熱負荷對R141b熱力學排氣系統自增壓特性及排氣損失的影響

陳忠燦，黃永華，汪彬，李鵬，孫培杰，王天祥，崔佳勛

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熱負荷對R141b熱力學排氣系統自增壓特性及排氣損失的影響

陳忠燦1，黃永華1，汪彬1，李鵬2，孫培杰2，王天祥3，崔佳勛1

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2上海宇航系統工程研究所，上海 201108；3航天低溫推進劑技術國家重點實驗室，北京 100028）

為了研究低溫推進劑在軌貯存技術所涉及的基本科學問題，在以R141b為氣液相變儲存介質的室溫溫區熱力學排氣系統（TVS）模擬裝置上，進行了“漏熱”功率分別為120、160和200 W的儲箱壓力控制實驗研究。獲得了TVS作用下的儲箱增壓特性，3種熱負荷下自增壓速率分別為6.43、12.92和18.05 kPa·h-1。將采用TVS方法與定期直接放空法控制儲箱壓力產生的工質損失進行了對比，以其中熱負荷120 W工況為例，采用TVS方法可減少工質損失79.3%。若是處于氣液不分離的在軌微重力環境中，以直接放空時氣體中夾帶40%液體計，采用TVS方法可減少工質損失84.7%，驗證了TVS方法在控制儲箱壓力方面的優越性。

R141b；熱力學；壓力控制；傳熱；相變

引 言

深空探測和空間站建設運行等任務都對低溫推進劑（如液氫、液氧、液態甲烷等）提出了在軌貯存的要求[1]。然而，由于太陽熱輻射的存在，即使處于真空環境的低溫推進劑儲箱外部包覆高性能的多層絕熱材料，仍然會有0.1～1 W·m-2量級的漏熱進入儲箱[2-3]，使得低溫推進劑汽化從而造成箱內壓力升高。此外，在微重力環境中相變流體的氣液相不明顯分離且自然對流基本消失，在不采取措施的情況下，低溫推進劑必然出現嚴重的熱分層[4]，從而加速壓力攀升過程。當達到儲箱設計壓力許用值時，必須給予排放。若簡單采用安全閥或定期直接放空的方法，則必然導致大量低溫氣液混合物排出箱外，造成嚴重的推進劑質量損失。尋求一種既可以有效控制儲箱壓力又可以在相同條件下將低溫推進劑損失最小化的新技術手段，對于低溫推進劑的在軌貯存實為重要。熱力學排氣系統（thermodynamic vent system，TVS)[5-7]便是能夠滿足這一要求的有效解決方案之一。它一方面通過內部噴射器的噴射攪動消除推進劑熱分層，另一方面能夠不依賴于儲箱內氣液界面位置的分布情況進行只排氣不排液，而且可以充分利用所排放氣體節流后的溫降，冷卻儲箱內剩余推進劑，在雙重作用下有效控制儲箱壓力。

1999～2014年間，Hastings等[8-12]在多用途氫測試臺（MHTB）上先后進行了不同充注率和環境漏熱下的液氮、液氫和液態甲烷貯存實驗來考察TVS的性能，其實驗結果表明，噴射桿TVS能有效將儲箱內這幾種流體的壓力變化幅度控制在約6.9 kPa。我國在低溫推進劑長期在軌貯存技術方面的研究剛剛起步，大多停留在文獻搜集和調研層面[13-18]，也有初步方案的討論和論證工作[19-20]，與國際先進水平仍有較大差距。為了盡快掌握有關低溫推進劑管理的核心技術，亟需開展熱力學排氣相關技術的實驗研究工作。然而，一方面一步到位搭建一套直接針對液氫、液氧等低溫推進劑的熱力學排氣測試系統組件設備技術難度大、安全要求高、造價昂貴；另一方面，開展相關的熱力學排氣系統理論仿真需要豐富的實驗數據作為對比和檢驗參照?；谏鲜霈F實和需求，本文工作設計和研制了一套工作于室溫溫區的熱力學排氣系統模擬裝置，用于在安全可靠和低成本的先決條件下，摸索和揭示用于氣液相變流體的熱力學排氣技術的基本共性規律。該系統選用無毒、不可燃、安全性高的制冷劑R141b為模擬工質，其正常沸點為32.05℃，適合室溫溫區熱力學排氣過程模擬要求。

利用上述熱力學排氣系統模擬裝置，在熱負荷分別為120、160和200 W工況下進行儲箱壓力控制實驗，研究TVS作用下的儲箱增壓特性。通過與采用定期直接放空方法控制儲箱壓力產生的工質損失量進行對比，來驗證TVS方法在控制儲箱壓力方面的優越性和實際可操作性，為后續低溫熱力學排氣系統的研究提供指導和積累經驗。

1 實驗裝置

實驗系統如圖1所示，主要由儲箱、循環泵、換熱噴射裝置、節流閥、補氣增壓管路、各類傳感器、數據采集與自動控制單元、電加熱等組成。

其中儲箱為直徑450 mm、高790 mm、壁厚3 mm的圓筒體，兩端分別為上封頭與下封頭，上封頭通過連接法蘭與儲箱主體相連，實現儲箱的敞開和密閉，當需要安裝、更換儲箱內部被測部件時，可通過打開連接法蘭并移走上端封頭實現（圖2）。在儲箱內設置一環氧垂桿，在上面等間距地布置有溫度傳感器，用于測量儲箱內部流體沿儲箱軸向溫度分布。換熱噴射裝置采取套管式結構（圖3）：內管外徑14 mm、壁厚0.5 mm，走熱流體，與冷端流體換熱后經噴射器外壁密布的小孔噴回儲箱；外管外徑19 mm、壁厚0.5 mm，走經過節流閥降溫后的冷流體，在與熱流體換熱完成后排出儲箱。內管與外管之間的夾層沿軸向螺旋纏繞紫銅絲，用以增強流體擾動，提高換熱效率。該換熱噴射裝置總高605 mm，為獨立的結構，采用法蘭固定于儲箱下端封頭內側底部，方便安裝、拆卸、更換。

傳感器主要包括分別用于測量溫度、壓力、氣體流量、液體流量、液位的Pt100鉑電阻、壓力傳感器、氣體流量計、液體流量計和差壓液位計，其量程及精度見表1。差壓液位傳感器布置在儲箱外底部，與差壓液位傳感器相連的氣相引壓管與液相引壓管均沿儲箱內壁面布置，不僅降低了外界環境漏熱的影響，也減少了對于儲箱內流場及溫場的影響。數據采集與自動控制單元主要由上位機的LabView程序、下位機的Agilent多路數據采集儀、PLC以及作為執行機構的電磁閥和循環泵組成。LabView程序讀取和記錄Agilent采集到的溫度、壓力、流量和液位等數據后進行邏輯判斷，通過向PLC發送命令控制電磁閥及循環泵的開啟與關閉。電加熱由緊貼儲箱外壁面的4片功率可調的半開式加熱瓦組成，既可以模擬儲箱均勻漏熱，也可以模擬儲箱非均勻漏熱。

表1 測量系統中傳感器的量程及精度

2 實驗方法

2.1 不同熱負荷時TVS作用下儲箱增壓特性的獲得

按照敞口蒸發階段、自增壓階段和TVS作用階段依次進行操作即可獲得儲箱增壓特性。

敞口蒸發階段的主要目的是測量實際進入儲箱中的熱量。電加熱開啟后，熱量進入儲箱，工質蒸發，當達到穩態工況時，實際進入儲箱中的熱量real可由式（1）計算

敞口蒸發階段結束后，關閉儲箱所有閥門進行自增壓，直至儲箱壓力達到設定的壓力帶上限后進入TVS作用階段。

TVS作用階段可分為兩個過程：過程Ⅰ，循環泵抽取儲箱中的液體或氣液兩相流，將它直接壓入噴射器，再經過噴射器外壁密布的小孔噴出返回儲箱，以此攪動儲箱內的液體，消除熱分層，產生一定的壓力控制效果；過程Ⅱ，當單獨的噴射攪動已不再有進一步的收效，即不能達到壓力控制要求時，循環泵送出的部分液體通過節流閥降溫得到過冷低壓流體，并進入套管式換熱器冷端與換熱器熱端流動的液體進行熱交換，吸收熱量后自身溫度升高并完全汽化，排出儲箱，而換熱器熱端的流體則被冷卻后回到儲箱內與其余儲液混合。其綜合結果是在損失少量儲液（氣化）的情況下，將漏入儲箱熱量帶出，從而實現儲箱內的壓力控制。

在熱負荷分別為120、160和200 W工況下依次按照上述3個階段進行操作即可得到不同熱負荷下儲箱增壓特性。為了體現可比性，3組實驗均選取具有代表性的初始充注率50%，泵流量0.072 kg·s-1，通過節流閥的流量占泵流量的5%（節流閥流量可由圖1中“9—flowmeterⅠ”的測量值減去“12—flowmeterⅡ”的測量值獲得），壓力帶上限設為表壓90 kPa，下限設為表壓80 kPa。

2.2 TVS方法和定期直接放空法產生的工質損失量的獲得

TVS作用階段，由氣體流量計測得的排氣質量即為應用TVS方法產生的工質損失量。采用定期直接放空法控制儲箱壓力與TVS方法具有相同的敞口蒸發階段和自增壓階段，不同點在于：當儲箱壓力升高至壓力帶上限時，該方法開啟儲箱頂部閥門直接放空氣體，排氣質量同樣可由氣體流量計測得，待儲箱壓力降低至壓力帶下限時，關閉閥門重新增壓。為保證可對比性，定期直接放空法的壓力帶上、下限同樣分別為表壓90 kPa和表壓80 kPa，充注率為50%。

3 結果與討論

3.1 熱負荷對TVS作用下儲箱增壓特性的影響

在敞口蒸發階段，系統達到穩態時，3種熱負荷下測得的儲箱工質蒸發流量及通過式（1）計算得到的實際進入儲箱中的熱量見表2?？梢?，盡管儲箱及管路外部都包覆有厚約10 mm的保溫棉，加熱瓦提供的熱量仍有部分散失在環境中。

表2 實驗測得實際進入儲箱的熱量

圖4給出了自增壓階段不同熱負荷時儲箱壓力變化曲線。熱負荷越大，增壓速率越大。120、160和200 W熱負荷時，增壓速率分別為6.43、12.92、18.05 kPa·h-1，且儲箱壓力均近似呈線性增加。

自增壓階段= 4 h時，3種熱負荷下，由垂桿上等間距布置的溫度傳感器測得的儲箱內沿軸向溫度分布如圖5所示。圖中右縱坐標軸示出了儲箱底部、頂部以及加熱瓦在儲箱側壁的安裝位置。3種熱負荷下溫度分布規律相似：氣、液相中均存在熱分層，液相尤為明顯。

方差是衡量一組數據離散程度的度量，可由式（2）算出

式中，2為方差；為樣本數量；x為樣本數據；為樣本平均值。若用方差來定量衡量儲箱內部軸向熱分層的程度，則自增壓階段= 4 h時，120、160和200 W 3種工況下，由垂桿上溫度傳感器所測溫度的方差見表3。可見，在上述3種熱負荷下，液相熱分層的程度分別為氣相的77倍、64倍和68倍。無論是氣相還是液相，熱負荷越大，熱分層越嚴重。

表3 自增壓階段t=4 h時垂桿上溫度傳感器測得的溫度方差

儲箱壓力達到設定的上限（表壓90 kPa）后進入TVS作用階段。TVS作用階段分兩個過程進行，過程Ⅰ單單依靠噴射器的噴射攪動作用，消除熱分層，將儲箱壓力控制在壓力帶內。當單純的噴射攪動不能達到壓力控制要求時，進入過程Ⅱ，即依靠噴射攪動與換熱排氣雙重作用控制儲箱壓力。圖6(a)～(c)分別給出了120、160及200 W熱負荷時，TVS作用下的儲箱壓力控制曲線。需要說明的是，由于閥門開啟后的降壓過程幾乎在瞬間完成，而Agilent數采儀的采集速率相對較慢，不能完全保證系統在儲箱壓力降低到壓力帶下限時恰好停止工作，但這對于分析TVS作用規律不會產生影響。經實驗測定，熱負荷為120 W時，單單依靠噴射器的噴射攪動，系統可以連續工作7.75 h；熱負荷為160 W時，系統可工作2.23 h；而當熱負荷升至200 W時，系統僅可工作1.55 h?？梢酝茢啵敓嶝摵衫^續升高至一定值時，TVS開啟時將越過過程Ⅰ直接進入過程Ⅱ。圖6(d)為Hastings等[10]針對液氫充注率為25%、漏熱量為18.8 W工況下獲得的壓力控制周期曲線。本文實驗在工質種類、儲箱尺寸、漏熱量、充注率、壓力控制帶等方面與Hastings等所做實驗存在差異，使得儲箱增壓速率不同，無法進行直接的定量比較，但從定性角度看，對比圖6(a)～(c)和圖6(d)，本文所獲得壓力控制周期曲線變化規律（將在后文詳細闡述）與他們的實驗結果基本吻合。

為了更直觀、清晰地比較不同熱負荷時TVS的作用規律，圖7給出了120、160和200 W工況下的TVS壓力控制過程Ⅰ和過程Ⅱ各一個周期的曲線。

6組曲線具有相同的變化趨勢，即TVS作用后，儲箱壓力迅速降低（a-b段），而與此同時儲箱中液體溫度變化很小，液體過熱出現閃蒸，導致儲箱壓力出現短時間急劇增加（b-c段），而后液體過熱度減小，儲箱壓力開始緩慢上升（c-d段）。進一步對比可以發現，由于換熱排氣作用，儲箱部分熱量被帶出，使得120和160 W熱負荷時換熱排氣階段（spray+vent對應的b-c-d段）升壓速率低于單純依靠噴射器作用階段（spray對應的b-c-d段）的升壓速率。而當熱負荷升至200 W時，進入儲箱的熱量過大，換熱排氣作用對儲箱壓力升高的抑制失效，從而導致換熱排氣階段升壓速率略高于單純依靠噴射器作用階段升壓速率。

圖8(a)、(b)分別給出了200 W熱負荷時TVS作用下儲箱內部軸向溫度及液位隨時間的變化。噴射器第1次開始工作=15.78 h時，儲箱最大熱分層產生的上下溫差約為19.3℃，方差為4.83；而當進行到=17.38 h時，儲箱最大熱分層造成的溫差僅為0.95℃，方差為0.8。這表明依靠噴射器的攪動可以明顯消除熱分層。此外，氣體側溫度進行周期性振蕩，其平均值在該過程中基本保持恒定，而底部的液體溫度則呈現出臺階狀升高規律。這說明噴射器實質上相當于起到了沿豎直方向工作于液相和氣相之間的“導熱棒”作用，即通過沿筒體徑向的噴射與氣液界面的蒸發冷凝過程，將頂部溫度較高的氣體中的熱量有效傳遞到底部溫度較低的液體。由于液體的比熱容較大并且汽化過程中伴有潛熱釋放，從而有效抑制了氣體溫度的過快增長，也就最直接地控制了儲箱壓力。噴射器工作工程中，儲箱內部分液體被抽取并噴向氣相區及壁面，使得儲箱中液位迅速降低；噴射器停止工作后，氣相中及殘留在壁面的液體又重新回到液相區中，液位逐漸恢復到原來狀態。因而，TVS作用過程中儲箱中液位也出現了與氣相壓力、溫度相似的周期性振蕩。120和160 W熱負荷時的溫度及液位變化規律與上述相同，不再贅述。

換熱器是TVS系統中的一個核心部件。本文所采用的換熱器為套管式結構，順流布置。圖9給出了加熱功率為160 W時，噴射攪動與換熱排氣共同作用過程中換熱器內管及外管的進出口溫度變化曲線。內管熱流體經換熱后出口溫度低于入口溫度，而外管冷流體經換熱后出口溫度高于入口溫度，系統依靠內外管冷熱流體換熱將儲箱內部部分熱量帶出，從而實現儲箱壓力控制。

經計算外管冷流體入口平均溫度為30.7℃，出口平均溫度為35.7℃。假設冷流體入口為飽和液體，出口壓力為排氣背壓（101.325 kPa），則冷流體經換熱器從儲箱帶走的熱量ex可由式（3）算出

3.2 TVS方法與定期直接放空法產生的工質損失量對比

分別采用TVS方法及定期直接放空法控制儲箱壓力產生的工質損失對比如圖10所示，圖中工質平均損失速率由式（4）算出

式中，為將儲箱壓力保持在壓力帶內的總時間；loss為時間內總的工質損失量。

與定期直接放空法相比，120、160和200 W熱負荷時采用TVS方法分別減少工質損失79.3%（0.46 kg·h-1）、61.3%（0.57 kg·h-1）和39.6%（0.57 kg·h-1），這充分說明了TVS方法在控制儲箱壓力方面的優越性。而在深空探測任務中由于微（零）重力下氣液不明顯分離，直接放空排氣時會夾帶液體。假設夾帶液體比例為40%，則在上述相應熱負荷時采用TVS方法可分別減少工質損失84.7%（0.81 kg·h-1）、72.2%（1.3 kg·h-1）、57.0%（2.0 kg·h-1）。如果是初期接近滿罐的高填充率狀態下，相比而言采用的優勢將會更加明顯。

4 結 論

在120、160和200 W 3種熱負荷工況下進行了TVS作用下儲箱壓力控制實驗，得到了相應工況下儲箱增壓特性，并將采用TVS方法與定期直接放空法控制儲箱壓力產生的工質損失進行了對比，得到如下結論。

（1）自增壓過程中壓力近似呈線性增長，氣液相中均存在熱分層，液相尤為明顯，無論是氣相還是液相，熱負荷越大，熱分層越嚴重。

（2）由于換熱與排氣共同作用，漏入儲箱的絕大部分熱量被有效排出，換熱排氣階段升壓速率低于單純依靠噴射器作用階段的升壓速率。

（3）與采用定期直接放空法相比，在120、160和200 W熱負荷時采用TVS方法可分別減少工質損失79.3%、61.3%、39.6%，而當直接放空氣體中夾帶40%液體時，工質損失可分別減少84.7%、72.2%、57.0%，驗證了采用TVS方法在控制儲箱壓力方面的優越性和實際可操作性。

符 號 說 明

hc,out, hc,in, Δh——分別為換熱器冷流體出口及入口焓值和穩態敞口蒸發階段汽化潛熱，J·kg-1 mloss——排氣階段工質損失質量，kg , , ——分別為排氣階段工質損失速率、換熱器冷流體質量流率和穩態敞口蒸發階段質量流率，kg·s-1 pmax, pmin——分別為壓力帶上限和下限，kPa Qreal, Qex——分別為實際進入儲箱中的熱量及冷流體經換熱器從儲箱帶走的熱量，W t——排氣時間

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Effect on self-pressurization characteristics and mass loss of thermodynamic vent system for refrigerant R141b by heat load

CHEN Zhongcan1, HUANG Yonghua1, WANG Bin1, LI Peng2, SUN Peijie2, WANG Tianxiang3, CUI Jiaxun1

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201108, China;3State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants, Beijing 100028, China)

In order to study the fundamental problems involved in the storage of cryogens in space, the experimental investigation of tank pressure control was carried out on a simulator of thermodynamic vent system (TVS), which works at room temperature with refrigerant R141b as working fluid. The pressure control characteristics were obtained at heat load of 120, 160 and 200 W. The test results showed that the self-pressurization rate were 6.43, 12.92 and 18.05 kPa·h-1respectively at those three different heat load. Mass loss as a result of tank pressure control was compared between TVS method and direct gas vent method. Taking the heat load of 120 W as an example, the mass loss can be reduced by 79.3%. Assuming the mixture vented directly at zero-gravity containing 40% liquid, the TVS method can reduce the mass loss even by up to 84.7%. It was proved that the TVS method cannot only control the tank pressure but also significantly reduce the loss of the storage fluid.

R141b; thermodynamics; pressure control; heat transfer; phase change

2016-05-09.

HUANG Yonghua, huangyh@sjtu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160613

V 511.6

A

0438—1157（2016）10—4047—08

航天低溫推進劑技術國家重點實驗室基金項目（SKLTSCP1206-W）。

2016-05-09收到初稿，2016-06-01收到修改稿。

聯系人：黃永華。第一作者：陳忠燦（1990—），男，碩士研究生。

supported by the Open Research Fund of the State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic Propellants (SKLTSCP1206-W).