专利名称：一种适用于空间辐射器中的固液混合折流板式中间换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及提出了一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器。用于将吸收航天器内部产生废热的液体工作流与经过辐射换热冷却之后的固体粒子流进行高效的混合换热。
背景技术：
换热器也称热交换器，是把热量从一种介质传给另一种介质的设备。按照换热器中热量传递的方式可将换热器分为直接接触式换热器，周期流动式换热器，间壁式换热器及流体耦合间接式换热器四大类。直接接触式换热器，也叫混合式换热器，是冷热流体直接接触进行换热的设备，但只限于冷热流体不互融又允许相互混合的场合。周期流动式换热器，也称蓄热式换热器，借助于由固体制成的蓄热体交替地与热流体和冷流体接触，蓄热体与热流体接触一定时间， 并从热流体吸收热量，然后与冷流体接触一定时间，把热量释放给冷流体，如此反复，达到换热的目的。间壁式换热器，也称为表面式换热器，其中冷热流体被一个固定壁面隔开，热量通过固体避免传递。综合上述换热器的种类，换热特点和方式，可以得出直接接触式换热器的换热效果和性能是最好的。在航天领域，换热器是实现整个航天器运行过程中热量交换和传递不可缺少的设备，并且热交换的过程中，要求制造换热器的材料具有一定的抗腐蚀性。近年来，随着大型航天器，空间站的迅速发展，其耗电功率会愈来愈大，必然导致其热功耗也随之增大，相应的也就使空间辐射器中的换热器的质量显著增大。就目前常用于空间辐射器的中间换热器来说，其主要使用的是间壁式换热器等，但就现有使用换热器而言，主要存在以下不足1换热效率相对较低2流动损失相对较大3所占用空间体积相对较大，质量较大4容易产生沉积和抗振动性差因此，研究和开发质量更轻，占用空间更小，传热效率更高以及成本费用更低的中间换热器是十分必要的，也是对于空间系统更好有效工作的有效手段。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有空间辐射器中的中间换热器结构设计技术在换热效率方面，占用空间体积方面和造价方面存在的不足，提出了一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器。该混合式换热器实现了能够在高效强化对流换热和对外辐射换热的同时，不仅能够有效地降低中间换热器的质量，减小了占用体积，而且能够有效的减小流动损失，不易生成沉积，抗振动性强和造价少，同时拓展了其应用范围，简单，易于实现。
根据本发明的一个方面，提供了一种适用于空间环境下的固液两相混合式热交换器，其特征在于包括混合流换热管，其与冷源接入管相连通并与热源接入管相连通，其中经过空间外辐射散热的固体粒子流流过所述冷源接入管，热源工作流流经所述热源接入管，设置在混合流换热管内的螺旋式折流板。根据本发明的一个进一步的方面，上述螺旋式折流板的每一个螺旋包括4块首尾相连的90度扇形部分。根据本发明的一个进一步的方面，上述述混合流换热管外侧设置有环形翅片。根据本发明的一个进一步的方面，提供了一种热辐射设备，其特征在于包括粒子喷射器，用于将粒子发射到空间中；粒子收集器，用于收集所述粒子喷射器发射的粒子；固液两相混合式热交换器，用于工作流与所述粒子进行热交换；固液两相分离器，用于将工作流和粒子进行分离，直接于粒子喷射器连接组成一个整体，其中所述固液两相混合式热交换器为上述的固液两相混合式热交换器。根据本发明的另一个方面，提供了一种热辐射方法，其特征在于包括用粒子喷射器将粒子发射到空间中；用粒子收集器收集所述粒子喷射器发射的粒子；用固液两相混合式热交换器进行所述粒子的热交换，用固液两相分离器将固液混合物进行分离，其中所述固液两相混合式热交换器为上述的固液两相混合式热交换器，所述热交换包括使所述固体粒子流和所述热源工作流混合而成的混合流在所述螺旋式折流板的作用下进行强化对流换热，使所述热源工作流的温度降低且所述固体粒子流的温度升高。
图1为根据本发明的一个实施例的固液混合折流板式换热器的平面结构图。 图2为根据本发明的一个实施例的固液混合折流板式换热器的正面平面图。 图3为根据本发明的一个实施例的固液混合折流板式换热器的折流板结构图。 图4为根据本发明的一个实施例的固液混合折流板式换热器的环形翅片结构图, 图5为空间粒子辐射器根据本发明的一个实施例的总体设计6为根据本发明的一个实施例的固液混合折流板式换热器的工作流程图。 附图标记
102冷源接入管 104环形翅片
101热源接入管 103混合流换热管 105螺旋式折流板 301单块扇形折流板 501粒子收集器 503固液两相流体泵 505粒子喷射器
502固液两相混合式热交换器 504固液两相旋流分离器 506空间机构
4
601热源流体工作流602冷源固体粒子流603固液混合折流板式换热器604固液混合流
具体实施例方式近年来，随着大型航天器、空间站的迅速发展，其耗电功率会愈来愈大，必然导致其热功耗也随之增大，使传统的热控技术面临新的挑战，难以适应新的发展。据国外文献记载，现有的空间发展计划，选择用同位素动力(其供电功率在IOkw以上)、太阳能动力(其供电功率在IOOkw以上)和核能热动力(其供电功率在IOOkw以上)等大型供电系统，为大型航天器提供能源，它们主要拟定应用于顶监测航天器、空间雷达站、空间化学激光平台和空间武器平台，它们的耗电功率大都是在IOkw IOOkw范围。自由号空间站其耗电功率更大，拟议中的第一期工程耗电功率为lOOkw，第二期工程耗电功率为300kw。然而，这些空间平台或空间站，能源转换的效率都极低，通常低于10%，大量的能源都要转化成耗散热，必须排向宇宙空间。如果简单的沿用现有的空间辐射器技术，必然会导致空间辐射器十分庞大，此外，驱动热控制循环回路中载热体流动的动力也是有限的。因此在满足热控能力和强度的条件下，设计高效的空间辐射器对航天器热控系统的轻量化设计是非常重要的。对于所有的空间系统，空间中的散热问题均是一个关键性的难题，从空间飞行器， 同步卫星，空间站再到月球或行星基地等，它们的散热问题都将直接影响这些系统设备的工作安全性，高效型和可靠性。对于这些设备而言，如果没有合适的工作温度，即舒适的工作环境，在空间中这些设备的工作效率就会效率降低甚至会彻底报废，成为宇宙垃圾。因此，研究和发展先进的空间热辐射器，是空间各种系统更好进行有效工作的有效手段。鉴于空间飞行器，卫星，空间站等空间设备热控系统的重要性和必要性，为了能够在降低整体空间热控系统质量的基础上，有效提高换热效率和降低制造成本，以及为将来研制大结构空间设备和深空探测设备做必要的技术储备，迫切需要对超轻高效型的空间热辐射器进行详细而深入的研究，发展先进的空间系统设备的热控新技术。因此在克服现有空间辐射器结构设计技术在大结构航天器和空间能源动力系统中散热率方面，占用空间体积方面，造价方面和对周围空间环境污染方面存在的不足，提出一整套新型的空间环境下的辐射器系统。该系统由6部分组成，分别为固液两相混合式热交换器，固液两相旋流分离器，粒子喷射器，粒子收集器，固液两相流体泵和管道。以上技术内容在本申请人以提交的中国专利申请第2010105^693. X号中进行了详细描述，该专利申请的内容在此被全文引用。基于该辐射器系统中的固液两相混合式热交换器，本发明提出了一种新的技术解决方案提出了一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器，其特点在于A)本应用于空间辐射器中的中间换热器由5部分构成，分别为热源接入管，冷源接入管，混合换热管，管内折流板，换热管外侧散热翅片。如图1和2所示，首先在根据本发明的一个实施例的中间换热器中，热源为吸收整个航天系统产生废热的工作流，冷源为经过空间外辐射散热的固体粒子流。固体粒子经过辐射散热之后，通过粒子收集器(501)的收集，之后经过冷源接入管(102)与流经热源接入管(101)的热源工作流相汇合，在混合流换热管(103)内的螺旋式折流板(105)的作用下进行强化对流换热，使工作流的温度降低，固体粒子流的温度升高。在这个进行强化对流传热的过程当中，整个固液混合流还将通过混合流换热管(10 外侧的环形翅片(104)进行对外的辐射散热。最后，在经过强化对流换热和辐射散热的固液混合流继续循环流动。B)对上述新型的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器的要求，从本质上来讲，不同于传统间壁式换热器或热管式换热器等，能够满足很多实际应用中的要求，(1)它能够在具有较小体积和质量的条件下，利用粒子流和旋转折流板进行高效的强化对流换热；(2)它能够在有限的空间中易于安装；(3)它能够从换热介质温度场相互配合的整体来考虑提高中间换热器的性能。C)对于上述新型的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器的要求，从结构上来讲，应用的是场协同理论对换热器的优化。利用螺旋式折流板，每一个螺旋分割成为4块首尾相连的90度扇形部分(301)。如图3所示。此种换热器的设计，不是传统的增加表面传热系数的层次上提高换热器的性能，而是在换热器的层次上，通过增加螺旋式折流板(105)， 通过改善冷热流体温度场的协同强化传热的换热性能，此种考虑是从换热器中两种混合换热介质的温度场和流场相互配合的整体角度来设计的。另外，针对换热量的要求，在换热管外围增加环形翅片(104)，进行对外空间的辐射散热。环形翅片结构如图4所示。在这些特点的基础上提出了一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器。在整个辐射器系统的总体设计中，如图(5)所示，热边工作流将空间系统(506) 产生的废热带走，在粒子收集器(501)出口处与收集到的粒子混合，进入固液两相混合式热交换器(502)，在混合式热交换器(502)的作用下进行导热和对流传热的作用，使制冷剂粒子的温度和工作流的温度相应地升高或降低。之后，将经过混合换热处理的固液两相流送入固液两相流体泵(503)，使固液两相流达到一定的压力值，进入固液两相旋流分离器 (504)，在固液两相旋流分离器(504)内经过一系列的变换分离操作和干燥操作，最终得到相应的粒子和流体分离。最后，将被分离出的流体送回空间系统(506)中，吸收空间系统 (506)在工作中产生的废热，继续循环流动；将被分离出的粒子直接送入粒子喷射器(505) 中，结合粒子自身的动能和粒子喷射器(505)的作用将粒子按照预先设计的轨迹喷射到宇宙空间中，粒子在宇宙空间的飞行过程中，通过辐射换热，将自身所带的热量排散。粒子在外空间按照既定飞行轨迹飞行一定距离后，将通过带有旋转离心力的粒子收集器(501)进行收集，收集后的粒子将和循环工作流相混合，继续前面的工作步骤。基于上述总体设计中的固液两相混合式热交换器(502)的特征包括-固体粒子冷源与热源工作流的混合本发明的冷源固体粒子流(60 与吸收废热的热源工作流(601)将在进入换热管前，通过冷源接入管和热源接入管引入混合流换热管中，使固体粒子在工作流的带动下进入换热管中。-换热管内的强化对流换热与辐射散热在所述步骤(1)中得到的固液两相流混合流体的基础上，在螺旋折流板式换热管 (603)中进行均勻性的强化对流换热，以及通过换热管周围的翅片进行对外空间的辐射散热，经过这样的换热与散热处理之后，使相应的固液混合流的温度相应的降低。-固液混合流的输出
在所述步骤( 得到的经过强化对流换热和辐射散热处理的固液混合流(604)， 流出换热器。本发明提出了一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器。目前实际应用的空间辐射器系统中所用的换热器或中间换热器大部分均为间壁式换热器，随着航天器结构的变化发展，这种类型的换热器在重量上，换热效率上都存在很多问题。相比之下，根据本发明的实施例的中间换热器是利用冷热流体直接接触进行换热；所用的热流体为液体工作流，冷流体为固体粒子流。这种换热器设计简单，易于实现，传热效率高。而基于强化对流换热理论，与传统的间壁式中间换热器相比较，本发明的优点包括-利用粒子流的高导热率，大换热面积，实现了强化换热；-利用螺旋式折流板产生的螺旋状流动，使混合流体的湍流程度加剧，层流底层厚度减薄，明显的提高了传热系数，降低了流动阻力，避免了滞留区和沉积和湍流死角的形成，有效防治了流体诱导的振动的产生，达到了流场与温度场的协同，以及通过设置一定的折流板间隔角度，得到最优化的速度场，由此而得到该管式换热器内混合流的最佳流场和相应的最佳换热效果。另外，本发明的实施例基于辐射散热原理，在整个中间换热器外围设置环形翅片， 使固液混合流在进行对流换热的过程中，也通过环形翅片向外空间进行辐射散热，使整个中间换热器的换热效果达到最佳。因此，在本发明中，将轻量化的固体粒子流，强化对流换热，辐射散热结合在一起。 在此处的结合是建立在对空间应用换热器的重新构建，整体重量轻量化，换热效率高效化基础上的结合，利用混合式换热器的高效性和稳定性，将其设定为整个空间辐射器系统的中间换热器。混合的两种流体分别为固体粒子和吸收废热的工作流，在这里进行直接接触式的导热和强化对流换热，这样在这个传热过程中，使得固体粒子的表面温度具有均勻性， 一致性和稳定性。本发明与现有技术相比的优点在于1本发明的中间换热器在空间中所占体积很小，易于安装，运行稳定可靠。2本发明的应用于空间辐射器中间换热器为固液两相流混合换热，由于此种换热方式为两种介质直接接触，因此具有很好的导热性和对流换热性，具有很好的传热效果，并且易于实现，操作简单。3本发明的应用于空间辐射器中间换热器采用的直接接触的固体为固体粒子流， 其热导率比液体大几个数量级，并且整个粒子流具有很大的表面积，更适宜于传热，因此具有很好的对流传热效果。4本发明采用的应用于空间辐射器中间换热器为固液两相混合折流板式换热器， 采用螺旋式折流板，使固液混合流沿螺旋状流动，利用其形成的涡旋流动来强化传热，并且以较少能量客服了流动阻力，降低了固体粒子的沉降和结垢，具有良好的抗振动性，同时使流场与温度场实现了很好的协同，实现了较高的对流强化换热。5本发明所采用的应用于空间辐射器中间换热器外围具有环形翅片，将更有利于将航天器产生的废热通过辐射散热的方式排散到外空间中，使中间换热器的换热效率进一步提尚°本发明的一个核心思想是利用强化对流换热优化原理与空间辐射散热原理，可采用诸如钛合金或碳化合物材料制作该固液混合折流板式换热器的混合流混热管外部结构和扇形折流板，可采用诸如碳钢等碳化合物材料制作该换热器外部环形翅片，同时，利用碳化合物材料制造固体粒子，将这种混合换热，粒子强化对流换热，场协同强化对流换热和翅片的对外辐射散热技术有效的结合起来，从而达到高效的强化传热，又降低能耗的双重目的。根据本发明的一个具体实施例的方法的步骤包括(1)固体粒子冷源与热源工作流的混合在一个具体实施例中，所选用的固体粒子的材料为碳化合物，吸收航天器废热的工作流选用FC50 ；固体粒子的粒径为100 μ m 300 μ m，以2. 5m/s 5m/s的速度通过冷源接入管和热源接入管进入混合流换热管中，使固体粒子在热源工作流的带动下进入固液混合旋转折流板式换热管中。(2)换热器内的强化对流换热与辐射散热在固体粒子流与热源工作流进入换热管之后，混合流将在螺旋式折流板的作用下沿一定的螺旋角方向的曲线运动，进行对流换热。同时，在进行对流换热的阶段，整个换热管还将通过外围的环形翅片对外空间进行辐射散热。(3)固液混合流的输出在由步骤( 得到经过对流换热和辐射散热处理的固液混合流之后，这些固液混合流将流出换热器。
权利要求
1.适用于空间环境下的固液两相混合式热交换器(502)，其特征在于包括混合流换热管(103)，其与冷源接入管(10 相连通并与热源接入管(101)相连通，其中经过空间外辐射散热的固体粒子流流过所述冷源接入管(102)，热源工作流流经所述热源接入管(101)，设置在混合流换热管(103)内的螺旋式折流板(105)。
2.根据权利要求1的固液两相混合式热交换器，其特征在于所述螺旋式折流板(105) 的每一个螺旋包括4块首尾相连的90度扇形部分(301)。
3.根据权利要求1的固液两相混合式热交换器，其特征在于所述混合流换热管(103) 外侧设置有环形翅片(104)。
4.热辐射设备，其特征在于包括粒子喷射器(505)，用于将粒子发射到空间中； 粒子收集器(501)，用于收集所述粒子喷射器(50 发射的粒子； 固液两相混合式热交换器(502)，用于工作流与所述粒子进行热交换； 固液两相分离器(504)，用于将工作流和粒子进行分离，直接于粒子喷射器连接组成一个整体，其中所述固液两相混合式热交换器(50 为根据权利要求1-3中的任何一项的固液两相混合式热交换器。
5.一种热辐射方法，其特征在于包括 用粒子喷射器(50 将粒子发射到空间中；用粒子收集器(501)收集所述粒子喷射器(50 发射的粒子； 用固液两相混合式热交换器(50 进行所述粒子的热交换， 用固液两相分离器(504)将固液混合物进行分离，其中所述固液两相混合式热交换器(50 为根据权利要求1-3中的任何一项的固液两相混合式热交换器，所述热交换包括使所述固体粒子流和所述热源工作流混合而成的混合流在所述螺旋式折流板(10 的作用下进行强化对流换热，使所述热源工作流的温度降低且所述固体粒子流的温度升高。
全文摘要
一种应用于空间环境下的基于强化对流换热原理和辐射散热原理的固液两相流混合螺旋折流板式中间换热器，包括以下五个部件(1)热源接入管，(2)冷源接入管，(3)混合换热管，(4)管内折流板，(5)换热管外侧散热翅片。由于传统的中间换热器存在导热率低，易于生成沉积和能耗大的缺点，不能长时间工作。因此本发明客服了现有中间换热器存在的这些问题的基础上，将现有混合换热技术与粒子强化对流换热，场协同对流强化换热，辐射散热技术相结合，有效的减轻了中间换热器的质量和占用体积，同时提高了换热效率，降低的传热过程中的损失，减少了制造成本，消除了沉积，提高了抗振性和其运行的稳定性，并且拓展了其使用范围。
文档编号F28F9/24GK102419115SQ20111003456
公开日2012年4月18日 申请日期2011年2月5日 优先权日2011年2月5日
发明者王浚, 赵晨, 黄勇 申请人:北京航空航天大学