一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法

文档序号:6636899阅读:243来源:国知局
一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法。使用本发明能够有效地对不凝气体在部分重力条件下对重力驱动两相流体回路的影响进行评估。本发明首先分析了最恶劣情况,即储液器气空间容积最小时,相同不凝气体量的分压力最大,重力驱动两相流体回路蒸发器相变温度升高幅度最大,不凝气体对重力驱动两相流体回路的影响最大,然后根据理想气体状态方程获得不凝气体的分压力,根据氨工质饱和蒸汽压与温度之间的关系获得氨工质的压力,从而获得蒸发器的温度,进而获得由不凝气体引起的重力驱动两相流体回路蒸发器与储液器之间的温差,从而对部分重力情况下不凝气体对重力驱动两相流体回路的最大恶劣影响情况进行评估。
【专利说明】-种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法

【技术领域】
[0001] 本发明设及航天器热控制【技术领域】,尤其设及一种不凝气体对部分重力驱动两相 流体回路影响分析方法。

【背景技术】
[0002] 在月球(或行星)着陆探测活动中,由于月球表面昼夜温差大、探测器月夜期间无 电能,为解决探测器月夜生存的难题,采用同位素核热源+重力驱动两相流体回路的热控 设计方案,重力驱动两相流体回路的系统组成如图1所示,包括蒸发器1 (包括丝网蒸发器 7、液体分流器8和蒸气汇流器9)、蒸气管路2、冷凝管路3、储液器4、液体管路6和控制阀 5,其中,冷凝管路3位于储液器4重力场上方,蒸发器1位于储液器4重力场的下方、并与 同位素热源禪合安装,储液器4内液面和蒸发器1底部之间形成重力辅助高度差;储液器 4通过液体管路6连接至蒸发器1入口,在液体管路6上设有控制阀5,蒸发器1出口依次 通过蒸气管路2、冷凝器管路3连接至储液器4,形成封闭的管路系统。为确保重力驱动两 相流体回路在-50°C?70°C温度范围内具有良好的传热特性,选择氨作为工作介质。月昼 期间,重力驱动两相流体回路控制阀5关闭,阻断同位素核热源的热量向探测器内部传递, 同位素核热源的热量通过自身的热福射向外散失,温度高达250°C?260°C,从而使得与之 禪合的蒸发器1的温度高达250°C?260°C。因重力驱动两相流体回路的工作介质为氨,回 路材质为022化17Nil2Mo2不诱钢,镶元素含量为10%?14%,氨在镶元素作催化剂、温度 高达250°C?260°C条件下,分解产生氮气和氨气等不溶于液体氨的不凝气体。月夜期间, 控制阀5开启,依靠月球重力的驱动,两相流体回路启动运行,随着氨工质的循环,回路内 部的不凝气体将全部聚集在储液器4上部的气空间(其氮气和氨气在液氨中的溶解度极微 量,可忽略),形成不凝气体的分压力,在储液器4温度不变的条件下,储液器4内氨工质的 饱和分压力不变,从而导致储液器4内总压力较无不凝气体时变大,导致系统压力升高,蒸 发器1内压力升高,工质氨在蒸发器1内相变温度升高,从而导致与蒸发器1禪合的同位素 核热源的温度升高,同位素核热源通过热福射散失的热量增大,因其发热量恒定,因此通过 重力驱动两相流体回路传入月球探测器的热量减小,对月球探测器的热控设计产生不利的 影响,因此需要对不凝气体对重力驱动两相流体回路的影响进行评估。
[0003] 通过对文献的调研,尚未查到国内外关于重力驱动两相流体回路中不凝气体影响 分析方法的报道。虽然可W直接采用重力驱动两相流体回路在地面上开展不凝气体的影响 验证,但存在如下问题:
[0004] 因月球重力加速度为地球重力加速度的1/6,对蒸发器1输入相同的热载荷,在保 证冷凝管路3的散热条件完全相同的条件下,重力驱动两相流体回路地面试验过程中丝网 蒸发器7、蒸气管路2、冷凝管路3中氨工质的液体含量将高于在月球工作时。因充装的氨 工质质量一定而且液体管路中工质均为液态,因此地面试验过程中储液器4的气空间容积 将大于月面工作时。对于相同量的不凝气体,地面试验时不凝气体的分压力小于月面工作 时,不凝气体引起蒸发器相变温度的升高W及同位素核热源温度升高的幅度将小于月面工 作时,因此直接在地面上进行不凝气体影响的试验验证无法评估月面上的真实影响。


【发明内容】

[0005] 有鉴于此,本发明提供了一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方 法,能够有效地对不凝气体在部分重力条件下对重力驱动两相流体回路的影响进行评估。
[0006] 本发明的不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法,包括如下步骤:
[0007] 步骤一,确定不凝气体的气体容积Vb:
[000引假设液态氨工质仅在重力驱动两相流体回路的储液器和液体管路中,根据氨工质 充装量、液体管路尺寸和储液器尺寸,得到储液器的气体容积,将所述储液器的气体容积确 定为不凝气体的气体容积Vb;
[0009] 步骤二,确定不凝气体的分压力Pb:
[0010] 测量储液器的温度,W储液器的温度作为不凝气体的温度Tb;根据理想气体状态 方程PJb= ruRTb得到不凝气体的分压力Pb,其中,rib为不凝气体量,R为气体常数;
[00川步骤S,确定蒸发器的温度心
[0012] W储液器的温度作为储液器内氨工质的温度T。。,代入氨工质的饱和蒸汽压与温度 之间的对应关系获得储液器内氨工质的分压力P。。;根据储液器的压力P。等于储液器内氨 工质的分压力P。。与步骤二获得的不凝气体的分压力P b之和,计算得到储液器的压力P根 据蒸发器压力Pz等于储液器的压力P。、蒸发器压力Pz即为蒸发器内氨工质的压力P az的等 效关系,将储液器的压力P。代入氨工质的饱和蒸汽压与温度之间的对应关系,得到蒸发器 内氨工质的温度T。,,将蒸发器内氨工质的温度Tji定为蒸发器的温度T
[0013] 步骤四,计算蒸发器与储液器的温差,得到不凝气体量与蒸发器和储液器温差的 对应关系,该对应关系用于表达部分重力情况下不凝气体量对重力驱动两相流体回路的影 响;蒸发器和储液器温差越大,表明不凝气体量对重力驱动两相流体回路的影响越大。
[0014] 其中,所述步骤二中不凝气体量的获得方法如下:
[0015] 步骤1,重力驱动两相流体回路不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T之间 的关系标定:
[0016] 步骤1. 1,向重力驱动两相流体回路中充入一定量的用于模拟不凝气体的高纯氮 气后,对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验,测量获得重力驱动两相流体回路中蒸 发器与储液器之间的温差,其中,氮气纯度不低于99. 999% ;
[0017] 步骤1. 2,改变高纯氮气的充入量,重复步骤1. 1,获得不同量的高纯氮气时对应 的蒸发器与储液器之间的温差,绘制高纯氮气量与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲 线,即重力驱动两相流体回路中不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线 C;
[0018] 步骤2,释放重力驱动两相流体回路内的工质和不凝气体,重新充装工质,进行寿 命试验,寿命试验结束后,将重力驱动两相流体回路的工作温度调为与步骤1进行传热特 性试验时的工作温度一致;测量获得蒸发器与储液器之间的温差;根据步骤1获得的关系 曲线C,获得该温差下对应的高纯氮气量,该高纯氮气量即为重力驱动两相流体回路产生的 不凝气体量。
[0019] 所述步骤1中重力驱动两相流体回路传热特性试验时,重力驱动两相流体回路的 工作温度尽可能接近其最低工作温度。
[0020] 有益效果;
[0021] 本发明首先分析了不凝气体对重力驱动两相流体回路的最恶劣的影响情况,即储 液器气空间容积最小时,相同不凝气体量的分压力最大,重力驱动两相流体回路蒸发器相 变温度升高幅度最大,不凝气体对重力驱动两相流体回路的影响最大,然后根据理想气体 状态方程获得不凝气体的分压力,根据氨工质饱和蒸汽压与温度之间的关系获得氨工质的 压力,从而获得蒸发器的温度,进而获得由不凝气体引起的重力驱动两相流体回路蒸发器 与储液器之间的温差,从而对部分重力情况下不凝气体对重力驱动两相流体回路的最大恶 劣影响情况进行评估。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1为重力驱动两相流体回路的系统组成示意图。
[0023] 图2为本发明方法的流程示意图。
[0024] 其中,1-蒸发器,2-蒸汽管路,3-冷凝管路,4-储液器,5-控制阀,6-液体管路, 7-丝网蒸发器,8-液体分流器,9-蒸汽汇流器。

【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
[0026] 本发明提供了一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法。
[0027] 重力驱动两相流体回路月面工作时,液体管路6、液体分流器8中为液相,丝网蒸 发器7、蒸气汇流器9、蒸气管路2、冷凝管路3为气液两相态,储液器4中工质在重力作用下 分层,下部空间为液态,上部空间为气相。对重力驱动两相流体回路而言,因工质的充装量 一定,丝网蒸发器7、蒸气汇流器9、蒸气管路2 W及冷凝管路3中液态氨工质的含量越小, 储液器4内液体工质占据的空间越大,气空间越小,相同不凝气体量的分压力越大,重力驱 动两相流体回路蒸发器相变温度升高幅度越大。由于气液两相流动的复杂性,无法对丝网 蒸发器7、蒸气汇流器9、蒸气管路2 W及冷凝管路3中液态氨工质的含量进行准确的分析, 因此无法准确计算储液器气空间的容积。为确保分析结果趋于保守,假定丝网蒸发器7、蒸 气汇流器9、蒸气管路2 W及冷凝管路3中全部为气态,储液器中液态氨工质占据的空间最 大,气空间容积最小,不凝气体分压力最大,对月球探测器热控的影响最恶劣。
[002引此时,氨工质位于储液器4和液体管路6中,由于氨工质的充装量、液体管路的尺 寸已知,可W获得储液器中氨工质的容积,然后再根据储液器的容积减去氨工质的容积得 到储液器的气体容积,储液器的气体容积即为不凝气体的气体容积。根据理想气体状态方 程PV = nRT,其中,P为不凝气体的分压力,V为不凝气体的气体容积,n为不凝气体的物质 的量,R为气体常数,T为储液器温度,可W获得不凝气体的分压力;同时,根据氨工质的饱 和蒸汽压与温度之间的对应关系可W查表获得储液器中氨工质的分压力,从而可W获得储 液器的压力(储液器的压力为氨工质分压力与不凝气体分压力之和),由于蒸发器与储液 器之间的流体阻力可忽略,蒸发器的压力与储液器的压力相等,根据氨工质饱和蒸汽压与 温度之间的对应关系可W查表获得蒸发器的温度,从而可W得到蒸发器与储液器之间的温 差,从而得到了不凝气体量与蒸发器和储液器之间温差的对应关系,即获得了不凝气体量 对重力驱动两相流体回路的影响。
[0029] 上述分析是建立在重力驱动两相流体回路中不凝气体量已知的前提下。不凝气体 量可W根据同日提交的"重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法"专利申请中 的方法获得,即利用重力驱动两相流体回路蒸发器和储液器之间的温差、W及不凝气体量 与蒸发器和储液器之间的温差的对应关系标定曲线获得,具体方法如下:
[0030] 步骤1,重力驱动两相流体回路不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T之间 的关系标定:
[0031] 步骤1. 1,向重力驱动两相流体回路中充入一定量的用于模拟不凝气体的高纯氮 气后,对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验,测量获得重力驱动两相流体回路中蒸 发器与储液器之间的温差,其中,氮气纯度不低于99. 999% ;
[0032] 步骤1. 2,改变高纯氮气的充入量,重复步骤1. 1,获得不同量的高纯氮气时对应 的蒸发器与储液器之间的温差,绘制高纯氮气量与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲 线,即重力驱动两相流体回路中不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线 C;
[0033] 步骤2,释放重力驱动两相流体回路内的工质和不凝气体,重新充装工质,进行寿 命试验,寿命试验结束后,将重力驱动两相流体回路的工作温度调为与步骤1进行传热特 性试验时的工作温度一致;测量获得蒸发器与储液器之间的温差;根据步骤1获得的关系 曲线C,获得该温差下对应的高纯氮气量,该高纯氮气量即为重力驱动两相流体回路产生的 不凝气体量。
[0034] 其中,步骤1中重力驱动两相流体回路传热特性试验时,重力驱动两相流体回路 的工作温度尽可能接近其最低工作温度。
[0035] 表1给出了重力驱动两相流体回路各部件的容积W及工质的充装量,表2给出了 不凝气体量为3. 84X 10可1〇1时重力驱动两相流体回路不同工作温度下蒸发器相变温度的 增大量,其中,重力驱动两相流体回路的工作温度即为储液器温度。
[0036] 表1重力驱动两相流体回路各部件的容积及充装量
[0037]

【权利要求】
1. 一种不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法,其特征在于,包括如下 步骤: 步骤一,确定不凝气体的气体容积vb: 假设液态氨工质仅在重力驱动两相流体回路的储液器和液体管路中,根据氨工质充装 量、液体管路尺寸和储液器尺寸,得到储液器的气体容积,将所述储液器的气体容积确定为 不凝气体的气体容积vb; 步骤二,确定不凝气体的分压力pb: 测量储液器的温度,以储液器的温度作为不凝气体的温度Tb;根据理想气体状态方程 PbVb= n bRTb得到不凝气体的分压力P b,其中,nb为不凝气体量,R为气体常数; 步骤三,确定蒸发器的温度Tz: 以储液器的温度作为储液器内氨工质的温度Ta。,代入氨工质的饱和蒸汽压与温度之间 的对应关系获得储液器内氨工质的分压力Pa。;根据储液器的压力P。等于储液器内氨工质 的分压力Pa。与步骤二获得的不凝气体的分压力P b之和,计算得到储液器的压力P。;根据蒸 发器压力Pz等于储液器的压力P。、蒸发器压力Pz即为蒸发器内氨工质的压力P az的等效关 系,将储液器的压力P。代入氨工质的饱和蒸汽压与温度之间的对应关系,得到蒸发器内氨 工质的温度Taz,将蒸发器内氨工质的温度Taz确定为蒸发器的温度T z; 步骤四,计算蒸发器与储液器的温差,得到不凝气体量与蒸发器和储液器温差的对应 关系,该对应关系用于表达部分重力情况下不凝气体量对重力驱动两相流体回路的影响: 蒸发器和储液器温差越大,表明不凝气体量对重力驱动两相流体回路的影响越大。
2. 如权利要求1所述的不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法,其特征 在于,所述步骤二中不凝气体量的获得方法如下: 步骤1,重力驱动两相流体回路不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T之间的关 系标定: 步骤1. 1,向重力驱动两相流体回路中充入一定量的用于模拟不凝气体的高纯氮气后, 对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验,测量获得重力驱动两相流体回路中蒸发器与 储液器之间的温差,其中,氮气纯度不低于99. 999% ; 步骤1. 2,改变高纯氮气的充入量,重复步骤1. 1,获得不同量的高纯氮气时对应的蒸 发器与储液器之间的温差,绘制高纯氮气量与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线, 即重力驱动两相流体回路中不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线C ; 步骤2,释放重力驱动两相流体回路内的工质和不凝气体,重新充装工质,进行寿命试 验,寿命试验结束后,将重力驱动两相流体回路的工作温度调为与步骤1进行传热特性试 验时的工作温度一致;测量获得蒸发器与储液器之间的温差;根据步骤1获得的关系曲线 C,获得该温差下对应的高纯氮气量,该高纯氮气量即为重力驱动两相流体回路产生的不凝 气体量。
3. 如权利要求2所述的不凝气体对部分重力驱动两相流体回路影响分析方法,其特征 在于,所述步骤1中重力驱动两相流体回路传热特性试验时,重力驱动两相流体回路的工 作温度尽可能接近其最低工作温度。
【文档编号】G06F19/00GK104504241SQ201410720129
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】苗建印, 王录, 张红星, 何江 申请人:北京空间飞行器总体设计部
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