太阳能热动力系统吸热/蓄热器能量分析

空间太阳能热动力发电系统是一种新型的空间电力系统。吸热 /蓄热器是热动力发电系统关键部件之一。吸热 /蓄热器采用的蓄热方式是相变蓄热。通过对吸热 /蓄热器的能量分析 ,可以很好的了解吸热器的能量传递 ,以及相变材料的工作过程。建立了太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型 ,结合换热管的传热模型计算了吸热器的传热过程。得到了吸热器的能量损失、工质吸收能量、PCM的潜热储能和显热储能等重要指标 ,并且得到了换热管最大温度 ,工质出口温度等重要结果。计算结果可以用于吸热器的设计     

容器单元表面热辐射率对吸热蓄热器的影响

吸热/蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一,主要作用是吸收太阳入射热流和蓄热。由于吸热/蓄热器内换热管各容器单元表面温度不同,热流通过热辐射重新分布,所以容器单元的表面热辐射率将很大的影响吸热器的热性能。通过太阳能热动力发电系统吸热器腔体辐射模型,结合换热管的传热模型计算吸热器的传热过程。计算得到了两种典型的换热管表面热辐射率下吸热器的能量损失、工质吸收能量、换热管最大温度,工质出口温度等结果,进行了比较分析,说明了表面处理对于吸热器热性能的重要性。计算结果可以用于吸热器的设计。      

空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验

利用相变材料 (PCM)的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术 ,建立了空间太阳能吸热 -储热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下 ,对不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。结果表明 ,单管工质气体的出口温升在轨道的日照期和阴影期都达到了预期的要求 ,相变材料容器的最高温度和平均温度都处于材料的安全范围内。     

空间站太阳能蓄热/吸热器轻量化研究

为了降低太阳能热动力发电系统中关键部件吸热器的质量,在NASA2kW吸热器样机的基础上建立了吸热器的物理和传热过程及流阻的数学模型,编制了吸热器传热及质量计算的数值模拟程序,分析了结构参数和特性参数对质量的影响。结果表明,在一定的设计要求下,合理的选取工质传热管的直径和数目、能量转换单元的转速、压缩机入口温度和回热器回热度等参数,可以明显降低吸热器质量的影响,为吸热器的设计提供了理论依据。      

空间站高温固液相变蓄热容器的实验研究

相变材料(PCM)容器是空间太阳能动力装置吸热—储热器的关键部件。吸热器的蓄/放热性能及其寿命取决于PCM容器的设计与制造是否可靠。文中对PCM容器的结构设计及其制造工艺、PCM的充装工艺、PCM的熔化—凝固特性和空穴的形成、PCM熔点及相变潜热的测量以及PCM与容器材料的相容性这些关键问题进行了试验研究。      

高温相变单元管蓄热过程数值模拟

对以高温共晶盐 Li F-Ca F2 为相变材料 (PCM)和以干空气为工质的相变蓄热系统 ,采用焓方法建立了以控制体单元为对象的单管相变蓄热模型。在模拟空间站太阳能吸热 /储热器轨道运行参数下进行了数值计算。计算结果与地面模拟试验数据进行了比较 ,吻合良好。     

航天器核动力推进系统热力学性能研究

作为未来航天能源重要候选的以CO_2为工质的布雷顿循环空间核动力系统,目前在热力循环分析的研究方面有待深入。以钠冷快堆超临界CO_2布雷顿循环作为分析对象,针对不同工质最高循环温度下的循环效率以及不同的增压比和低温回热器冷端温差对循环效率的影响进行了研究。通过建立CO_2实际气体的RK方程和焓表达式,得出了输出功率随增压比的变化规律。研究结果表明提高循环最高温度和增压比均能有效提升循环效率,但提高增压比将影响回热器的回热效果,而较低的增压比会使高温回热器热负荷显著增加,合适增压比范围为3.0~3.2。     

容器热物性参数对蓄热系统性能影响的数值研究

建立了分析潜热蓄热系统蓄热性能的二维数学模型,并进行了数值计算.其中考虑了容器壁面的导热,且相变传热只考虑导热模型,对相变材料(PCM)相变过程的求解采用解耦法计算模型.对几种不同材料容器内PCM熔化过程进行了数值计算比较,结果表明,容器材料的导热系数、比热容和密度等热物性参数对PCM的熔化有很大的影响.此外还对不同初始温度和边界壁温对PCM熔化的影响进行了数值计算.所得结论对潜热蓄热系统的热性能及其优化设计有一定的指导作用.      

发散冷却系统冷却能力的数值分析

以给定冷却工质质量流速下系统所能承受的最大热流表征冷却能力,对影响发散冷却系统冷却能力的主要因素进行了数值研究。理论分析和数值计算结果表明:发散冷却的冷却能力受冷却工质的吸热能力和冷却工质与固体骨架之间的换热能力共同制约。在小冷却工质质量流速下,发散冷却系统的冷却能力主要取决于冷却工质吸热能力,而随着冷却工质质量流速的增加,流固换热能力则逐渐成为决定冷却能力的主要因素,进而导致固体热导率和冷却工质比热容对发散冷却系统冷却能力的影响在不同冷却工质质量流速下存在显著差异。      

催化重整条件下碳氢燃料热裂解与换热

针对碳氢燃料在再生冷却通道内的热裂解和催化重整反应过程,考虑燃料在超临界压力下的热物性,建立了超临界压力下的流动、换热和反应模型,开展了流动换热、热裂解和催化重整反应的耦合数值研究。结果表明:计算结果与实验吻合良好,能较为准确地预测壁面和燃油温度、燃料转化率和换热恶化等现象。催化重整反应能显著提高燃料的吸热能力,降低出口温度,同时还能抑制热裂解反应的发生。增大流量会降低燃料在通道内的停留时间,降低燃料的转化率和化学反应吸热量。      

动载对管内沸腾两相流传热特性的影响

对旋转状态下的单相水及加热单相水至沸腾的两相流进行了对比实验.通过对热耗散、流型、流阻及传热的分析与计算,研究了动载对流体流动与传热的影响.结果表明:过载强烈影响两相流动(尤其是流阻)和热传递方式,增大了流体的流阻和热损失,并削弱了流体的得热能力.动载引起的冲击交混流改变了管壁温度的均匀性和变化规律,即随着过载的增大,在一定范围内,管壁底部温度降低,顶部温度升高.      

深冷环路热管稳态运行特性的理论分析

基于能量平衡、压力平衡以及质量守恒,建立了氮工质深冷环路热管(CLHP)的稳态数学模型,模拟结果同实验数据具有良好的一致性.应用该模型对CLHP的稳态运行特性进行了理论分析,考察了寄生热载荷、次蒸发器功率等对CLHP运行性能的影响,并得出如下结论:同常温环路热管相比,CLHP的传热能力明显减小;当主蒸发器热载荷较小时,寄生热载荷以及反重力高度的存在使CLHP的稳态运行温度明显升高,而通过对次蒸发器施加功率可显著改善CLHP的工作性能;CLHP最高运行温度/压力随储气室容积的增大而减小,相应的,其最大传热能力将受到限制.      

飞行器热防护与利用一体化系统实验与模拟

通过设计一种基于主动冷却的点阵桁架结构,在降低飞行器质量的同时,实现有效的热防护效果,并在该结构中加入半导体温差发电装置,将产生的气动热转化为电能,可用于飞行器小型用电设备供电.对该热防护与利用一体化系统进行了实验研究.在不同工况下,温差发电功率远大于主动冷却系统的泵功消耗,可实现主动冷却系统的自驱动.通过添加管内表面...     

尖前缘一体化高温热管启动性能计算分析

针对尖前缘高温热管工程设计与启动性能评估需求,基于描述碱金属高温热管启动过程的“温度锋面”模型,建立了一种用于分析不规则外形且承受非均匀瞬态气动加热的一体化尖前缘高温热管启动性能工程计算方法。该方法结合尖前缘气动加热环境分布特点进行计算节点划分,采用热管基本理论和局部能量守恒原理计算热管温度分布及“温度锋面”位置,实现尖前缘热管启动过程的理论预测。同时,采用均匀受热圆柱热管和尖前缘一体化热管启动试验结果对计算方法进行了验证。最后针对某尖前缘一体化高温热管结构在气动加热环境下的启动性能进行计算分析,提出了减小尖前缘高温热管启动时间的可能方法和措施：尖前缘高温热管启动后等温性良好,通过控制热管总长、壳体厚度、工质充装量等设计参数或调整热管初始温度可进一步缩短热管启动时间。     

TC4钛合金高效磨削加工用环形热管砂轮的研制

针对航空航天高强韧性难加工材料TC4钛合金在磨削加工中存在磨削温度高而导致工件表面烧伤的问题,提出利用热管换热技术冷却磨削弧区的新方法.分析了环形热管砂轮在加工中对磨削弧区的强化换热原理,并设计制作出能够用于磨削加工的环形热管砂轮,同时实现了对砂轮基体内环形管腔的密封、抽真空、精确注液与机械式真空封口.最后,在相同磨削工艺条件下,使用环形热管砂轮和无热管砂轮进行TC4钛合金缓进给深切磨削对比试验,验证了环形热管砂轮对磨削弧区温度的控制效果.试验结果表明:设计制作的环形热管砂轮在TC4钛合金高效磨削过程中可以有效降低磨削温度,避免工件表面出现烧伤.     

仿生毛细芯平板热管性能研究

为解决电子设备热管理问题，根据亲水性植物叶片表面微观凸起结构，以颗粒直径为75μm的电解铜粉为材料烧结制备了锥形毛细芯，制造了3种平板热管:普通蒸发段（No.1）、超亲水蒸发段（No.2）、超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配（No.3）。以去离子水为工质，研究了加热功率、角度等因素对3种平板热管热性能的影响。结果表明:角度对3种平板热管的热性能影响不大，3种平板热管均具有较好的抗重力特性。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管热性能最佳，当倾斜角为0°、加热功率为140.4W时，蒸发段中心点温度仅为67.0℃。超亲水蒸发段与超疏水冷凝段匹配的平板热管不仅具有最小蒸发热阻，最小值可达0.05K/W，而且具有最小冷凝热阻，最小值可达0.02K/W。      

蒸汽腔平板微热管仿真及传热性能测试

平板微热管是一种新型的气液两相流传热器件,在空间有限的紧凑器件热控系统中应用更有优势,但是目前性能仍有很大提升空间。首先分析了具有蒸汽腔的平板微热管的工质输运特性,设计并制作了体积为45mm×16mm×1.75mm的蒸汽腔微热管,其中蒸汽腔的深度为200μm。制作了同样尺寸的无蒸汽腔微热管进行传热性能对比。试验结果表明,仿真分析与试验的温度差异在10%左右,高速图像采集系统采集图像与仿真图像可以较好地吻合。当输入功率为6W时,蒸汽腔热管的平衡温度为70.4℃,而相同功率下没有蒸汽腔热管的平衡温度为118℃。在1~6W输入功率下,蒸汽腔热管的平衡温度要明显低于没有蒸汽腔热管的平衡温度,因此蒸汽腔对于减小气态工质循环阻力,提高微热管传热能力有较大影响。本研究可为平板微热管的优化设计提供借鉴。     

基于翅片板结构的烟气对流冷凝传热性能

在冷凝实验台上对一种用于冷凝式烟气余热回收的翅片板换热器进行实验,研究了该结构的传热和流动性能,分析了烟气温度、流速等对冷凝的影响,得到了Nu-Re和 f-Re曲线,并对该换热结构在干空气风洞实验台上测试的结果进行了比对.结果表明:由于大量不凝性气体的影响(质量分数为92%),冷凝传热对整体传热性能的强化并不明显,伴随有冷凝的烟气表面传热系数约为相同工况下无凝结表面传热系数的1.1～1.2倍.得到了无量纲数冷凝传热准则关联式,可以为冷凝式翅片板换热器的设计提供参考.      

A Dual-driven Intelligent Combination Control of Heat Pipe Space Cooling System

Effective thermal control systems are essential for reliable operation of spacecraft.A dual-driven intelligent combination control strategy is proposed to improve the temperate control and heat flux tracking effects.Both temperature regulation and heat flux tracking errors are employed to generate the final control action;their contributions are adaptively adjusted by a fuzzy fusing policy of control actions.To evaluate the control effects,describe a four-nodal mathematical model for analyzing the dynamic characteristics of the controlled heat pipe space cooling system(HP-SCS) consisting of an aluminum-ammonia heat pipe and a variable-emittance micro-electromechanical-system(MEMS) radiator.This dynamical model calculates the mass flow-rate and condensing pressure of the heat pipe working fluid directly from the systemic nodal temperatures,therefore,it is more suitable for control engineering applications.The closed-loop transient performances of four different control schemes have been numerically investigated.The results conclude that the proposed intelligent combination control scheme not only improves the thermal control effects but also benefits the safe operation of HP-SCS.