重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法。使用本發明能夠獲得月晝期間重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。本發明首先通過分析發現了重力驅動兩相流體回路中不凝氣體量與蒸發器和儲液器之間的溫差存在一一對應關系，通過對不凝氣體量與蒸發器和儲液器之間的溫差關系進行標定，獲得該關系曲線，然后根據實際的重力驅動兩相流體回路運行過程中蒸發器和儲液器之間的溫差以及標定的關系曲線，獲得重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量，該方法實現簡單，能有效獲得多個月晝期間重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。
【專利說明】重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及航天器熱控制【技術領域】，具體涉及一種重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法。
【背景技術】
[0002]在月球(或行星)著陸探測活動中，由于月球表面晝夜溫差大、探測器月夜期間無電能，為解決探測器月夜生存的難題，采用同位素核熱源+重力驅動兩相流體回路的熱控設計方案，重力驅動兩相流體回路的系統組成如圖1所示，包括蒸發器I (包括絲網蒸發器7、液體分流器8和蒸氣匯流器9)、蒸氣管路2、冷凝管路3、儲液器4、液體管路6和控制閥5，其中，冷凝管路3位于儲液器4重力場上方，蒸發器I位于儲液器4重力場的下方、并與同位素熱源耦合安裝，儲液器4內液面和蒸發器I底部之間形成重力輔助高度差；儲液器4通過液體管路6連接至蒸發器I入口，在液體管路6上設有控制閥5，蒸發器I出口依次通過蒸氣管路2、冷凝器管路3連接至儲液器4，形成封閉的管路系統。為確保重力驅動兩相流體回路在_50°C?70°C溫度范圍內具有良好的傳熱特性，選擇氨作為工作介質。月晝期間，重力驅動兩相流體回路控制閥5關閉，阻斷同位素核熱源的熱量向探測器內部傳遞，同位素核熱源的熱量通過自身的熱輻射向外散失，溫度高達250°C?260°C，從而使得與之耦合的蒸發器I的溫度高達250°C?260°C。因重力驅動兩相流體回路的工作介質為氨，回路材質為022Crl7Nil2Mo2不銹鋼，鎳元素含量為10%?14%，氨在鎳元素作催化劑、溫度高達250°C?260°C條件下，分解產生氮氣和氫氣等不溶于液體氨的不凝氣體。月夜期間，控制閥5開啟，依靠月球重力的驅動，兩相流體回路啟動運行，隨著氨工質的循環，回路內部的不凝氣體將全部聚集在儲液器4上部的氣空間(其氮氣和氫氣在液氨中的溶解度極微量，可忽略)，形成不凝氣體的分壓力，在儲液器4溫度不變的條件下，儲液器4內氨工質的飽和分壓力不變，從而導致儲液器4內總壓力較無不凝氣體時變大，導致系統壓力升高，蒸發器I內壓力升高，工質氨在蒸發器I內相變溫度升高，從而導致與蒸發器I耦合的同位素核熱源的溫度升高，同位素核熱源通過熱輻射散失的熱量增大，因其發熱量恒定，因此通過重力驅動兩相流體回路傳入月球探測器的熱量減小，對月球探測器的熱控設計產生不利的影響，因此需要開展重力驅動兩相流體回路壽命期間內不凝氣體量的測試，為評估其對探測器熱控的影響提供基礎數據。
[0003]氨分解產生不凝氣體后，隨著重力驅動兩相流體回路月夜期間的啟動運行，不凝氣體隨著工質的循環流動，逐漸聚集在儲液器4上部的氣空間，形成分壓力。重力驅動兩相流體回路在運行過程中，絲網蒸發器7、蒸氣匯流器9、蒸氣管路2以及冷凝管路3為氣液兩相態，液體管路6、液體分流器8為液態，儲液器4在重力作用下分層，下部為液體，上部為氣體。由于兩相流動的復雜性，無法準確的分析絲網蒸發器7、蒸氣匯流器9、蒸氣管路2以及冷凝管路3中液態氨工質的含量，因此無法確定儲液器4中不凝氣體的容積大小，無法根據理想氣體狀態方程計算不凝氣體量。
[0004]目前中國航天界提出了一種重力熱管等效模擬件來模擬重力驅動兩相流體回路高溫下氨工質的分解過程，并通過對重力熱管開展不凝氣體量測試獲得氨工質分解產生的不凝氣體量，但上述方法存在如下問題:只能模擬一個月晝期間氨分解產生的不凝氣體量，無法評估經歷第二、三…個月晝期間分解產生的不凝氣體量。因為第一個月夜運行期間，不凝氣體全部聚集在儲液器氣空間，第二個月晝開始后，控制閥5關閉，重力驅動兩相流體回路停止運行，蒸發器I溫度開始升高，氨開始分解，同時因儲液器4聚集不凝氣體，濃度較大，不凝氣體將沿著冷凝管路3、蒸氣管路2向蒸發器I擴散，導致蒸發器I中不凝氣體濃度增大，一定程度上抑制了氨的分解，因而無法采用重力熱管測試不凝氣體的方法獲得經歷多個月晝后重力驅動兩相流體回路中的不凝氣體量。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明提供了一種重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法，能夠獲得月晝期間重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。
[0006]本發明的重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法，包括如下步驟:
[0007]步驟1，重力驅動兩相流體回路不凝氣體量Q與蒸發器和儲液器之間的溫差T之間的關系標定:
[0008]步驟1.1，向重力驅動兩相流體回路中充入一定量的用于模擬不凝氣體的高純氮氣后，對重力驅動兩相流體回路進行傳熱特性試驗，測量獲得重力驅動兩相流體回路中蒸發器與儲液器之間的溫差，其中，氮氣純度不低于99.999% ;
[0009]步驟1.2，改變高純氮氣的充入量，重復步驟1.1，獲得不同量的高純氮氣時對應的蒸發器與儲液器之間的溫差，繪制高純氮氣量與蒸發器和儲液器之間的溫差T的關系曲線，即重力驅動兩相流體回路中不凝氣體量Q與蒸發器和儲液器之間的溫差T的關系曲線C；
[0010]步驟2，釋放重力驅動兩相流體回路內的工質和不凝氣體，重新充裝工質，進行壽命試驗，壽命試驗結束后，將重力驅動兩相流體回路的工作溫度調為與步驟I進行傳熱特性試驗時的工作溫度一致；測量獲得蒸發器與儲液器之間的溫差；根據步驟I獲得的關系曲線C，獲得該溫差下對應的高純氮氣量，該高純氮氣量即為重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。
[0011]其中，所述步驟I中重力驅動兩相流體回路傳熱特性試驗時，重力驅動兩相流體回路的工作溫度盡可能接近其最低工作溫度。
[0012]有益效果:
[0013](I)本發明首先通過分析發現了重力驅動兩相流體回路中不凝氣體量與蒸發器和儲液器之間的溫差存在一一對應關系，通過對不凝氣體量與蒸發器和儲液器之間的溫差關系進行標定，獲得該關系曲線，然后根據實際的重力驅動兩相流體回路運行過程中蒸發器和儲液器之間的溫差以及標定的關系曲線，獲得重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量，該方法實現簡單，能有效獲得多個月晝期間重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。
[0014](2)在進行不凝氣體量與蒸發器和儲液器之間的溫差關系標定時，盡可能降低重力驅動兩相流體回路的工作溫度，從而提高不凝氣體量分壓占儲液器壓力的比例，進而提高不凝氣體的分辨率。
[0015](3)采用向重力驅動兩相流體回路充裝高純氮氣的方式替代由氮氣、氫氣混合組成的不凝氣體，充裝方式簡單可行。
[0016](4)重力驅動兩相流體回路壽命試驗結束后，將重力驅動兩相流體回路的工作溫度調為標定過程中傳熱特性試驗的工作溫度一致，避免工作溫度不一致帶來的不凝氣體量與蒸發器和儲液器溫差之間的關系誤差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為重力驅動兩相流體回路的系統組成示意圖。
[0018]圖2為月球探測器用重力驅動兩相流體回路不凝氣體量和溫差對應關系曲線。
[0019]其中，1-蒸發器，2-蒸氣管路，3-冷凝管路，4~儲液器，5-控制閥，6-液體管路，7-絲網蒸發器，8-液體分流器，9-蒸汽匯流器。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0021]本發明提供了一種重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法。
[0022]重力驅動兩相流體回路氨分解產生不凝氣體后，隨著重力驅動兩相流體回路月夜期間的啟動運行，不凝氣體隨著工質的循環流動，逐漸聚集在儲液器4上部氣空間中，形成分壓力，導致儲液器4內的壓力升高，從而系統壓力升高，蒸發器1中工質相變溫度升高，即蒸發器1中工質的相變溫度較儲液器4中工質的兩相溫度高。由于重力驅動兩相流體回路的不凝氣體量與蒸發器1與儲液器4中工質的溫差存在對應關系，在儲液器溫度一定的情況下，不凝氣體量越多，蒸發器1和儲液器4間工質的溫差越大。此外隨著重力驅動兩相流體回路工作溫度的降低，儲液器中氨工質的飽和分壓力越低，相同量的不凝氣體產生的分壓力在儲液器的總壓力中占的份額越大，蒸發器1和儲液器4中工質飽和溫度的溫差越大。
[0023]經上述分析可知，重力驅動兩相流體回路中的不凝氣體量與蒸發器1和儲液器4之間的溫差存在對應關系，因此本發明首先向重力驅動兩相流體回路中預先充入不同量的高純氮氣(氮氣純度不低于99.999% ),由于氮氣和氫氣在液氨中的溶解率都可以忽略不計，氮氣在儲液器4中引起的分壓力與相同物質的量的氮氣、氫氣混合氣體在儲液器4中引起的分壓力相同，因此，可以采用氮氣替代由氮氣、氫氣組成的不凝氣體。然后對重力驅動兩相流體回路進行傳熱特性試驗，測試不同量不凝氣體0時蒸發器1和儲液器4之間的溫差丁，得到一條不凝氣體量0和溫差I的對應關系曲線0，如圖2所示，此關系曲線為一條單調曲線。為提高不凝氣體的分辨率，傳熱特性試驗過程中，應盡可能降低重力驅動兩相流體回路的工作溫度。
[0024]完成重力驅動兩相流體回路中不凝氣體量0與蒸發器1和儲液器4間溫差I的對應關系測試后，釋放回路內的工質和不凝氣體，重新充裝工質，進行壽命試驗，開展氨分解的壽命試驗驗證。
[0025]壽命試驗結束后，按照不凝氣體量0與蒸發器1和儲液器4間溫差I的對應關系測試時的條件，開展壽命試驗后重力驅動兩相流體回路蒸發器1和儲液器4間的溫差測試，根據測試的溫差和不凝氣體量與溫差對應曲線，進行插值計算壽命試驗后產生的不凝氣體量。
[0026]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟I，重力驅動兩相流體回路不凝氣體量Q與蒸發器和儲液器之間的溫差T之間的關系標定: 步驟1.1，向重力驅動兩相流體回路中充入一定量的用于模擬不凝氣體的高純氮氣后，對重力驅動兩相流體回路進行傳熱特性試驗，測量獲得重力驅動兩相流體回路中蒸發器與儲液器之間的溫差，其中，氮氣純度不低于99.999% ; 步驟1.2，改變高純氮氣的充入量，重復步驟1.1，獲得不同量的高純氮氣時對應的蒸發器與儲液器之間的溫差，繪制高純氮氣量與蒸發器和儲液器之間的溫差T的關系曲線，即重力驅動兩相流體回路中不凝氣體量Q與蒸發器和儲液器之間的溫差T的關系曲線C ; 步驟2，釋放重力驅動兩相流體回路內的工質和不凝氣體，重新充裝工質，進行壽命試驗，壽命試驗結束后，將重力驅動兩相流體回路的工作溫度調為與步驟I進行傳熱特性試驗時的工作溫度一致；測量獲得蒸發器與儲液器之間的溫差；根據步驟I獲得的關系曲線C，獲得該溫差下對應的高純氮氣量，該高純氮氣量即為重力驅動兩相流體回路產生的不凝氣體量。
2.如權利要求1所述的重力驅動兩相流體回路不凝氣體量的間接測試方法，其特征在于，所述步驟I中重力驅動兩相流體回路傳熱特性試驗時，重力驅動兩相流體回路的工作溫度盡可能接近其最低工作溫度。
【文檔編號】G01F22/00GK104501900SQ201410720163
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優先權日:2014年12月2日
【發明者】王錄, 苗建印, 張紅星, 何江 申請人:北京空間飛行器總體設計部