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空间站热泵—蓄冷组合排热系统及其性能研究

李明海  
【摘要】:空间站规模的增大使废热排放量升高,用增加辐射器表面积的方法提高排热量要受到空间结构布局和系统重量的限制。采用热泵提高辐射器温度能增加辐射器排热能力,但系统重量将增加。本文根据空间站的供电特性,提出了一种新的热控排热方案——热泵—蓄冷组合排热系统,热泵仅在光照期间工作并蓄冷,而在阴影轨道期间超出辐射器排热能力的热负荷由蓄冰装置的释冷予以补偿,这种工作模式能大大减轻供电系统蓄电池重量。本文将部件研究和系统研究有机结合,对该方案进行了系统的分析和研究。 首先,对组合排热系统进行了稳念分析,研究了影响系统重量的因素,结果表明组合排热系统存在最佳冷凝温度和最佳蓄冷速率,与单相流体排热系统相比,辐射器面积和系统重量分别减少30.0%和4.8%;与热泵排热系统相比,尽管辐射器面积增加了12.0%,但系统重量却能降低9.3%,表明组合排热系统是可行的。 应用集总参数法建立了组合排热系统和单相流体排热系统的动态仿真模型,动态分析结果表明,与单相流体排热系统相比,辐射器面积和系统重量分别减少47.5%和18.3%,表明在动态条件下,热惯性效应使组合排热系统的减重效果更为理想。 设计并搭建了组合排热系统实验台,实验测量了组合排热系统的工作性能。在设定实验工况下,压缩机制冷系数的实测值仅为2.14,与单相流体排热系统相比,辐射器面积减少22.8%,系统重量则增加了7.5%。该结论与稳态分析结果相符,也表明通过选择制冷系数更高的压缩机,完全可实现系统减重。与热泵排热系统所对应的最佳工况相比,组合排热系统的辐射器面积增加了23.2%,但系统重量降低了1.6%。实验还证实了组合排热系统具有良好的启动特性和运行平稳性,回舱流体温度的实测结果和数值模拟结果吻合较好,能满足舱内的热控要求。 对系统关键部件—蓄冰装置的充释冷动态特性进行了数值模拟,对其结构进行了优化。设计加工了蓄冰装置,实验研究了充释冷动态特性,结果验证了数值模拟模型的正确性。在辐射器肋片结构的优化分析基础上,对辐射器管内制冷剂的两相流动与传热特性进行了分析,并应用分相建模和分布参数法建立了组合排热系统的优化设计模型,在此基础上,提出并数值证明了三种有利于减少辐射器面积和系统重量的设计方案。 最后,进一步提出系统改进方案—双压缩双回路循环和压缩/喷射混合循环,这两种改进方案可提高压缩机入口工质压力,从而能有效提高系统的制冷系数。热力学分析结果表明,工质为R22的双压缩双回路循环组合排热系统综合性能最佳,与单相流体排热系统相比,其辐射器面积和系统重量分别减少33.0%和9.7%;与热泵排热系统相比,辐射器面积虽然增加约7.1%,但系统重量却降低了13.9%。


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