氣氮調溫熱沉系統設計

李培印，于 晨，洪辰偉，呂劍鋒，李天水

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

關鍵字：火星探測；調溫熱沉；液氮噴淋；空間模擬

0 引言

熱沉調溫系統是指利用外部溫度控制設備，通過向熱沉中通入溫度和流量可控的介質，將熱沉控制在規定的溫度范圍內，通過改變熱沉自身溫度來模擬外部環境溫度的變化。目前國內外采用的熱沉調溫方法主要有兩大類：一類是使用氮氣作為載冷劑通入熱沉進行溫度調節；另一類是使用耐高低溫的烴類化合物作為載冷劑通入熱沉進行溫度調節。采用耐高低溫的烴類化合物作為載冷劑的調溫系統，使用制冷機為載冷劑提供冷源，考慮到制冷機制冷功率有限以及循環泵的揚程限制，該調溫系統常用于中小型空間環模設備中。氣氮調溫方法可以使熱沉溫度在-140～120℃內連續可調，當前國際上許多國家采用這種熱沉調溫方案。美國戈達德空間飛行中心的真空熱試驗設備采用氮氣對熱沉進行調溫，熱沉溫度調節范圍為-170～150℃，升降溫速率最小為6℃/min。美國SS/Loral公司的真空熱試驗設備的氣氮調溫熱沉可以使熱沉溫度在-180～150℃之間可調。美國Martin Marietta公司的真空熱試驗設備配置的氣氮調溫熱沉溫度控制范圍為-179～121℃，升降溫速率為±1.1℃/min。印度ISRO衛星中心的真空熱試驗設備，直徑為5.5 m，采用7個氣氮調溫單元密閉循環系統，使熱沉溫度在-183～127℃之間可調，升降溫速率為1℃/min，熱沉溫度均勻度為±2℃，控溫精度±1℃[1-3]。

在我國首次火星探測任務中，火星車承擔著火星表面巡視探測任務。火星表面溫度范圍-123～27℃，并存在著壓力為150～1400 Pa的大氣（主要成分為CO2），地表風速一般為0～15 m/s，使火星車器表產生強迫對流。為使火星車能夠適應火星表面環境，需要在地面進行充分驗證和試驗考核，故需設計調溫熱沉系統，實現火星表面-123～27℃溫度范圍的環境模擬能力。采用氣氮調溫的方式設計調溫系統，控制熱沉溫度。

1 氣氮調溫原理

熱沉調溫系統采用氮氣單相密閉循環，使用氮氣壓縮機作為熱沉控溫單相密閉循環系統的動力源，液氮噴淋器作為冷源。電加熱器作為熱源控制熱沉溫度。單相密閉循環系統包含氮氣儲氣罐、液氮儲槽、水換熱器、氮氣壓縮機、冷干機、回熱式換熱器、液氮噴淋器、主電加熱器、分支電加熱器及壓縮機進口電加熱器等。

低溫工況時，氮氣壓縮機作為動力源將氮氣輸入整個系統，三級過濾及干燥處理后進入回熱式換熱器，與熱沉回氣氮氣在回熱式加熱器進行熱交換（廢能利用）降溫后進入液氮噴淋器，經過液氮噴淋，氮氣溫度降至需要的目標溫度，通過主電加熱器和分支電加熱器精確控溫后進入熱沉。氮氣與熱沉進行充分熱交換后，通過回氣管道進入回熱式加熱器，冷量回收利用后通過壓縮機進口電加熱器升溫，經過水換熱器與常溫水進行熱交換后變為常溫氣體進入氮氣壓縮機。圖1為氣氮調溫原理。

圖1 氣氮調溫原理圖Fig.1 Principle of the liquid nitrogen spraying heat sink temperature adjusting system

高溫工況時，氮氣壓縮機作為動力源將氮氣輸入整個系統，三級過濾及干燥處理后進入回熱式換熱器，與回氣氮氣在回熱式加熱器進行熱交換升溫后進入液氮噴淋器，此時液氮噴淋器不工作，進入主電加熱器與分支電加熱器進行加熱控溫后進入熱沉內。氮氣與熱沉進行充分熱交換后，通過回氣管道進入回熱式換熱器，氮氣經過換熱降溫后進入壓縮機進口電加熱器，此時其也不用工作，而后進入水換熱器與常溫水進行熱交換后變成常溫氣體，最后進入氮氣壓縮機。

2 調溫系統組成與結構

調溫系統主要組成部分有氮氣壓縮機、液氮噴淋器、電加熱器、回熱式換熱器和水換熱器。

2.1 氮氣壓縮機

氮氣壓縮機作為整套系統的動力源，提供系統所需的壓力與氣體流量，總體結構如圖2所示。在壓縮機的機體內有一對相互嚙合的螺桿轉子，電機通過彈性聯軸器帶動陽轉子，再由陽轉子帶動陰轉子一起高速旋轉。機組正常運行時，經氣體濾清器進氣口吸入氮氣，過濾后由打開的進氣閥（控制進氣量）進入壓縮機工作腔，被高速旋轉的陰、陽轉子壓縮而升高壓力；當齒間間隙與排氣口相通時，壓縮氮氣便從排氣口排出，進入油氣分離器進行油氣分離，將潤滑油從壓縮氮氣中分離出來，從而獲得潔凈的壓縮氮氣；經油氣分離后的壓縮氮氣通過最小壓力閥后，依次進入后冷卻器和氣水分離器，將高溫氣體冷卻至常溫及將壓縮氮氣中的冷凝水分離出來，最后排出機外供調溫熱沉系統使用。

分離出來的潤滑油沉降到油氣分離器的底部，在壓差作用下，經溫控閥進入油冷卻器；冷卻后的潤滑油經油過濾器進入主機工作腔，與吸入的氮氣一起被壓縮而循環使用；噴入機體內的潤滑油能夠吸收大量的氮氣在壓縮過程中產生的熱量，從而起到冷卻的作用；潤滑油在兩轉子之間形成一層油膜，可以避免陰、陽轉子直接接觸而導致的轉子型面磨損；具有一定黏度的潤滑油可填補轉子與轉子之間，轉子與機殼之間的間隙，從而減少機體內部的泄漏損失，提高壓縮機的容積效率。

圖2 氮氣壓縮機總體結構圖Fig.2 Structure chart of nitrogen compressor

2.2 液氮噴淋器

液氮噴淋器是通過上方噴淋霧化的液氮與進來的氣氮在填料中直接接觸換熱（如圖3所示），最終使出口氣氮溫度降低，氮氣遵循下進上出的原則以利于換熱。改變液氮的噴淋量可改變出口的氮氣溫度。液氮噴淋器中的傳熱可看作是由兩部分組成：一是液氮從噴灑器噴出霧化，在到達填料表面之前，小液滴與周圍的氣氮發生熱交換，部分液氮蒸發的過程；二是液氮到達填料表面后，氣液兩相在填料中充分接觸換熱，液氮進一步氣化的過程。其換熱過程涉及到氣、液、固三相傳熱，是一種復雜的物理過程。

圖3 液氮噴淋器結構示意圖Fig.3 Structure sketch of liquid nitrogen sprayer

液氮噴嘴性能是影響低溫氣體調節器調溫性能的重要因素。如果噴嘴性能好，噴出的液氮達到較高的霧化程度，使氣化比增加，則低溫氣體調節器不僅調溫性能好，且出口溫度易于控制。如果能使氣化比達到1，即液氮經噴嘴噴出后到填料表面前可全部氣化，則可以取消填料段；填料段高度也是影響低溫氣體調節器控制性能的主要因素。填料段愈高，其蓄熱量愈大，低溫氣體調節器出口溫度的動態特性則表現為慣性增加，出口溫度不易控制[4]。

2.3 回熱式換熱器與水換熱器

回熱式換熱器采用板翅式結構，圖5（a）所示，在系統中可以起到回收利用廢棄熱能（冷能）的作用。冷干機出口的常溫氮氣與熱沉出口的熱（冷）氮氣進行熱交換，充分利用廢棄能量，而后再繼續加熱或冷卻至目標溫度值進入熱沉，如此循環往復。

回熱式換熱器的換熱功率Qh由通過換熱器的氮氣自身熱容量決定，如式（1）。

式中：m為通過換熱器的氮氣質量；c為氮氣的比熱容；ΔT為氮氣溫度變化量。

水換熱器采用管翅式結構，如圖4（b）所示，使回熱式換熱器出口的氮氣冷卻或加熱至常溫狀態，當水換熱器加熱能力不足時可采用電爐輔助加熱，保證壓縮機進氣口氮氣為常溫狀態。

圖4 換熱器結構示意圖Fig.4 Structural sketch of heat exchanger

3 調溫系統設計

根據氣氮調溫原理可知，可以依靠液氮噴淋器制造冷氮氣，實現低溫工況；依靠電加熱器加熱氮氣，實現高溫工況；氮氣壓縮機作為動力源可實現氮氣的單相密閉循環。其中涉及3個重要的設計參數，液氮噴淋器的制冷功率、電加熱器的加熱功率及氮氣壓縮機的流量，3個參數共同決定了調溫系統的性能。

3.1 系統熱負荷

系統熱負荷計算如式（2）：

式中：Q1為容器壁對熱沉的輻射換熱量；Q2為試驗件對熱沉的輻射換熱量；Q3為熱沉與支撐框架之間的漏熱；Q4為熱沉自身熱容量；Q5為載冷劑自身熱容量；Φ為修正系數，一般取1.3。

根據高低溫兩個工況的不同，式（2）中的計算取值亦不相同。熱沉為高溫工況時，依據式（2）可計算得出加熱功率Q熱；熱沉為低溫工況時，依據式（2）可計算得出制冷功率Q冷。根據火星溫度環境特點及不同的應用環境，設計熱沉調溫范圍為-130～100℃，溫度均勻性優于±5℃，依據最低與最高溫度（-130℃、100℃）計算得出Q冷、Q熱。

Q1與Q2的計算模型可簡化為空腔與內包壁面間的輻射換熱[5]，Q1（Q2計算方法同Q1）計算依據式（3）：

式中：A1為熱沉的外表面積；A2為容器內表面積；ε1為熱沉外表面發射率；ε2為容器內表面發射率；T1為熱沉溫度；T2為筒體溫度。

熱沉框架及支撐結構的漏熱Q3是由接觸導熱引起，在結構設計中，為了減少支撐結構與氣氦冷板的導熱損失，在兩者之間增加隔熱墊，漏熱計算如式（4）：

式中：Q3為傳導漏熱量；Am為支承材料的接觸面積；L為支承材料的長度；λ為支承材料熱傳導系數；T′、T″為支承材料兩端點的溫度；n為支承數。

熱沉自身熱容量Q4計算如式（5）：

式中：m為熱沉質量；c為熱沉材料的比熱容；ΔT為單位時間熱沉溫度變化量。

載冷劑自身熱容量Q5計算方法同Q4。需要明確的一點是，Q4計算公式中的ΔT由熱沉升降溫速率決定，一般情形為：升降溫初期，熱沉溫度變化速率較快，將要達到穩態工況時，熱沉溫度變化速率較小，建議按照后者取值。Q5計算中的ΔT由載冷工質穩態（極限高溫或極限低溫）目標溫度值與回熱式換熱器換熱效率值共同決定。根據Q熱得到系統加熱功率，即電加熱器的加熱功率；根據Q冷得知系統制冷功率，即液氮噴淋器的制冷功率，根據液氮氣化潛熱可計算得知單位時間液氮消耗量。

3.2 系統流量

根據系統熱負荷兩個極端工況（極限高溫100℃與極限低溫-130℃）可以獲得電加熱器的加熱功率Q熱與液氮噴淋器的制冷功率Q冷，據此指標設計使系統具備了所要求的升降溫熱源與冷源。但是如何使熱源中的熱量與冷源中的冷量通過工質氮氣傳輸到熱沉中并與之進行充分的熱交換，以達到要求的目標溫度值與升降溫速率，系統流量是最關鍵的設計參數，同時也決定了系統的溫度均勻性。

氮氣在熱沉內的流動換熱可簡化為管內受迫流動換熱，根據Re大小來判斷是紊流換熱還是層流換熱。層流換熱系數小，故希望熱沉內部為紊流換熱狀態。一般氮氣壓縮機出來的氣體流速較高，換熱基本為紊流換熱。

式中：w為流體平均流速，m/s；d為特征尺寸，一般為管路直徑，m；ν為流體的運動黏度，m2/s；

不用非銅管式熱沉而采用脹板式熱沉時，可取當量直徑de。

式中：A為流通截面積；U為流體流道周邊長度。

對光滑管內充分發展的紊流換熱可采用Dittus-Boelter公式：

當氣體被冷卻時，m取0.4，氣體被加熱時，m取0.3。氮氣與熱沉的對流換熱系數計算如式（9）：

式中：λ為導熱系數。

氮氣與熱沉的換熱量等于系統的熱負荷，則有式（10）：

式中：α為對流換熱系數；A為熱沉與氮氣換熱面積；ΔT為氮氣與熱沉溫差。

通過3.1節計算得到系統熱負荷Q，根據式（10）可得出對流換熱系數α，將其帶入式（9）可計算出努賽爾數Nuf，再將Nuf帶入式（8）計算出雷諾數Re，根據式（6）與式（7）計算得出流體平均流速w，再根據流體平均流速與系統截面積即可計算得出系統流量，由此便得知氮氣壓縮機的流量。需要注意的是，會在高溫工況和低溫工況各計算出一個流量值，用兩者取值大者確定系統流量。

調溫熱沉設計參數計算可采用數值模擬的方法，非常直觀的顯示熱沉各處的溫度場、管道內的流場與壓力分布情況，計算分析軟件種類不一；其共同點是建立計算模型，劃分網格，設置物性參數與邊界條件，選擇計算物理模型，設置求解條件與收斂標準，根據傳遞方程得出誤差范圍內的解析解。計算的準確度依賴于物理模型的選擇與邊界條件參數的設置，模擬結果同實際試驗結果互相印證，多次迭代后方可得出精準的計算模型[6-7]。

4 試驗結果

依據上述設計計算完成調溫熱沉系統的建設，試驗結果如圖5所示：熱沉升降溫速率大于1.5℃/min，溫度均勻性優于±5℃，最低溫度可達-140℃（單路熱沉進出口溫差小于3℃，各路熱沉間的溫差小于1℃）。熱沉溫度可以包絡火星地表溫度，滿足火星探測地面模擬試驗的要求。

圖5 調溫熱沉溫度曲線Fig.5 Temperature curve of heat sink

5 結論

本文闡述了以液氮噴淋、雙級電爐溫控為手段制冷或加熱氮氣的方法來定點調節、連續控制熱沉溫度的過程；介紹了熱沉調溫系統的主要組成部件及功能結構；提出了液氮噴淋器制冷功率、電加熱器加熱功率、氮氣壓縮機流量等系統關鍵參數的理論計算方法，并進行了試驗驗證，驗證結果與理論計算結果一致性較好。