低氣壓高空膜式水蒸發循環冷卻試驗研究

楊寶山 張文瑞 朱建炳 于凱盈 于錕錕

(蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室 蘭州 730000)

1 引言

飛行器在低氣壓高空環境中飛行時,處于氣動加熱的環境中,當飛行器馬赫數等于3 時,其頭部的駐點溫度達到400 ℃[1];當馬赫數大于等于10 時,其頭部的駐點溫度高達2 000 ℃[2]。氣動加熱會引起飛行器的結構剛度下降,強度減弱,并產生熱應力、熱應變和材料燒蝕等現象[3],更會使得飛行器內部溫度快速升高,超出內部電子元器件的正常工作范圍。通常的電子元器件工作范圍為:-55—150 ℃[4],而處于氣動加熱環境下,內部溫度會超過正常工作范圍。因此,需要采用合理的制冷方式,保證飛行器內部電子設備工作在適宜的溫度區間范圍內至關重要。

飛行器內部通常的溫控方式采用存貯制冷劑蒸發吸熱,而氟利昂類制冷劑蒸發潛熱小,制冷系統重、應用受到限制。水的蒸發潛熱約為氟利昂類制冷劑的10 倍,可以大大降低存貯式制冷系統的重量,使得存貯制冷劑蒸發冷卻技術在高速飛行器的溫控中應用變為可能。同時,水作為自然界最環保、最清潔、最易得、最廉價的制冷工質,通過合理的制冷系統結構設計,代替氟利昂類合成工質制冷,可以有效降低制冷系統的成本,保護大氣環境。

在航空航天溫控領域,國外研究者關于膜式水蒸發(Water membrane evaporation,WME)公開發表的文章很少。NASA 約翰遜空間中心[5-7]在2009 年的航天服的溫控中應用了第一代的航天服膜式水蒸發器裝置(spacesuit water membrane evaporator,SWME),它包含14900 根聚丙烯纖維束;并在2010 年研發出第二代SWME,該裝置不僅實現對人體800 W 的散熱量,而且有良好的耐臟和耐寒性能。

本文搭建以去離子水為制冷工質的WME 循環冷卻試驗平臺,研究低氣壓環境下隨加熱功率變化引起的實際工況下WME 循環冷卻系統的性能。同時計算出對應工況下系統的熱效率參數,為后續WME循環冷卻技術在低氣壓高空環境中的實際應用提供支持。

2 WME 冷卻原理

WME 冷卻系統原理為低氣壓環境下的真空膜蒸發過程,膜蒸發是低氣壓高空環境下的熱水閃蒸過程。由于水蒸發潛熱約為2 300—2 500 kJ/kg,用水蒸發來控溫可以減小系統重量和體積。本文采用低氣壓下熱水在膜組件中閃蒸的方式帶走電子設備的熱量。根據R J Peterson 等人[8]的研究,閃蒸過程中的液體是過熱、過冷以及飽和液體的混合物,閃蒸傳質速度是單純蒸發傳質速度的10-12 倍。當環境壓力突然降低到液體初始溫度對應的飽和壓力以下時,液體由最初的平衡狀態變成過熱狀態,由于壓力下降速度過快,液體已經不能以顯熱的方式來包含能量,而是轉化為蒸發潛熱,在此過程中發生劇烈的相變現象,并且由于突然蒸發,液體溫度也快速下降,這種現象稱為閃蒸(flash evaporation)。

水閃蒸冷卻具有一定局限性,對使用環境溫度、大氣壓力、控溫目標都有特定要求,只有在特殊環境條件下,采取相應管理措施,才能有效可靠利用水冷卻來控溫。真空膜蒸發的試驗方案,高溫高壓水在低氣壓環境下閃蒸產生水蒸氣,真空膜的疏水性質阻止液態水通過微孔,水蒸氣分子可以通過微孔,在實現水汽分離的功能,同時實現了低溫液態水的回收利用功能,解決了水的可靠循環及氣液高效分離的技術難題。

真空膜蒸發(Vacuum membrane evaporation,VME)是一種采用疏水微孔膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程[9]。水分子直徑0.4 nm,膜蒸發的孔徑在0.1—1 μm 之間,比水滴直徑小10 000倍,比氣體分子大100 余倍,同時采用的膜材料(PVDF)具有疏水性。其原理是當溫度較高的水流過膜一側時由于膜的疏水性,水不能透過薄膜孔,但水蒸氣的壓力高于另一側,水蒸氣透過膜孔到低壓側,然后熱量隨蒸汽經抽真空被帶走。在真空膜蒸發過程中,膜不參與兩者分離作用,只是兩相之間的屏障,選擇性完全由氣-液平衡決定。膜蒸發的傳質過程一般包含3 個步驟:熱流體側氣液界面處水的蒸發;氣態水分子通過疏水膜孔傳遞;水汽分子在低溫測被真空負壓抽走。

WME 冷卻系統熱力學原理與水蒸氣朗肯循環相似,區別于MWE 冷卻系統中水閃蒸帶走熱量,水蒸氣被抽氣帶至外界環境。測量系統測得各測點的溫度值,通過查詢軟件REFPROP 得出對應工況下的焓值。依據其熱力學原理計算出冷卻系統的熱效率參數值,其中加熱器模擬電子設備熱載荷,加熱量為P。WME 組件帶走的熱量即制冷量,為Qall,包括水加熱升溫的顯熱和水閃蒸汽化的蒸發潛熱兩部分:

式中:Qlat為循環水的蒸發潛熱吸熱量,J;Qsen為循環水的顯熱吸熱量,J。

其中:

式中:Cp為循環水的液態比熱容,J/(kg·℃);ΔT為循環水加熱前后的溫差,℃。

3 WME 循環冷卻系統

3.1 試驗流程

基于水蒸發熱力學原理搭建的低氣壓環境下WME 循環冷卻流程如圖1 所示。試驗系統包括:閉式帶壓水循環回路、膜式水蒸發冷卻及水汽分離組件、高效換熱組件、低氣壓獲得組件四部分。水循環回路包括:增壓隔膜儲箱、旋擰閥、水循環泵、流量調節閥、過濾器及管路、接頭等部件;膜式水蒸發冷卻及水汽分離組件包括膜蒸發組件;高效換熱組件包括水冷卻裝置;低氣壓獲得組件包括隔膜閥和真空泵機組(二級臥式泵,包括羅茨泵和機械泵)各部件。

圖1 膜式水蒸發冷卻系統流程圖Fig.1 Flow chart of WME cooling system

以去離子水作為制冷工質。該冷卻循環系統通過水循環泵對溫度較低循環水加壓后,通過換熱冷卻器吸收加熱器(模擬電子設備熱載荷)的熱量,變為高溫高壓循環水。高溫高壓循環水在流經膜蒸發組件時,一部分水蒸發汽化吸熱,使循環水溫度降低,低溫循環水流經換熱冷卻器繼續吸收熱量,循環往復冷卻散熱。蒸發汽化的水蒸汽通過膜蒸發組件膜壁,被低氣壓裝置抽至外界大氣環境。試驗系統如圖2 所示。本冷卻循環的特點是吸熱后的水在膜蒸發組件中以閃蒸的方式帶走大量汽化潛熱,并通過膜組件實現水汽高效分離功能。

圖2 膜式水蒸發冷卻系統實物圖Fig.2 Photo of WME cooling system

3.2 WME 組件

本試驗選用聚偏氟乙烯(PVDF)的中空纖維微濾膜蒸發器,如圖3 所示。共定制2 組,微孔孔徑分別為0.2 μm 和0.3 μm,每個孔徑的膜組件各定制兩件。根據相關命名標準[10],型號分別為MF-HF-0.2-0.3-PVDF 和MF-HF-0.3-0.3-PVDF。

圖3 膜式水蒸發器組件Fig.3 WME assembly

試驗選用的MF-HF-0.3-0.3-PVDF(膜組件Ⅰ)和MF-HF-0.2-0.3-PVDF(膜組件Ⅱ)的參數如表1所示。

表1 膜組件性能參數Table 1 WME parameters

3.3 試驗測量

WME 循環冷卻系統所測量的參數包括溫度、壓力、流量和熱功率等試驗參數。溫度的測量選用加熱器自帶的進口、出口溫度測量傳感器對加熱器進口、出口溫度進行測量,在數字面板上同步顯示;選用2個PT1000 的熱電阻對膜組件進口溫度、出口溫度進行測量,后期的數據處理上進行溫度轉換。壓力的測量選用一定精度的單晶硅壓力變送器,測量低壓儲罐中的真空壓力。流量的測量選用微型渦輪流量計,測量水循環系統流量,測量范圍為0.1—0.6 m3/h。加熱功率的測量選用精度為0.5 級的數字智能功率計。

3.4 試驗方法

試驗中,以去離子水作為系統循環工質,試驗過程中水流量由水泵控制為定值。為增大冷卻時間,試驗將2 個膜組件Ⅰ和膜組件Ⅱ分別串行連接(膜組件Ⅰ×2 串聯、膜組件Ⅱ×2 串聯)。在膜組件的進出口處,膜組件的1/4G 外螺紋與Φ10 的銅管用卡套連接。

通過調節加熱器加熱功率來改變加熱器進出口溫度、進而改變膜組件進出口溫度,加熱器功率分別為2 kW、3 kW 和4 kW。根據測得的試驗數據繪出各個工況下測點溫度隨時間變化的曲線,并計算得到不同工況下的循環熱效率,由此可以驗證低氣壓高空環境下WME 循環制冷系統的可行性。

4 試驗結果分析

4.1 溫度的影響

如圖4—圖6 所示,膜組件Ⅰ和膜組件Ⅱ,分別在2 kW、3 kW 及4 kW 加熱功率下,加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度試驗過程中的溫度變化曲線。

圖4 膜組件Ⅰ/Ⅱ串聯測點溫度對比Fig.4 Temperature changes of measurement points on WMEⅠ×2/WMEⅡ×2

圖4 為2 kW 功率加熱膜組件Ⅰ×2/Ⅱ×2 串聯時測點溫度隨時間的變化曲線。調節加熱器加熱溫度區間,至加熱器出口溫度基本穩定時,打開真空泵對低壓儲罐內膜組件周圍環境抽真空;各個測點溫度升高速度逐漸減緩,溫度曲線逐漸趨于水平,說明膜組件制冷量與加熱器加熱量逐漸保持平衡,各個測點溫度不再上升。平衡狀態時,如圖4a 中膜組件Ⅰ×2串聯組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:53.7 ℃、63.0 ℃、60.9 ℃和55.2 ℃;圖4b中膜組件Ⅱ×2 串聯組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:46.0 ℃、57.0 ℃、55.3 ℃和47.8 ℃。

圖5 為加熱膜組件Ⅱ串聯組件在2 kW/3 kW/4 kW功率加熱時各測點溫度隨時間的變化曲線。圖5a 中第5 分鐘4 個測點溫度均下降,是因為加熱器并非一直保持2 kW 功率持續不間斷加熱,在加熱器出口溫度超出設定值時,加熱器停止加熱,膜組件持續制冷使得溫度下降較快;至加熱器入口溫度下降低于設定值時,加熱器恢復加熱,各個測點溫度逐漸回升。加熱器加熱控制的滯后調節導致了4 個測點溫度的下降。平衡狀態時,圖5b 中膜組件Ⅱ×2 串聯組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:51.0 ℃、66.7 ℃、64.9 ℃和52.2 ℃;圖5c 中膜組件Ⅱ×2 串聯組件加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:54.0 ℃、75.8 ℃、72.5 ℃和55.7 ℃。從圖5a—5c 中的溫度變化曲線趨勢可以得出:隨著膜組件進出口溫度的上升,膜組件的制冷功率逐漸增大,至制冷功率和加熱功率保持平衡時,4個測點溫度基本穩定不變。

圖5 膜組件Ⅱ串聯測點溫度對比Fig.5 Temperature changes of measurement points on WMEⅡ×2

圖6 為2 kW 功率加熱單個膜組件Ⅱ/膜組件Ⅱ×2 串聯測點溫度隨時間的變化曲線。平衡狀態時,圖6a 中單個膜組件Ⅱ加熱器入口溫度、加熱器出口溫度、膜組件入口溫度和膜組件出口溫度4 個測點溫度的平均值分別為:56.2 ℃、64.3 ℃、61.7 ℃和58.3 ℃。

圖6 膜組件Ⅱ單個/串聯測點溫度對比Fig.6 Temperature changes of measurement points on WMEⅡ/WMEⅡ×2

對比圖4—圖6,整理數據如圖7 所示。在圖7a中,加熱器進口溫度、膜組件進口溫度都隨著加熱功率的提高而顯著升高,加熱器出口溫度和膜組件出口溫度也有升高,但幅度遠沒有入口溫度顯著。結合圖7b,加熱器進出口溫差和膜組件進出口溫度的趨勢,膜組件隨著加熱功率的提高,其入口溫度升高,制冷能力提高。

圖7 測點溫度與加熱功率Fig.7 Temperature changes of measurement points and heating power

4.2 膜組件熱效率

本研究中,定義膜組件的熱效率:

式中:Qall為循環水的總吸熱量,J;P為電加熱器的加熱功率,J。

計算結果整理如表2 所示。

表2 膜組件熱效率Table 2 Thermal efficiency of WME assembly

5 結論

為了驗證膜式水蒸發循環冷卻在低氣壓高空環境中溫控應用的可行性,搭建了WME 循環冷卻閉式系統,通過試驗得到的結論有:

(1)WME 循環冷卻閉式系統,在低于10 kPa 的低氣壓環境下可以實現將55—70 ℃的熱水降溫至45—55 ℃的冷水,膜組件進出口溫差最大達到16.8 ℃,制冷功率達到4 kW,膜組件熱效率高于80%。

(2)WME 組件隨著加熱功率的提高,其入口溫度升高,制冷能力提高。隨著電子設備耗散熱升高,回水溫度升高,膜蒸發水通量增大,制冷量也相應增大,具有一定自適應能力。

(3)采用閉式單相水循環冷卻方式,解決了低氣壓水輸運時的氣蝕問題及氣液分離難題,實現了溫控應用中水冷卻系統有效管理,使具有高吸熱冷卻能力的水在低氣壓高空環境中的溫控應用成為可能,解決控溫的大冷量技術難題。

(4)膜組件比表面積大,蒸發冷卻能力強,散熱系統結構簡單緊湊、體積小、重量輕,使得低氣壓高空環境中溫控應用的冷卻系統簡單、易實現。