充注率及壓力控制帶對熱力排氣系統(tǒng)性能的影響

陳忠燦，秦旭進(jìn)，李鵬，孫培杰，汪彬，黃永華*

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；2-上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

0 引言

低溫推進(jìn)劑自身沸點低、汽化潛熱小，它在貯箱內(nèi)的貯存能力受到外層空間強(qiáng)烈的熱輻射、宇宙背景冷輻射、微重力條件、宇宙塵埃撞擊、儲存容器自身絕熱結(jié)構(gòu)材料等眾多因素的影響[1]。從熱力學(xué)角度而言，容器背陽面的冷輻射會使得貯箱內(nèi)該側(cè)流體過冷；而陽面的熱輻射會引起該側(cè)低溫液體的蒸發(fā)與過熱。由于處在微重力環(huán)境下，貯箱內(nèi)流體無法形成自然對流，而由表面張力和濃度梯度引起的Marangoni對流成為主要的傳熱手段[2]，但其較弱的傳熱效果必然使得貯箱內(nèi)建立起較大的溫度梯度，形成非均勻分布的氣液兩相流體[3-4]。另一方面，受照側(cè)液體的汽化占主導(dǎo)地位，它將導(dǎo)致貯箱內(nèi)部壓力的快速增高，當(dāng)達(dá)到貯箱設(shè)計許用值時必須給予排放。然而，在空間微重力條件下，液體和氣體并不像地面重力環(huán)境那樣出現(xiàn)氣體在上、液體在下的氣液自然分離，而是液團(tuán)中有氣泡、氣泡中懸浮液團(tuán)的混合狀態(tài)。常規(guī)的排氣方法不再適用，因為排氣必然夾帶液體，從而造成嚴(yán)重的質(zhì)量損失。尋求一種既可以有效控制貯箱壓力又可以在相同條件下將低溫推進(jìn)劑的損失最小化的新技術(shù)手段，對于低溫推進(jìn)劑的在軌貯存實為重要。熱力排氣系統(tǒng)（Thermodynamic Vent System，TVS）是一項能夠?qū)崿F(xiàn)微重力環(huán)境貯箱內(nèi)低溫推進(jìn)劑蒸發(fā)損失達(dá)到最小這一目標(biāo)的有效解決方案[5]。它通過噴射攪動混合與節(jié)流排氣雙重作用有效地控制貯箱壓力。

根據(jù)當(dāng)前的公開文獻(xiàn)，國外僅有NASA的馬歇爾飛行中心[6-13]、格林研究中心[14-15]和法國LEGI實驗室[16-17]進(jìn)行了TVS實驗研究。我國對TVS的研究大多停留在文獻(xiàn)搜集和調(diào)研層面[18-22]，也有初步方案的討論和論證工作[23-25]，未見相關(guān)實驗研究報道。為了盡快掌握有關(guān)低溫推進(jìn)劑管理的核心技術(shù)，亟需開展熱力排氣相關(guān)技術(shù)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(jìn)劑的熱力排氣測試系統(tǒng)技術(shù)難度大、安全要求高、造價昂貴；另一方面，開展相關(guān)的熱力排氣系統(tǒng)理論仿真需要豐富的實驗數(shù)據(jù)作為對比和檢驗參照。基于上述現(xiàn)實和需求，以制冷劑R141b（沸點32.05 ℃）為推進(jìn)劑的模擬貯存介質(zhì)，研制了一套工作于室溫溫區(qū)的熱力排氣測試系統(tǒng)，用于在安全可靠和低成本的先決條件下，摸索和揭示氣液相變流體的熱力排氣技術(shù)的基本共性規(guī)律[26]。

熱負(fù)荷、充注率、壓力控制帶是影響熱力排氣工作的重要因素。熱負(fù)荷對TVS性能的影響已在前期研究[27]中進(jìn)行了分析，本文利用上述熱力排氣系統(tǒng)模擬裝置，研究充注率（35%、50%、65%）和壓力控制帶（80 kPa～85 kPa、80 kPa～90 kPa、80 kPa～95 kPa）對熱力排氣系統(tǒng)作用下貯箱自增壓特性及排氣損失的影響。

1 實驗裝置

1.1 系統(tǒng)介紹

實驗系統(tǒng)主要由貯箱、循環(huán)泵、換熱噴射裝置、節(jié)流閥、補(bǔ)氣增壓管路、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集與自動控制單元、電加熱器等組成，系統(tǒng)流程圖及三維示意圖如圖1所示。

圖1中貯箱為直徑450 mm、高790 mm、壁厚3 mm的圓筒體。在貯箱內(nèi)設(shè)置一垂桿，在垂桿上等間距布置有溫度傳感器，用于測量貯箱內(nèi)部流體沿貯箱軸向溫度梯度。貯箱充注率及溫度傳感器安裝示意圖如圖2所示。換熱噴射裝置（如圖3所示）采取套管式結(jié)構(gòu)，將兩股流體換熱與其中一股返回貯箱的流體噴射雙重功能耦合為一體。采用LabView程序讀取和記錄Agilent采集的溫度、壓力、流量和液位等數(shù)據(jù)后進(jìn)行邏輯判斷，通過向PLC發(fā)送命令控制電磁閥及循環(huán)泵的開啟與關(guān)閉。為了模擬貯箱空間漏熱，在貯箱外壁面安裝4片功率可調(diào)的半開式加熱瓦（安裝位置見圖2），可以模擬貯箱均勻漏熱和非均勻漏熱。

圖2 貯箱充注率及溫度傳感器安裝示意圖

圖3 換熱噴射裝置三維示意圖

1.2 系統(tǒng)測量誤差分析

本實驗系統(tǒng)需要測量的物理量有壓力、溫度、氣體流量、液體流量、液位，各物理量誤差分析如下。

壓力傳感器的測量精度為0.2% FS。此處0.2%FS為引用誤差，它是一種特殊的相對誤差，等于測量的絕對誤差與儀表的滿量程值之比。壓力傳感器量程為0～0.4 MPa，實驗測量過程中最大氣枕壓力為0.09 MPa，故測量誤差為0.4×0.2%/0.09=0.89%。

鉑電阻的測量精度為±0.1℃，而實驗工況范圍內(nèi)最小溫度為32.05 ℃，因此溫度的測量誤差為0.1/305.2=0.31%。

氣體流量計的測量精度為±0.2% FS，量程為0～20 L/min，實驗過程中氣體流量最大為6.24 L/min，因此氣體流量的測量誤差為20×0.2%/6.24=0.64%。液體流量計的精度為讀數(shù)的±0.1% FS，量程為0～20 L/min，實驗過程中液體流量最大為4.8 L/min，因此液體流量的測量誤差為20×0.1%/4.8=0.41%。

液位計的測量精度為±0.075% FS，量程為0～1,000 mm，實驗過程中最大液位為500 mm，因此液位的測量誤差為1,000×0.075%/500=0.15%。

1.3 控制策略

TVS工作過程包含混合模式和排氣模式。

混合模式：循環(huán)泵抽取貯箱中的液體或氣液兩相流，將它直接壓入噴射器，再經(jīng)過噴射器外壁密布的小孔噴出返回貯箱，以此攪動貯箱內(nèi)的液體，消除熱分層，產(chǎn)生一定的壓力控制效果。

排氣模式：循環(huán)泵送出的部分液體通過節(jié)流閥降溫得到過冷低壓流體，再進(jìn)入套管式換熱器冷端與換熱器熱端流動的液體進(jìn)行熱交換，吸收熱量后自身溫度升高并完全汽化，排出貯箱；而換熱器熱端的流體則被冷卻后回到貯箱內(nèi)與其余儲液混合。

如何運行上述兩種工作模式稱為控制策略，本文采用如下控制策略：在TVS工作的初期，當(dāng)貯箱氣枕壓力上升到壓力帶上限時，開啟閥門V1、V2以及循環(huán)泵,當(dāng)貯箱氣枕壓力下降到壓力帶下限時，關(guān)閉閥門V1、V2以及循環(huán)泵，即僅靠混合模式控制貯箱壓力。當(dāng)僅靠該模式不能控制貯箱壓力時（混合模式運行過程中貯箱壓力升高），同時開啟閥門V3和V4，即同時運行排氣模式。

2 實驗方案及方法

為了保證可對比性，在研究每一個參數(shù)的影響時，其他參數(shù)保持相同。具體實驗方案如表1所示。每組實驗按照敞口蒸發(fā)階段、自增壓階段和TVS作用階段依次進(jìn)行操作即可獲得該工況下貯箱增壓特性及排氣損失：

敞口蒸發(fā)階段的主要目的是測量實際進(jìn)入貯箱中的熱量。電加熱開啟后，熱量進(jìn)入貯箱，工質(zhì)蒸發(fā)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，實際進(jìn)入貯箱中的熱量Qreal可由式(1)計算：

式中：

Qreal——貯箱漏熱量，W；

Δh——汽化潛熱，J/kg。

敞口蒸發(fā)階段結(jié)束后，關(guān)閉貯箱所有閥門進(jìn)行自增壓，直至貯箱壓力達(dá)到設(shè)定的壓力帶上限后進(jìn)入TVS作用階段。

表1 實驗方案

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 充注率的影響

表2為35%、50%和65%充注率下實驗測得實際進(jìn)入貯箱中的熱量；3種充注率工況下，加熱瓦功率均為160 W。盡管貯箱及管路外部包覆有厚約10 mm的保溫棉，加熱瓦提供的熱量仍有部分散失到環(huán)境中，且由于液體的熱容大于氣體熱容，故實際進(jìn)入貯箱中的熱量隨著充注率增加而略有增加。

表2 3種充注率下實驗測得實際進(jìn)入貯箱的熱量

自增壓階段3種充注率工況下貯箱氣枕壓力變化曲線如圖4所示。充注率越小，氣相區(qū)比例越大，由于氣體熱容遠(yuǎn)小于液體，故增壓速率越大。除35%充注率工況初始階段外，3種充注率下貯箱壓力均近似成線性增加。

圖4 3種控制邏輯工質(zhì)損失對比

圖5(a)～圖5(c)為3種充注率工況時TVS作用下貯箱氣枕壓力變化曲線，同時為了更直觀、清晰地比較不同充注率時TVS的作用規(guī)律，圖5(d)給出了一個周期壓力變化對比圖。觀察圖5(d)，6組曲線具有相同的變化趨勢：TVS作用過程中貯箱壓力迅速降低（a-b段），與此同時貯箱中液體溫度變化很小，故TVS作用后，液體過熱出現(xiàn)閃蒸，導(dǎo)致貯箱壓力出現(xiàn)短時間急劇增加（b-c段），而后液體過熱度減小，貯箱壓力開始緩慢上升（c-d段）。在35%、50%和65%充注率時，TVS作用后，貯箱氣枕壓力由壓力帶下限重新增加至壓力帶上限速率分別為103.39 kPa/h、113.19 kPa/h和117.62 kPa/h，分別為自增壓階段的5.2倍、7.5倍和9.25倍。與自增壓階段規(guī)律相反，TVS作用后，充注率越大，貯箱氣枕壓力升高速率越大。這可能是由于在自增壓階段，氣體側(cè)受熱膨脹導(dǎo)致貯箱壓力升高占主導(dǎo)地位，而TVS作用后，液體具有較大過熱度，此時液體汽化導(dǎo)致貯箱壓力升高占主導(dǎo)地位。進(jìn)一步對比可以發(fā)現(xiàn)，由于換熱排氣作用，貯箱部分熱量被帶出，使得各充注率工況的換熱排氣階段（混合+排氣階段對應(yīng)的b-c-d段）升壓速率低于單純依靠噴射器作用階段（混合階段對應(yīng)的b-c-d段）的升壓速率。

表3為不同充注率時噴射棒單獨作用時間和節(jié)流閥開啟頻率數(shù)據(jù)。充注率越大，噴射棒單獨作用時間越短，節(jié)流開啟頻率越大，這也意味著相同時間內(nèi)，會產(chǎn)生更多的排氣損失。因此，從工質(zhì)損失角度考慮而言，貯箱充注率不應(yīng)過大。

圖5 3種充注率工況時TVS作用下貯箱壓力變化曲線

表3 不同充注率時噴射棒單獨作用時間和節(jié)流閥開啟頻率對比

3.2 壓力控制帶的影響

圖6給出了3種壓力控制帶工況時，貯箱壓力變化曲線及一個周期對比圖。從圖中可以看到不管是哪一種寬度的控制帶，TVS系統(tǒng)都可以很好地將氣枕壓力控制在壓力控制帶的范圍內(nèi)，區(qū)別在于系統(tǒng)運行的頻率及時間不同，壓力基本變化規(guī)律和不同充注率時類似。

圖6 3種壓力控制帶工況時TVS作用下貯箱壓力變化曲線

表4為不同壓力控制帶時節(jié)流閥開啟頻率及工質(zhì)平均損失速率。工質(zhì)平均損失速率由式(2)算出：

式中：

loss——工質(zhì)平均損失速率，kg/s；

t——貯箱壓力保持在壓力帶內(nèi)時間，s；

mloss——t時間內(nèi)總的工質(zhì)損失量，kg。

壓力控制帶寬度越大，節(jié)流開啟頻率越小，而工質(zhì)平均損失速率卻隨著壓力控制帶寬度的增加先減小后增大，這是由于雖然隨著控制帶寬度的增加，TVS運行次數(shù)減少了，但是其單次運行時間增大了，兩者綜合作用使得工質(zhì)損失速率先減小后增大。因此，從工質(zhì)損失角度考慮而言，壓力控制帶寬度不宜過大或過小。

表4 節(jié)流閥開啟頻率及工質(zhì)平均損失速率對比

4 結(jié)論

本文利用以R141b為模擬工質(zhì)的熱力排氣系統(tǒng)裝置，研究了充注率（35%、50%、65%）和壓力控制帶（80 kPa～85 kPa、80 kPa～90 kPa、80 kPa～ 95 kPa）對熱力排氣系統(tǒng)作用下貯箱自增壓特性及排氣損失的影響。得到如下結(jié)論：

1）自增壓階段，充注率越大，增壓速率越小，而TVS作用后，充注率越大，貯箱氣枕壓力升高速率越大；

2）充注率越大，噴射棒單獨作用時間越短，節(jié)流開啟頻率越大，相同時間內(nèi)產(chǎn)生更多的排氣損失；從工質(zhì)損失角度考慮而言，貯箱充注率不應(yīng)過大；

3）工質(zhì)平均損失速率隨著壓力控制帶寬度的增加先減小后增大，對于TVS系統(tǒng)存在一個最優(yōu)壓力控制帶寬度使得排氣損失最小。