微重力条件下热管吸热器瞬态热分析

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1、４６中国空间科学技术２０１５年８月ChineseSpaceScienceandTechnology第４期微重力条件下热管吸热器瞬态热分析１２桂小红宋香娥（１中国科学院工程热物理研究所，北京１００１９０）（２北京第二外国语学院，北京１０００２４）摘要基于微重力条件下的导热控制微分方程，采用焓法对热管吸热器相变材料容器进行了二维数值建模与仿真，在同时考虑空穴和相变的情况下，对微重力条件下蓄热单元相变传热进行了模拟计算，分析了空穴率对蓄热容器内部的温度场和热性能的影响，并将计算结果同美国航空航天局（NASA）方案热管

2、吸热器蓄热单元相变传热计算结果进行了比较，验证了文中微重力条件下计算模型的合理性与准确性。研究结果表明：空穴影响着蓄热单元相变的进程，空穴的存在增加了容器内部的温度梯度，使得容器的蓄热能力降低；由于热管径向温差较小，热管壁温在相变材料熔点附近变化较小，从而在一定程度上能缓解热斑和热松脱现象。关键词空间太阳能发电系统；热管吸热器；相变材料；空穴；相变；航天器DOI：１０畅３７８０／j畅issn畅１０００‐７５８X畅２０１５畅０４畅００７１引言空间站在轨道运行时，必然经过太阳阴影期，要保证发电系统持续运转、连续供电

3、，必须采用［１‐２］蓄热装置。在太阳能热动力发电系统中，将吸热、蓄热与工质换热三项功能集合在一起的部件称为吸热器。当航天器处于日照区时，反射器收集太阳能并将太阳能聚集到位于抛物面焦点的吸热器腔口。太阳能进入腔体后，其中一部分能量用来加热循环工质，另一部分被蓄热介质吸收储存起来。当航天器进入阴影区后，蓄热介质释放出能量给循环工质，维持其出口温度在循环所要求的最低温度值以上，使动力系统在阴影区与日照区一样运行发电。吸热器的质量约占发电系统总系统质［３‐４］量的１／３，减少吸热器的质量对于降低发电系统成本有重要意义。

4、尽管从２０世纪８０年代末国内外就开始对吸热器的初步研究，研究的内容主要局限于基本型吸热［５‐６］器，而对于热管吸热器等先进吸热器只有少数概念性的介绍，缺乏深入的实质性研究。文献［７］中的NASA方案对热管吸热器蓄热单元进行了预设计和初步热分析，粗略介绍了计算物理模型，其方案中采用一维径向节点模型，没有给出具体计算方法和程序，只是分析了单个蓄热容器径向节点温度的变化，没有分析其内部温度场。文献［８］中的NASA方案对热管吸热器结构参数进行了优选分析，给出了部分计算结果，所采用计算模型仍为一维径向节点物理模型。文献

5、［９］对热管式吸热器单元热管进行了数值分析，其计算模型参照了NASA初步方案，也为一维径向节点模型，采用焓方法对其进行数值求解，得出了轨道周期内单个相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）容器外壁最高温度、热管壁温等主要参数的变化，但没有给出蓄热容器内部温度场，并且没考虑空穴对蓄热容器温度场梯度所带来的影响。国家自然科学基金（５１４７６１７２）资助项目收稿日期：２０１５‐０３‐２０。收修改稿日期：２０１５‐０４‐３０２０１５年８月中国空间科学技术４７本文结合美国Allied‐signal公司G

6、arrettAiresearch提出的用于空间太阳能热动力发电系统的［７］布雷顿式热管吸热器设计案，以及其他国内外吸热器的研究进展及成果，对微重力条件下热管吸热器蓄热单元内伴随有空穴的相变换热进行建模与仿真，对PCM容器进行了详尽的热分析，并进行了具体和深入的研究。２单元热管吸热器结构设计Garrett公司采用布雷顿循环（CBC）的热管吸热器结构如图１所示。在吸热器腔内沿周向排列了２０根钠热管，每根热管分为３段，分别是吸热段、储热段和冷凝段（HSHX段）。靠近腔口的一段为吸热段，该段在热管上没有任何附加物。中部

7、为储热段，在储热段的热管上套以多个分离的环型截面的相变材料容器，高温相变材料封装在容器内。最靠腔底的一段为冷凝段，热管插入通过工质流体的翅片式换热器。热管的冷凝液回流系统由铌粉烧结的毛细芯和干线组成。毛细芯控制冷凝液的周向分布，图１热管吸热器而干线则提供冷凝液的轴向回流，整根热管的外壁Fig畅１Heatpipereceiver面无论从周向还是轴向来看基本是等温面。在轨道日照期，吸热段接受太阳辐射热流，此时吸热段成为热管的蒸发段，提供热量熔解PCM和加热流体。在轨道阴影期，吸热段除有少量通过腔口的辐射热损失外，基

8、本处于绝热状态，储热段转变为蒸发段，此时PCM凝结放热将热量提供给冷凝段，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。３热管吸热器数值计算３畅１计算物理模型为了简化计算，便于求解，在建立相变材料容器换热计算模型时，作了以下假设：１）热管蓄热段壁面温度一致，即热管中所有PCM容器的工作情况完全相同。［１０］２）空穴初始容积固定，占容器容积的１５％，且空穴分布在外壁处。３）忽略液态PCM的对流