CN112818468A

CN112818468A - 一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法

Info

Publication number: CN112818468A
Application number: CN202110130388.7A
Authority: CN
Inventors: 王录; 苗建印; 黄金印; 张红星; 丁汀; 何江; 周强; 刘畅; 王玉莹; 徐亚威
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2021-05-18

Abstract

本发明公开了一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法。本发明通过分析环路热管在低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，工质在环路热管各部件的气液分布，以及约束条件，进而根据上述约束，建立方程组进行联立求解，获取储液器容积的范围，选择合适的储液器容积，并根据储液器的容积计算工质的充装量。采用本发明方法可以有效的解决储液器容积与工质量设计不合理导致环路热管低温启动失效、高温管体破裂以及运行不稳定等问题，本发明设计的环路热管已进行了在轨飞行验证。

Description

一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法

技术领域

本发明涉及航天器热控制技术领域，具体涉及一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法。

背景技术

环路热管依靠工质的气液相变实现热量的传递，与航天器广泛应用的轴向槽道热管相比，具有热传输距离远、管路布置灵活、反重力工作能力强以及热二极管等特性，用于将仪器设备(热源)的热耗传输至散热面(热沉)排散，实现仪器设备温度的控制，尤其适用于小安装空间、大热耗的热量传输。环路热管的组成如图1所示，由蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)、蒸气管路3、冷凝管路4、液体管路5以及储液器6等组成。毛细芯2安装至蒸发器壳体1中形成蒸发器，蒸发器通过蒸气管路2与冷凝管路4连接在一起，储液器6通过液体管路5与冷凝管路4连接在一起，蒸发器与储液器6连接在一起，形成闭式回路，蒸发器与发热设备耦合，冷凝管路5与冷源耦合。环路热管工作时，工质在毛细芯2内吸收设备的热量相变，由液体变为气态，沿蒸气管路3流入冷凝管路4内冷凝，由气态冷凝为液态将热量通过冷源释放掉，液体沿液体管路5重新流回蒸发器及储液器6内，形成循环回路。

环路热管的设计过程包括蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)、蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5、储液器6以及工质量的设计。其中蒸发器(包括蒸发器壳体1、毛细芯2)的直径、长度根据传热量、传热温差及发热设备机械接口确定；冷凝管路4根据散热量、传热温差及冷源机械接口确定；蒸汽管路3、液体管路5根据航天器的构型布局确定走向；蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5的管路内径根据环路热管需要传递的最大热量所引起的流动阻力进行确定，通常毛细力与流动阻力的比值不小于1.5。而储液器6容积的设计需要与工质量进行匹配设计。当储液器6容积确定后，根据蒸发器的直径及发热设备的构型布局，确定储液器6直径，从而确定储液器6的长度。

环路热管储液器与工质量匹配设计不合理将导致环路热管难以正常稳定工作。如果工质充装量过大，将导致环路热管在正常工作时冷凝管路打开长度小，环路热管有效散热面积小，工作温度升高，进而导致被散热的设备温度升高，此外工质充装过高还将导致环路热管耐高温能力降低，可能引起环路热管在高温环境下因液体膨胀导致环路热管破裂；如果工质充装量过小，将导致环路热管在低温环境下启动过程中储液器内液体不足而导致无法启动失效。因此环路热管的工质量与充装量的匹配设计要综合考虑高温工况、低温工况等气液分布的差异。

目前关于环路热管的充装量计算的基准为环路热管的总容积，按照充装量占总容积的比例(如40％、60％等)确定，并研究不同充装比例对环路热管传热性能的影响，且不同的环路热管，最优的充装量占环路热管总容积的比例不同，没有一个固化的计算准则，且按照环路热管总容积比例确定充装量，不能反映环路热管工作过程中的气液分布。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，通过分析环路热管在低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，工质在环路热管各部件的气液分布，以及约束条件，进而根据上述约束，建立方程组进行联立求解，获取储液器容积的范围，选择合适的储液器容积，并根据储液器的容积计算工质的充装量。采用本发明方法设计的环路热管已进行了在轨飞行验证，飞行状态良好。

本发明的环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，所述环路热管包括依次串联的蒸发器、蒸汽管路、冷凝管路、液体管路和储液器，工质为气液两相；首先分别建立环路热管低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，储液器容积与工质量之间的关系式；然后将高温工作工况下的储液器容积与工质量的关系式分别带入低温启动工况和高温耐温工况下的关系式中，得到储液器容积的最小值与最大值；

然后在所述最小值与最大值之间选取一个值作为储液器容积，分别计算高温工作工况和低温工作工况对应的工质量；若低温工作工况下的工质量大于或等于高温工作工况下的工质量，则表示选取的储液器容积不匹配；在所述最小值与最大值之间重新选取一个值作为储液器容积，直到低温工作工况下的工质量小于高温工作工况下的工质量，此时选取的储液器容积和高温工作工况下的工质量即为所求。

其中，低温启动工况下，温度为各部件的工作温度下限，蒸汽管路、冷凝管路、液体管路全部充满液体，蒸发器的毛细芯内吸满液体，储液器内为气液两相态，储液器内液体工质的体积含量不小于储液器容积的1/3。

高温耐温工况下，温度为各部件在热环境试验过程中经历的最高温度，蒸发器的毛细芯、蒸汽管路、冷凝管路、液体管路、储液器全部充满液体，环路热管全部充满液体工质时计算的工质量与真实的工质量M的比值不小于1.1。

高温工作工况下，温度为各部件的工作温度上限，蒸发器的毛细芯、液体管路、储液器全部充液液体，蒸汽管路为饱和蒸汽，冷凝管路分为气液两相段和液体段，其中气液两相段占85％，液体区占15％；在气液两相段，液体含量占20％。

低温工作工况下，温度为各部件的工作温度下限，蒸发器的毛细芯、液体管路、储液器全部充液液体，蒸汽管路为饱和蒸汽，冷凝管路包含气液两相段和液体段，其中，气液两相段中，液体含量占20％。

有益效果：

采用本发明方法可以有效的解决储液器容积与工质量设计不合理导致环路热管低温启动失效、高温管体破裂以及运行不稳定等问题。

附图说明

图1为环路热管组成图。

其中，1-蒸发器壳体，2-毛细芯，3-蒸气管路，4-冷凝管路，5-液体管路，6-储液器。

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。

本发明提供了一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法。

首先，对环路热管低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况等四种工况下环路热管内部各部件工质的气液分布进行分析，提出如下设计约束：

1)低温启动工况。该工况下，蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5全部充满液体，温度为各部件的工作温度下限，蒸发器毛细芯2内吸满液体，储液器6内为气液两相态，温度为工作温度下限；

2)高温耐温工况。该工况下，蒸发器毛细芯2、蒸汽管路3、冷凝管路4、液体管路5、储液器6全部充满液体，温度为环路热管热环境试验过程中经历的最高温度，按照该温度下液体工质密度乘以环路热管的总容积计算的工质量与环路热管实际工质量的比值不小于1.1；

3)高温工作工况。该工况为环路热管工作温度上限，蒸发器毛细芯2、液体管路5、储液器6全部充液液体，蒸汽管路3为饱和蒸汽，冷凝器4前85％的区域为气液两相态，后15％的区域为液态，各部件的温度为高温工作工况的温度；对于冷凝器前85％的气液两相区域，根据地面试验标定和在轨验证，液态工质所占的体积为20％，气态工质所占的体积为80％；

4)低温工作工况。该工况为环路热管工作温度下限，蒸发器毛细芯2、液体管路5、储液器6全部充液液体，蒸汽管路3为饱和蒸汽，冷凝管路4内气液两相的界面不能冲出冷凝管路，即气液两相区域小于100％，剩余部分为液态工质，各部件的温度为低温工作工况的温度。

根据上述四个约束，可建立相应的方程组，对方程组进行联立求解，可获取储液器容积的范围，然后在该范围内选择合适的储液器容积，并根据储液器的容积计算工质的充装量。

下面以氨环路热管为例进行介绍，其他工质环路热管储液器容积与工质量的匹配设计方法与氨环路热管相同。

步骤1，根据低温启动工况约束，建立储液器6容积V_储液器与工质量M的关系式。该工况下储液器6内液体工质的体积含量不小于储液器6容积的1/3。

对公式(1)进行变换，结果如下：

步骤2，根据耐温工况约束，建立储液器6容积V_储液器与工质量M的关系式。该工况下，环路热管全部充满液体工质时计算的工质量与真实的工质量M的比值不小于1.1。

对公式(3)进行变换，结果如下：

步骤3，根据高温工作工况，建立储液器6容积V_储液器与工质量M的关系式。该工况下，冷凝管路分为气液两相段和液体段，其中气液两相段占据85％的总容积，液体区占据15％的总容积，在气液两相段，液体含量占据气液两相段容积的20％。

步骤4，根据低温工作工况，建立储液器6容积V_储液器与工质量M的关系式。该工况下，冷凝管路内气液两相段占冷凝管路的总容积小于100％，在气液两相段，液体含量占据气液两相段容积的20％。

步骤5，将公式(5)中工质量M与储液器6容积的关系带入公式(2)中，得到储液器6容积V_储液器的最小值。

步骤6，将公式(5)中工质量M与储液器6容积的关系带入公式(4)中，得到储液器6容积V_储液器的最大值。

步骤7，根据公式(7)计算的储液器6容积的最小值V_{储液器，min}以及公式(8)计算的储液器6容积的最大值V_{储液器，max}，在区间[V_{储液器，min},V_{储液器，max}]中选取储液器的容积值V_储液器，并根据公式(5)计算工质量M。

步骤8，将选取的储液器6容积V_储液器带入公式(6)中，计算工质量M1，如果M1<M，则V_储液器选取合适，如果M1≥M，则V_储液器选取不合适，则重新选取V_储液器的容积，直至计算的M1<M。

符号说明：

M为工质的充装质量；

V_储液器为储液器的体积；

V_毛细芯为毛细芯的体积；

V_蒸汽管路为蒸汽管路的体积；

V_冷凝管路为冷凝管路的体积；

V_液体管路为液体管路的体积；

ε为毛细芯的孔隙率；

为储液器工作温度下限时液态工质的密度；

为储液器工作温度下限时气态工质的密度；

为蒸汽管路工作温度下限时液态工质的密度；

为蒸汽管路工作温度下限时气态工质的密度；

为冷凝管路工作温度下限时液态工质的密度；

为冷凝管路工作温度下限时气态工质的密度；

为液体管路工作温度下限时液态工质的密度；

为环路热管经历最高温度对应的液态工质的密度；

为储液器工作温度上限时液态工质的密度；

为蒸汽管路工作温度上限时气态工质的密度；

为冷凝管路工作温度上限时气态工质的密度；

为冷凝管路工作温度上限时液态工质的密度；

为液体管路工作温度上限时液态工质的密度。

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

1.一种环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，所述环路热管包括依次串联的蒸发器、蒸汽管路、冷凝管路、液体管路和储液器，工质为气液两相；其特征在于，分别建立环路热管低温启动工况、高温耐温工况、高温工作工况以及低温工作工况下，储液器容积与工质量之间的关系式；将高温工作工况下的储液器容积与工质量的关系式分别带入低温启动工况和高温耐温工况下的关系式中，得到储液器容积的最小值与最大值；

在所述最小值与最大值之间选取一个值作为储液器容积，分别计算高温工作工况和低温工作工况对应的工质量；若低温工作工况下的工质量大于或等于高温工作工况下的工质量，则表示选取的储液器容积不匹配；在所述最小值与最大值之间重新选取一个值作为储液器容积，直到低温工作工况下的工质量小于高温工作工况下的工质量，此时选取的储液器容积和高温工作工况下的工质量即为所求。

2.如权利要求1所述的环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，其特征在于，低温启动工况下，温度为各部件的工作温度下限，蒸汽管路、冷凝管路、液体管路全部充满液体，蒸发器的毛细芯内吸满液体，储液器内为气液两相态，储液器内液体工质的体积含量不小于储液器容积的1/3。

3.如权利要求1所述的环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，其特征在于，高温耐温工况下，温度为各部件在热环境试验过程中经历的最高温度，蒸发器的毛细芯、蒸汽管路、冷凝管路、液体管路、储液器全部充满液体，环路热管全部充满液体工质时计算的工质量与真实的工质量M的比值不小于1.1。

4.如权利要求1所述的环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，其特征在于，高温工作工况下，温度为各部件的工作温度上限，蒸发器的毛细芯、液体管路、储液器全部充液液体，蒸汽管路为饱和蒸汽，冷凝管路分为气液两相段和液体段，其中气液两相段占85％，液体区占15％；在气液两相段，液体含量占20％。

5.如权利要求1所述的环路热管储液器容积与工质量匹配设计方法，其特征在于，低温工作工况下，温度为各部件的工作温度下限，蒸发器的毛细芯、液体管路、储液器全部充液液体，蒸汽管路为饱和蒸汽，冷凝管路包含气液两相段和液体段，其中，气液两相段中，液体含量占20％。