浴油調溫型真空熱模擬器熱特性研究

周于夢秋，孫興華，肖顯斌，丁保迪，劉守文（.華北電力大學，北京 006；.北京衛星環境工程研究所，北京 006）

浴油調溫型真空熱模擬器熱特性研究

周于夢秋1，孫興華2，肖顯斌1，丁保迪1，劉守文2（1.華北電力大學，北京 102206；2.北京衛星環境工程研究所，北京 102206）

通過傳熱分析，建立浴油調溫型熱真空模擬器各環節的換熱模型。在已建立的換熱子模型基礎上運用穩態增進的方法，將各環節進行迭代聯動，得出試驗試件在整體試驗操作作用下的溫度響應曲線。根據試件的溫度響應曲線，提出適當油溫預判值策略，優化控溫操作。該控溫策略通過驗證，具有明顯縮短試驗中溫度響應時間的效果。

真空熱模擬器；溫度響應；預判值

0 引言

浴油調溫型真空熱模擬器與其他換熱介質的真空熱試驗設備一樣，是為即將投入宇宙空間執行工作的航天設備，提供一個模擬宇宙空間冷黑環境的試驗設備?；窘Y構由筒體、熱沉、冷板和筒體外的加熱裝置和制冷機組成。工作方式是通過將被測試件置于冷板上，當需要測試試件在某一特定溫度和壓力條件下的工作性能時，首先調節加熱、制冷裝置改變其中的介質溫度，介質流通于冷板和熱沉管道內進行換熱，使處于真空熱環境下的試件盡快達到試驗目標溫度。

調溫方式通?？梢酝ㄟ^多次試驗摸索出一定規律，但缺乏相應理論基礎。同時，目前的控溫速度和控溫精度還不足以滿足試驗要求。文章對整個系統的非穩態傳熱特性的研究就是為了使控溫方式更具有普遍性和適應性，同時提高控溫速度和控溫精度。

1 設備結構與參數

從不同型號的熱真空設備設計相關文獻，例如VM800型[1]、VM1000型[2]，可以看出熱真空設備的主要結構。試驗設備基本由真空容器、熱沉系統、制冷系統、真空系統以及測控系統組成[2]。在制冷方式上，通常有液氮制冷、制冷劑制冷、氣氮調溫和浴油調溫等，加熱方式還會有紅外加熱籠調溫方式。不同的制冷方式相應的溫度調節范圍也各不相同，其中浴油調溫的溫度范圍由-70～150℃，原理如圖1所示。

圖1 試驗設備簡圖Fig.1 Test equipment diagram

該設備和其他類型的真空熱試驗設備類似，主要由容器真空系統、熱沉與調溫系統等組成。試驗設備的原理是通過加熱器、壓縮型制冷機對油介質進行溫度控制，通過油介質來對冷板、熱沉進行升降溫，產品試件安裝在冷板表面，通過導熱對冷板進行高低溫控制，熱沉和試件安裝平臺都設置油介質通道。鑒于真空熱試驗設備中核心技術是真空技術和傳熱技術[3]，主要通過傳熱學分析其傳熱過程，不考慮設備詳細結構影響。熱沉與冷板材料為紫銅，試件默分別認為鋁制平板、圓柱、球體模型試件，導熱介質為油。

2 換熱子模型[4]

根據設備運行原理，可以從加熱器、壓縮制冷機開始到試件的溫度傳遞過程分為七個換熱步驟。首先是熱沉空載時，與一定溫度的油介質進行對流換熱；實際上冷板也屬于一種熱沉[5]，因此也考慮冷板內管壁與油介質之間存在的對流換熱方式；油介質在加熱器管道中的換熱方式也屬于對流換熱范疇；其次是熱沉與試件之間的輻射換熱；同樣熱沉與冷板之間的換熱方式也是輻射換熱；而冷板與置放在其上的試件既有輻射換熱亦存在熱傳導過程。換熱環節關系如圖2所示。

圖2 換熱環節關系簡圖Fig.2 The heat exchange link relationship diagram

2.1 對流換熱

（1）對流換熱熱沉空載時與油介質[6]、冷板內管壁與油介質溫度關系如式（1）：代入設定參數得：

式中：t為熱沉或冷板溫度，K；t0為熱沉或冷板初始溫度，K；t∞為熱沉管內油介質溫度，K；τ為時間參數，s；h為表面換熱系數，W/（m2·K）；ρ為熱沉材料的密度，kg/m3；c為熱沉、冷板的比熱容，J/（kg·K）；V為熱沉材料的體積，m3；

（2）油介質與加熱器溫度關系如式（3）：

式中：t′f、t″f分別為油介質管道入口溫度與管道出口溫度，K；tw為管壁的初始溫度，K；h為表面換熱系數，W（/m2·K）；c為油介質的比熱容，J（/kg·K）；A為管道換熱體積，m3；d為管道直徑，m；l為管道長度，m；qm為質量流量，kg/s。

2.2 輻射換熱

（1）一定溫度的熱沉與試件產品及熱沉與冷板換熱如式（4）：

式中：Tw和T2為冷板表面溫度，K；T1為熱沉溫度，K；A為試件表面面積，m2；ε為試件發射率；σ為史蒂芬玻爾茲曼常數5.67×10-8，W/（m2·K）；ρ為冷板材料的密度，kg/m3；c為冷板的比熱容，J/（kg·K）；V為冷板的體積，m3；

（2）冷板外管壁與試件間-輻射換熱

當考慮冷板外管壁與試件的輻射換熱時，由于冷板外管壁與試件之間存在直接接觸，發生熱傳導，所以應該同時考慮輻射與熱傳導的聯合作用，有文獻表示利用數值計算解法，計算空氣隙下穩態作用過程輻射與熱傳導。但是，斯特凡波爾茲曼公式Φ=εAσT4表明，式中史蒂芬玻爾茲曼常數σ為5.67×10-8W/（m2·K4），該設備調節溫度范圍約為200~400 K，因此非高溫情況下，輻射傳熱量很小?？芍啾扔谥苯咏佑|的熱傳導，輻射傳熱量較小。

因此，為了更方便的獲取系統內部非穩態傳熱特性，簡化系統非穩態傳熱過程的運算，此處考慮忽略計算熱沉（冷板）與試件、冷板外管壁與試件間的輻射換熱。

2.3 熱傳導換熱

正規狀況階段的簡化解法有擬合公式法與諾謨圖法，采用擬合公式分析解的方法，如式（5）：

表1為試件系數。

表1 試件系數[6]Table1 Specimen Coefficient

代入具體數值有：

（1）平板試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時間項，s。

（2）圓柱試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時間項，s。

（3）球體試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時間項，s。

無論是以平板、圓柱還是球體為模型的試件，溫度變化速率與時間都成對數關系。

3 子模型聯動

通過將系統內的換熱方式簡化獨立成七種換熱類型，得出相應溫度與時間的變化關系?，F將選取適當時間步長將系統內的換熱方式整合到一起，從而得出特定條件下整個試驗裝置內的溫度響應過程。

時間步長就是一個時間小量Δτ。通過計算某個時間節點上的溫度值，在移動一個時間步長Δτ的情況下到達下個時間節點，計算下一節點上的溫度值時同時將上個節點計算出的溫度值作為該節點已知的溫度條件，迭代上個節點的計算值，以此類推，直到完成計算最后一個時間節點上的溫度值，這樣就得到了整個溫度場分布。選擇時間步長就是用一種數值解的方法來描述動態的溫度場。在已經建立的數學模型條件下，結合從數學模型解析出溫度與時間的關系，選取1 s單位時間步長，逐個時間層的迭代推出整體溫度場分布。

轉溫工況示例：油介質、熱沉、冷板、試件的穩定溫度為250 K，加熱器制冷機處制動，調節油介質通流換熱管道管壁溫度為400 K。轉溫工況調條件下，平板、圓柱、球體的溫度響應曲線為圖3～圖5，由溫度響應曲線可看出，由調溫裝置到油介質，油介質到冷板，冷板到試件的溫度變化存在時滯性。同時溫度相應階段可以分為快速響應階段（初始0~300 s范圍內）及慢速響應階段（300 s之后）。慢速響應階段很大程度上影響了試件達到目標溫度的時間，降低試驗過程的控溫速度，影響控溫精度。

圖3 平板試件1 500 s內溫度變化圖Fig.3 Temperature variation of 1 500 s in flat plate specimen

圖4 圓柱試件1 500 s內溫度變化圖Fig.4 Temperature variation of 1500 s in cylindrical specimen

圖5 球體試件1 500 s內溫度變化圖Fig.5 Temperature variation of 1 500 s in sphere specimen

4 油溫預判值影響

4.1 油溫預判值

當進行浴油調溫型真空熱模擬實驗時，不論是啟動或者轉溫工況，都能得知一個初始條件和試件目的溫度。此時，要求依據模型給出對油溫的預判，就是指確定加熱器和壓縮制冷機處調節變溫溫度的溫度值，即溫度變化曲線中設定的管壁溫度值。從上述溫度響應圖中可以看出，試件溫度最終都能到達一開始設定的溫度預判值，只是需要相當長的時間去實現，因此這不是一個有意義的預判值。針對實驗條件設置適宜的油溫預判值才能縮短調溫時間提高設備利用效率。從試件的溫度響應曲線上來看，溫度響應過程分為快速響應階段、慢速響應階段以及平穩響應階段。對應曲線中斜率較大、中等以及平穩區域?？s短溫度響應時間可從快速響應階段入手，即提高預判值。

以平板試件的轉溫工況為例。對比油溫預判值提高為410 K、420 K情況時的溫度響應。

設置預判油溫值（設定值）為410 K、420 K，0~ 1 500 s內的溫度響應曲線如圖6所示。

圖6 溫度變化曲線圖Fig.6 Temperature change curve

由圖3、圖6可以看出，油溫預判值不同，溫度相應曲線不同。在圖3中當試件需要400 K的油溫預判值作用下，試件需要長于1 200 s，即20 min的時間來達到目的溫度，不存在超溫情況；在圖6（a）中410 K的油溫預判值作用下，需要約720 s，即12 min時長就可以達到目的溫度400 K，在接近400 K時需要輔助調低管壁溫度，否則會發生超溫，超溫范圍400~410 K；在圖6（b）中420 K的油溫預判值作用下，需要約600 s時長，即10 min讓試件達到400 K的目的溫度，在接近目標溫度時易發生超溫作用，超溫范圍400~420 K，此時需要輔助調低管壁溫度。

4.2 預判值策略

綜合不同預判值的曲線，設置油溫預判值與試件目的溫度相同時，耗時長；而設置油溫預判值越高越容易帶來超溫影響；因此建議參考溫度響應曲線，在試件將要達到目的溫度時就予以輔助調溫處理，防止超溫。根據分析總結提出一種控溫策略：

浴油溫度預判值=目標溫度±|目標溫度和初始溫度差值|×0.5（升溫為+，降溫為-），為防止超溫，經過200 s應立即改為試驗規定的目標溫度。溫度變化范圍為203～423 K，若是預判值超出溫度范圍，將設定極限值為預判值。在這種控溫策略下，能大大縮短溫度調節時間。

4.3 預判值策略示例

以273 K→373 K→223 K→273 K的溫度循環過程為例。未使用控溫策略時試件溫度響應過程如圖7所示。

圖7 未執行控溫策略溫度響應狀況圖Fig.7 Temperature response diagram of the temperature control strategy

使用控溫策略時試件響應過程如圖8所示，第一升溫階段預判值設定為423 K；第二降溫階段預判值設定為203 K；第三階升溫預判值段設定為298 K。在調整預判值200 s后恢復原始設定，以免超溫（升降溫超過溫度范圍，選擇界限溫度）。

圖8 執行控溫策略溫度響應狀況Fig.8 Temperature response diagram chart of temperature control strategy

通過對比可以發現，在溫度快速響應階段使用控溫策略情況下都有了很大的改善。

273～373 K室溫開始升溫階段，未使用控溫策略對比使用控溫策略的溫度響應時間為1 500～1 100 s，與未優化相比節省約7 min；373～223 K降溫階段，未使用控溫策略對比使用控溫策略的溫度響應時間為1 500～1 300 s，與未優化相比節省了約3.3 min；223～273 K升溫階段，未使用控溫策略對比使用控溫策略的溫度響應時間為1 450～1 250 s，與未優化相比節省了約5 min；

可以發現在該控溫策略下，當目標溫度與初始溫度差值越大時，同時目標溫度與上下限溫度差值越大，其改善的溫度響應效果越好越明顯。在373～223 K降溫階段，由于浴油調溫范圍為203~ 423 K，因此其油溫預判值只能選取到203 K，差值不大導致該階段溫度響應改善不明顯。但總體而言，不論是升溫過程、降溫過程、溫度循環過程，根據控溫策略改善的溫度響應時間有明顯的縮短效果。

5 總結

浴油調溫型真空熱試驗設備，作為宇宙空間冷黑環境的重要試驗設備，通常需要對預太空試件進行多次試驗。其試驗過程的長短一定程度上影響了航天事業的發展進步。通過建立設備試驗過程中各環節的傳熱模型，將各環節通過時間步長聯動，可以得到某試驗條件下的試件溫度響應曲線。根據既得的溫度響應曲線可以發現，在快速相應階段適當調整油溫預判值可大大縮短試驗中的溫度響應時間。但為了避免出現超溫現象，需要輔助調溫策略。

通過分析總結，提出一種優化試驗過程、縮短試驗時間的控溫策略。浴油溫度預判值=目標溫度±|目標溫度和初始溫度差值|×0.5（升溫為+，降溫為-）。在該控溫策略下，目標溫度與初始溫度差值越大、目標溫度與上下限溫度差值越大，其改善的溫度響應效果越好。同時配置20 s時間限制，需將終溫立即改為試驗規定的目標溫度。在此操控模式下，不但能有效提高溫度響應速率，還能起到防止超溫的作用。對于需要長期進行試驗檢驗的真空熱試驗設備而言具有顯著意義的。單次試驗時間可能不足以明顯顯示出其優勢，但對成千上萬次數以累計的時間成本，提高設備試驗效率效果卓然。

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[5]孫娟，劉國青，裴一飛.真空條件下冷板傳熱分析[J].航天器環境工程，2010（1）：67-70.

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THERMAL CHARATERISTIC STUDY ON THERMAL VACUUM SIMULATOR DEVICE

ZHOU Yu Meng-qiu1，SUN Xing-hua2，XIAO Xian-bin1，DING Bao-di1，LIU Shou-wen2
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Satellite Environment Engineering Research Institute，Beijing 102206，China）

Through thermal analysis，several heat transfer models of the thermal vacuum simulator were bulit.Based on the thermal models，we integrate all parts of the system by using stable step.And the temperature response curves of the test specimen were obtained.According to the temperature response curves，an appropriate method of prediction of temperature set value was proposed，and control of temperature during the tests was optimized.The temperature control strategy is verified，which has a significant effect on reducing the temperature response time.

thermal vacuum simulator；temperature response；predictive value

V416.5

A

1006-7086（2017）01-0031-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.006

2016-10-12

周于夢秋（1992-），女，北京人，碩士研究生，主要從事生物質/廢棄物/化石燃料高效清潔利用的理論與應用。E-mail:xiaoxianbin@tsinghua.org.cn。