重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法。使用本发明能够获得月昼期间重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。本发明首先通过分析发现了重力驱动两相流体回路中不凝气体量与蒸发器和储液器之间的温差存在一一对应关系，通过对不凝气体量与蒸发器和储液器之间的温差关系进行标定，获得该关系曲线，然后根据实际的重力驱动两相流体回路运行过程中蒸发器和储液器之间的温差以及标定的关系曲线，获得重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量，该方法实现简单，能有效获得多个月昼期间重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。
【专利说明】重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航天器热控制【技术领域】，具体涉及一种重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法。
【背景技术】
[0002]在月球(或行星)着陆探测活动中，由于月球表面昼夜温差大、探测器月夜期间无电能，为解决探测器月夜生存的难题，采用同位素核热源+重力驱动两相流体回路的热控设计方案，重力驱动两相流体回路的系统组成如图1所示，包括蒸发器I (包括丝网蒸发器7、液体分流器8和蒸气汇流器9)、蒸气管路2、冷凝管路3、储液器4、液体管路6和控制阀5，其中，冷凝管路3位于储液器4重力场上方，蒸发器I位于储液器4重力场的下方、并与同位素热源耦合安装，储液器4内液面和蒸发器I底部之间形成重力辅助高度差；储液器4通过液体管路6连接至蒸发器I入口，在液体管路6上设有控制阀5，蒸发器I出口依次通过蒸气管路2、冷凝器管路3连接至储液器4，形成封闭的管路系统。为确保重力驱动两相流体回路在_50°C?70°C温度范围内具有良好的传热特性，选择氨作为工作介质。月昼期间，重力驱动两相流体回路控制阀5关闭，阻断同位素核热源的热量向探测器内部传递，同位素核热源的热量通过自身的热辐射向外散失，温度高达250°C?260°C，从而使得与之耦合的蒸发器I的温度高达250°C?260°C。因重力驱动两相流体回路的工作介质为氨，回路材质为022Crl7Nil2Mo2不锈钢，镍元素含量为10%?14%，氨在镍元素作催化剂、温度高达250°C?260°C条件下，分解产生氮气和氢气等不溶于液体氨的不凝气体。月夜期间，控制阀5开启，依靠月球重力的驱动，两相流体回路启动运行，随着氨工质的循环，回路内部的不凝气体将全部聚集在储液器4上部的气空间(其氮气和氢气在液氨中的溶解度极微量，可忽略)，形成不凝气体的分压力，在储液器4温度不变的条件下，储液器4内氨工质的饱和分压力不变，从而导致储液器4内总压力较无不凝气体时变大，导致系统压力升高，蒸发器I内压力升高，工质氨在蒸发器I内相变温度升高，从而导致与蒸发器I耦合的同位素核热源的温度升高，同位素核热源通过热辐射散失的热量增大，因其发热量恒定，因此通过重力驱动两相流体回路传入月球探测器的热量减小，对月球探测器的热控设计产生不利的影响，因此需要开展重力驱动两相流体回路寿命期间内不凝气体量的测试，为评估其对探测器热控的影响提供基础数据。
[0003]氨分解产生不凝气体后，随着重力驱动两相流体回路月夜期间的启动运行，不凝气体随着工质的循环流动，逐渐聚集在储液器4上部的气空间，形成分压力。重力驱动两相流体回路在运行过程中，丝网蒸发器7、蒸气汇流器9、蒸气管路2以及冷凝管路3为气液两相态，液体管路6、液体分流器8为液态，储液器4在重力作用下分层，下部为液体，上部为气体。由于两相流动的复杂性，无法准确的分析丝网蒸发器7、蒸气汇流器9、蒸气管路2以及冷凝管路3中液态氨工质的含量，因此无法确定储液器4中不凝气体的容积大小，无法根据理想气体状态方程计算不凝气体量。
[0004]目前中国航天界提出了一种重力热管等效模拟件来模拟重力驱动两相流体回路高温下氨工质的分解过程，并通过对重力热管开展不凝气体量测试获得氨工质分解产生的不凝气体量，但上述方法存在如下问题:只能模拟一个月昼期间氨分解产生的不凝气体量，无法评估经历第二、三…个月昼期间分解产生的不凝气体量。因为第一个月夜运行期间，不凝气体全部聚集在储液器气空间，第二个月昼开始后，控制阀5关闭，重力驱动两相流体回路停止运行，蒸发器I温度开始升高，氨开始分解，同时因储液器4聚集不凝气体，浓度较大，不凝气体将沿着冷凝管路3、蒸气管路2向蒸发器I扩散，导致蒸发器I中不凝气体浓度增大，一定程度上抑制了氨的分解，因而无法采用重力热管测试不凝气体的方法获得经历多个月昼后重力驱动两相流体回路中的不凝气体量。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法，能够获得月昼期间重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。
[0006]本发明的重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法，包括如下步骤:
[0007]步骤1，重力驱动两相流体回路不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T之间的关系标定:
[0008]步骤1.1，向重力驱动两相流体回路中充入一定量的用于模拟不凝气体的高纯氮气后，对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验，测量获得重力驱动两相流体回路中蒸发器与储液器之间的温差，其中，氮气纯度不低于99.999% ;
[0009]步骤1.2，改变高纯氮气的充入量，重复步骤1.1，获得不同量的高纯氮气时对应的蒸发器与储液器之间的温差，绘制高纯氮气量与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线，即重力驱动两相流体回路中不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线C；
[0010]步骤2，释放重力驱动两相流体回路内的工质和不凝气体，重新充装工质，进行寿命试验，寿命试验结束后，将重力驱动两相流体回路的工作温度调为与步骤I进行传热特性试验时的工作温度一致；测量获得蒸发器与储液器之间的温差；根据步骤I获得的关系曲线C，获得该温差下对应的高纯氮气量，该高纯氮气量即为重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。
[0011]其中，所述步骤I中重力驱动两相流体回路传热特性试验时，重力驱动两相流体回路的工作温度尽可能接近其最低工作温度。
[0012]有益效果:
[0013](I)本发明首先通过分析发现了重力驱动两相流体回路中不凝气体量与蒸发器和储液器之间的温差存在一一对应关系，通过对不凝气体量与蒸发器和储液器之间的温差关系进行标定，获得该关系曲线，然后根据实际的重力驱动两相流体回路运行过程中蒸发器和储液器之间的温差以及标定的关系曲线，获得重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量，该方法实现简单，能有效获得多个月昼期间重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。
[0014](2)在进行不凝气体量与蒸发器和储液器之间的温差关系标定时，尽可能降低重力驱动两相流体回路的工作温度，从而提高不凝气体量分压占储液器压力的比例，进而提高不凝气体的分辨率。
[0015](3)采用向重力驱动两相流体回路充装高纯氮气的方式替代由氮气、氢气混合组成的不凝气体，充装方式简单可行。
[0016](4)重力驱动两相流体回路寿命试验结束后，将重力驱动两相流体回路的工作温度调为标定过程中传热特性试验的工作温度一致，避免工作温度不一致带来的不凝气体量与蒸发器和储液器温差之间的关系误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为重力驱动两相流体回路的系统组成示意图。
[0018]图2为月球探测器用重力驱动两相流体回路不凝气体量和温差对应关系曲线。
[0019]其中，1-蒸发器，2-蒸气管路，3-冷凝管路，4~储液器，5-控制阀，6-液体管路，7-丝网蒸发器，8-液体分流器，9-蒸汽汇流器。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0021]本发明提供了一种重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法。
[0022]重力驱动两相流体回路氨分解产生不凝气体后，随着重力驱动两相流体回路月夜期间的启动运行，不凝气体随着工质的循环流动，逐渐聚集在储液器4上部气空间中，形成分压力，导致储液器4内的压力升高，从而系统压力升高，蒸发器1中工质相变温度升高，即蒸发器1中工质的相变温度较储液器4中工质的两相温度高。由于重力驱动两相流体回路的不凝气体量与蒸发器1与储液器4中工质的温差存在对应关系，在储液器温度一定的情况下，不凝气体量越多，蒸发器1和储液器4间工质的温差越大。此外随着重力驱动两相流体回路工作温度的降低，储液器中氨工质的饱和分压力越低，相同量的不凝气体产生的分压力在储液器的总压力中占的份额越大，蒸发器1和储液器4中工质饱和温度的温差越大。
[0023]经上述分析可知，重力驱动两相流体回路中的不凝气体量与蒸发器1和储液器4之间的温差存在对应关系，因此本发明首先向重力驱动两相流体回路中预先充入不同量的高纯氮气(氮气纯度不低于99.999% ),由于氮气和氢气在液氨中的溶解率都可以忽略不计，氮气在储液器4中引起的分压力与相同物质的量的氮气、氢气混合气体在储液器4中引起的分压力相同，因此，可以采用氮气替代由氮气、氢气组成的不凝气体。然后对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验，测试不同量不凝气体0时蒸发器1和储液器4之间的温差丁，得到一条不凝气体量0和温差I的对应关系曲线0，如图2所示，此关系曲线为一条单调曲线。为提高不凝气体的分辨率，传热特性试验过程中，应尽可能降低重力驱动两相流体回路的工作温度。
[0024]完成重力驱动两相流体回路中不凝气体量0与蒸发器1和储液器4间温差I的对应关系测试后，释放回路内的工质和不凝气体，重新充装工质，进行寿命试验，开展氨分解的寿命试验验证。
[0025]寿命试验结束后，按照不凝气体量0与蒸发器1和储液器4间温差I的对应关系测试时的条件，开展寿命试验后重力驱动两相流体回路蒸发器1和储液器4间的温差测试，根据测试的温差和不凝气体量与温差对应曲线，进行插值计算寿命试验后产生的不凝气体量。
[0026]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤I，重力驱动两相流体回路不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T之间的关系标定: 步骤1.1，向重力驱动两相流体回路中充入一定量的用于模拟不凝气体的高纯氮气后，对重力驱动两相流体回路进行传热特性试验，测量获得重力驱动两相流体回路中蒸发器与储液器之间的温差，其中，氮气纯度不低于99.999% ; 步骤1.2，改变高纯氮气的充入量，重复步骤1.1，获得不同量的高纯氮气时对应的蒸发器与储液器之间的温差，绘制高纯氮气量与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线，即重力驱动两相流体回路中不凝气体量Q与蒸发器和储液器之间的温差T的关系曲线C ; 步骤2，释放重力驱动两相流体回路内的工质和不凝气体，重新充装工质，进行寿命试验，寿命试验结束后，将重力驱动两相流体回路的工作温度调为与步骤I进行传热特性试验时的工作温度一致；测量获得蒸发器与储液器之间的温差；根据步骤I获得的关系曲线C，获得该温差下对应的高纯氮气量，该高纯氮气量即为重力驱动两相流体回路产生的不凝气体量。
2.如权利要求1所述的重力驱动两相流体回路不凝气体量的间接测试方法，其特征在于，所述步骤I中重力驱动两相流体回路传热特性试验时，重力驱动两相流体回路的工作温度尽可能接近其最低工作温度。
【文档编号】G01F22/00GK104501900SQ201410720163
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】王录, 苗建印, 张红星, 何江 申请人:北京空间飞行器总体设计部