基于水蒸發器的高速飛行器電子設備冷卻性能研究

李漫露，龐麗萍，馬德勝

（1.北京動力機械研究所，北京 100074；2.北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191）

0 引言

高速飛行器技術作為航空和航天技術的結合點，以其顯著的價值和巨大的潛力成為世界大國競相發展的熱點領域。2010年5月，美國空軍發布《技術遠景2010-2030》，提出美軍未來所需的30項關鍵核心技術，其中快速戰場監視和偵察/打擊系統、高速突防巡航導彈和可重復使用航天運載器等多項核心技術均與高速飛行器技術有關[1-2]。高速飛行器電子設備集成化程度高且數量多，使得對飛行器電子設備散熱的研究顯得尤為重要。對于飛行器電子設備散熱問題，傳統的方法是以沖壓空氣為熱沉[3-8]，以防凍液作為制冷劑對電子設備進行冷卻。隨著飛行器飛行速度的提高和電子設備釋放的熱量越來越多，傳統的冷卻方式已無法滿足高速飛行器電子設備的冷卻需求，需要開發更加高效的制冷方式。基于高空低氣壓條件下液態水具有較大的蒸發潛熱的特點，本文以水為熱沉，采用防凍液冷卻電子設備的制冷方式，分析高空環境下水的相變換熱性能，為高速飛行器電子設備在低壓環境下的冷卻研究提供參考。

1 電子設備冷卻系統

機載電子設備冷卻系統如圖1所示，系統由水蒸發器、儲液箱、泵、脈沖電子設備、恒定電子設備以及控制閥等主要組件構成。其中脈沖電子設備是周期為4 ms且峰值功率為15 kW的電子設備；恒定電子設備的功率不隨時間變化，為一恒定數值。

圖1 機載電子設備冷卻系統圖Fig.1 Cooling system of airborne electronic equipment

1.1 冷卻原理

冷卻系統中防凍液的循環方式為常壓閉環流通。308 K的防凍液由液冷泵從儲液箱內抽出，首先流經脈沖電子設備，防凍液溫度升至328 K左右；然后流經恒定功率的恒定電子設備，防凍液溫度升高至343 K左右；隨后防凍液進入水蒸發器中，通過換熱器將熱量傳遞給水，水在低壓環境下吸熱沸騰相變，降溫后的防凍液再次流入儲液箱，完成一次制冷循環。

1.2 冷卻工況

高速飛行器巡航高度為27 km，脈沖電子設備溫度不能超過333 K，恒定電子設備的溫度不能超過343 K；防凍液的質量流量約為0.25 kg/s；由于外界環境壓力約為2 kPa左右，此時水的沸點溫度約為293 K左右，水吸收防凍液熱量升溫后易發生相變；為了使水蒸發器內的水蒸氣更易溢出，對水箱抽氣，水箱內的壓力略高于所處外界環境200 Pa左右。

2 仿真建模

2.1 水蒸發器模型

針對水蒸發器中換熱器的防凍液側和水側進行了換熱量計算，其中，水側換熱量分為兩種：一種是水箱內水升溫過程吸收的顯熱；另一種是水箱內水蒸發帶走的潛熱。

防凍液側換熱量計算：

式中：Q為防凍液側換熱量，kW；mg為防凍液側質量流量，kg/s；Cpg為防凍液的定壓比熱，kJ/（kg·K）；為防凍液入口溫度，K；為防凍液出口溫度，K。

水箱內水升溫過程吸收的熱量：

式中：Q1為水升溫過程吸收的熱量，kW；mw為水箱內水的質量，kg；Cpw為水的定壓比熱，kJ/（kg·K）；tv為水的蒸發溫度，K；tw為水的初始溫度，K。

水箱內水沸騰帶走的潛熱：

式中：Q2為水蒸發帶走的潛熱，kW；Δmv為水的蒸發量，kg；r為水的氣化潛熱，kJ/kg。

由能量守恒Q=Q1+Q2并結合式（1）（2）和（3）可以得出水箱內水的蒸發量計算公式：

水蒸發器熱力學數學模型遵循以下熱力學公式，在壓力低于4 MPa時，水蒸發器的過熱度與對流換熱系數計算如式（5）（6）。

式中：Tw為壁面溫度，K；Ts為水的沸點溫度，K；q為熱流密度，W/m2；p為水蒸發器箱體內的壓力，MPa。

式中：hpool為沸騰換熱系數，W/（m2·K）。

2.2 仿真程序

建立基于AmeSim軟件的仿真模型，如圖2所示。包括：脈沖電子設備、恒定電子設備、水蒸發器、儲液箱和泵等主要組件。

圖2 基于Amesim軟件的仿真模型Fig.2 Simulation model based on Amesim software

3 仿真結果與分析

3.1 邊界條件

恒定電子設備冷卻功率為5 kW。脈沖電子設備冷卻平均功率為15 kW，如圖3所示，其中脈沖電子設備為間歇發熱熱源，脈沖周期為4 ms，峰值為500 W/cm2。

圖3 脈沖電子設備功率Fig.3 Power of pulse electronic equipment

電子設備冷卻采用防凍液，仿真邊界條件如表1所列。

表1 仿真邊界條件Tab.1 Simulation boundary conditions

3.2 仿真結果分析

結合熱力學第一定律進行仿真分析，得到了防凍液進出水蒸發器及脈沖電子設備的溫度變化如圖4和圖5所示。

圖4 防凍液進出脈沖電子設備溫度Fig.4 Temperatures of antifreeze in and out of electronic equipment

圖5 防凍液進出水蒸發器溫度Fig.5 Temperatures of antifreeze at inlet and outlet water evaporator

由圖4～5可以看出，防凍液流出脈沖電子設備時的溫度約為331 K，防凍液進出恒定電子設備的溫度分別為331 K與343 K，同時防凍液流出水蒸發器的溫度為308.15 K，滿足了機載電子設備冷卻需求。

由圖6可以看出，水蒸發器的耗水速率變化較小，約為0.008 kg/s。這是由于飛行器巡航階段電子設備產生熱量基本恒定，同時在巡航階段由于高度沒有發生改變，這就使得飛行器外界環境壓力不變，從而使水的沸點基本不變。由圖7可以看出，耗水量基本上與飛行時間呈正相關，在總電子設備工作時間內水蒸發器的總耗水量約為25 kg。

圖6 水蒸發器的耗水速率Fig.6 Water consumption rate of water evaporator

圖7 水蒸發器的耗水量Fig.7 Water consumption of water evaporator

4 結論

高速飛行器在巡航狀態下，利用水蒸發器作為熱沉對機載電子設備進行冷卻。仿真分析結果表明，在整個飛行時間內，水蒸發器可以將防凍液的溫度由343.15 K降至308.15 K，滿足了防凍液進入脈沖電子設備溫度不高于333 K的需求。此外，本方案采用液態水作為主要熱沉吸收系統的熱負荷，提高了換熱性能，減少了對環境的污染，從而實現節能與經濟的要求。