，其特征在于：所述通过流量变化值分析机械泵工作性能是否满足要求，具体为：实时流量
Figure FDA0002701681610000011
在
Figure FDA0002701681610000012
区间内时，式中
Figure FDA0002701681610000013
为初始流量，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
3.根据权利要求1所述的一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，其特征在于：通过系统绝对压力的数值的变化分析系统控温点是否正常，具体为：实时绝对压力Pt对应的温度计算值Tac＝f(Pt)与储液器温度实时测点Tat满足|Tac-Tat|≤1℃时，系统控温点满足要求，反之则不满足。
4.根据权利要求1所述的一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，其特征在于：通过系统绝对压力的数值的变化分析储液器内工质余量是否满足要求，具体为：实时绝对压力Pt在Pt≥0.9Pi区间内时，式中Pi为初始压力，储液器内工质余量满足要求，反之则不满足。
5.根据权利要求1所述的一种机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统，其特征在于：所述通过压差变化值分析机械泵工作性能是否满足要求，具体为：实时压差ΔPt在0.8ΔPi≤ΔPt≤1.2ΔPi区间内时，式中ΔPi为初始压差，机械泵工作性能满足要求，反之则不满足。
6.一种基于权利要求1所述的机械泵驱动两相流体回路寿命加速试验系统实现的两相流体回路寿命加速试验方法，其特征在于步骤如下：
步骤一：确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象传递的最大功率；确定两相流体回路在一个轨道周期内待测对象开机与关机过程中机械泵、储液器、冷凝器以及连接管路的温度变化；获得两相流体回路在一个轨道周期内的流量、压力和压差的变化；获得蒸发器工作温度T；获得两相流体回路待测对象开机和关机时间t1和t3；
步骤二：确定待测对象关机时机械泵控温为T-ΔT1，储液器控温为T+ΔT2，预热器控温为T+ΔT3，其中ΔT1，ΔT2，ΔT3均为正值；
步骤三：依据温度T+ΔT2对应的饱和压力P1与温度T对应的饱和压力P2的比值确定待测对象关机时间t1’＝P2/P1*t1；
步骤四：关闭机械泵，阻断两相流体回路的运行；
步骤五：模拟两相流体回路关机过程，分别对机械泵、储液器、预热器和冷凝器按照步骤一温度变化进行控温；
步骤六：关机过程维持一个循环后，经历t2时间后，将储液器控温调至温度T后，将机械泵开启，机械泵随后驱动流体在两相流体回路内开始循环，工质在预热器内迅速转化为温度为T的饱和态工质；
步骤七：模拟两相流体回路开机过程，令蒸发器加载的功率与步骤一获得两相流体回路在一个轨道周期内传递的最大功率一致，冷凝器的控温按照步骤一温度变化确定，加热时间为t3；
步骤八：运行一个开机过程后，停止对蒸发器加热；
步骤九：重复步骤四至步骤八，重复次数与两相流体回路所设定的在轨工作次数要求相同；若重复次数不满足相机所要求的在轨工作总次数的要求就出现故障，则表明两相流体回路不能满足相机在轨工作的寿命要求；若重复次数满足所设定的在轨工作的寿命要求，则进入步骤十；
步骤十：分析两相流体回路的控温性能是否满足设计要求。
7.根据权利要求6所述的两相流体回路寿命加速试验方法，其特征在于：所述待测对象为相机核心器件，即CCD组件或CMOS组件。
8.根据权利要求6所述的两相流体回路寿命加速试验方法，其特征在于：所述的两相流体回路加速寿命试验方法，试验加速比为(t1+t2)/(t1’+t2+t3)。
9.根据权利要求6所述的两相流体回路寿命加速试验方法，其特征在于：所述步骤十分析两相流体回路的控温性能是否满足设计要求，具体为：加速寿命试验结束后，判断蒸发器的温度变化是否在两相流体回路的变化范围内；若在允许的变化范围内，则表明两相流体回路的控温性能满足设计要求；反之则不满足。
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