（流体力学专业论文）高压流体毛细特性及影响因素的实验研究.pdf

摘要高压流体毛细特性及影响因素的实验研究摘要自蒙特利尔议定书签订以来，以c f c s 和h c f c s 作制冷剂的制冷界面临着严重的挑战，目前推出的包括r 1 3 4 a 在内的h f c s 及其混合物，不能够满足长期替代的要求，二氧化碳因具有良好的热力性能和环保特性逐渐受到了重视。太空也丌始尝试采用二氧化碳为工质的冷却循环。太空由于重力接近于零，毛细力起着重要的作用，因此在空间热控系统中，毛细特性的研究至关重要。本文研制了一种可视化的高压釜，并与之配套搭建了完整的温度控制、图像采集、数据采集等，组成了一个实验平台，可以进行二氧化碳等高压流体的毛细特性研究。本文对高压流体在其气液相平衡状态下毛细特性分别进行了静念与动态实验研究，实验对象是二氧化碳。依据实验平台，本文首先进行了二氧化碳与3 1 6 l 不锈钢表面的浸涧性研究。本文使用两种不同的方法进行了接触角测量，一种是| 日j 接法，测量液体在两块不锈钢片之自j 的上升高度，根据上升高度计算出接触角的大小。实验结果展示两个不同宽度狭缝计算得到的接触角数据结果基本相同。使用间接法测量得到的接触角是后退角，为了全面衡量二氧化碳液体的浸润性及验证问接法测量结果的准确性，本文使用下垂液滴法进行接触角测量。垂滴法属于直接测量接触角的方法，利用外部冷源在气液两相蒸气中冷凝液滴，使用图像采集系统对液滴下落过程进行监控与图像采集，然后利用三次样条分析法对液滴图片分析得到前进角与后退角大小。实验结果表明下垂液滴法测量得到的后退角与平板法测得的接触角非常近似。由两种测量接触角方法得到的结果看出，二氧化碳与不锈钢的接触角非常小，这说明二氧化碳对不锈钢表面的浸润性非常好。同时实验结果表明液滴的接触角随温度的降低而逐渐升高，说明随温度降低，二氧化碳的浸润性变差。本文还对二氧化碳在不锈钢丝网毛细上升进行了实验研究，实验在密封的压力容器中进行，所有的实验都是在各个实验点温度和压力达到稳态并且是处于二氧化碳的气液相平衡的条件下进行的。方法是通过观察液体二氧化碳在毛细丝网的不同时刻的上升高度进行毛细特性的静力学与动力学分析。静力学分析是当液体在丝网上升到最高点时，毛细力与重力达到平衡状态，通过公式就可以得到各个实验丝网的当量毛细半径。在二氧化碳的毛细动念特性的研究中，采用的研究方法是首先节流降温使液体在丝网中蒸发，然后观察并记录在不同时刻，液念二氧化碳在丝网的上升高度。实验结果表明，完全考虑重力作用的方程与实验的结果吻合性非常好。说明在地面实验中，重力是一个非常重要的量，它起到平衡毛细力的作用。在进行丝网的动态特性描述中，摘要渗透率k 是一个重要的概念，它描述了液体在丝网中的渗透作用，代表了丝网的结构对毛细动念特性的影响。分析表明，使用平纹网的渗透率的计算方法得不到密纹网的渗透率，因此必须依靠实验的方法。本文实验测量了四种不同规格的不锈钢密纹网，并分别得到了各个丝网渗透率的值。在本文的最后对表面的浸润性及毛细动态特性进行了分析，指出了影响毛细上升速度的时间常数，分析了在不同温度不同目数丝网的时问常数变化对上升速度衰减的影响。结合单层丝网的实验数据理论计算了二氧化碳液体在多层丝网中的动念特性。文章还分析了当毛细结构的一端有热量输入时液体在毛细结构中的动态特性。关键词：二氧化碳；浸润性；接触角；毛细力；毛细动念特性；a b s t r a e te x p e r i m e n ts t u d yo nh i p hp r e s s u r ef l u i dc a p i l l a r yc h a r a c t e ra n di n f l u e n tf a c t o r sa b s t r a c ts i n c et h es i g n i n go ft h em o n t r e a lp r o t o c o l ，c f c sa n dh c f c sa sr e f r i g e r a n t si nt h er e f r i g e r a t i o ni n d u s t r ya r ef a c i n gs e r i o u sc h a l l e n g e s t h ec u r r e n t ，h f c si n c l u d i n gr 1 3 4 a ,a n dt h em i x t u r ec a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fl o n g t e r ma l t e r n a t i v e f o rc a r b o nd i o x i d eh a sg o o dt h e r m a lp e r f o r m a n c ea n de n v i r o n m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i th a sb e e na t t e n t i o ne s p e c i a l l y a n ds p a c e c o o l i n gs y s t e mh a ss t a r t e dt ot r yc a r b o nd i o x i d ea st h ew o r k i n gf l u i d b e c a u s eo f n e a r - z e r og r a v i t yo f s p a c e ，t h ec a p i l l a r yf o r c ep l a y e da l li m p o r t a n tr o l e s oi nt h es p a c et w o p h a s et h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，t h es t u d yo fc a p i l l a r ye s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c si sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e rd e v e l o p e dav i s u a lh i g h - p r e s s u r ev e s s e l ，a n dc o m p o s e dac o m p l e t es e to fs t r u c t u r e sa n de x p e r i m e n t a ls y s t e mi n c l u d i n gt h e r m o s t a t ，i m a g ea c q u i s i t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o n t h i ss y s t e mc a ne x p e r i m e n tc a r b o nd i o x i d ea n do t h e rh i g h - p r e s s u r ef l u i do nt h ec a p i l l a r yc h a r a c t e r i s t i c s c a p i l l a r yo fs t a t i ca n dd y n a m i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a li st h ep o i n ti nt h i sp a p e ra n de x p e r i m e n t a lt a r g e t si sc a r b o nd i o x i d e b a s i n go ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，c a r b o nd i o x i d ea n d3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e ls u r f a c ei n f i l t r a t i o ns t u d yw a sc a r r i e do u tf i r s t i nt h i sp a p e r , t w od i f f e r e n tm e t h o d so f c o n t a c ta n g l em e a s u r e m e n tw e r eu s e d o n ei st h ei n d i r e c tm e t h o d m e a s u r e dl i q u i dh e i g h tb e t w e e nt w op i e c e so fs t a i n l e s ss t e e ls h e e t ，a n dt h ec o n t a c ta n g l ew a sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ow i c k i n gh e i g h t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt w od i f f e r e n tw i d t hs l i tc a l c u l a t i o nr e s u l t sa c q u i r es a m ec o n t a c ta n g l ed a t a b u tu s i n gt h ei n d i r e c tm e t h o do n l yo b t a i n sr e c e d i n gc o n t a c ta n g l e ，i no r d e rt of u l l yk n o wt h ei n f i l t r a t i o no fl i q u i dc a r b o nd i o x i d ep e n d a n td r o pc o n t a c ta n g l em e a s u r e m e n tm e t h o dw a su s e d p e n d a n td r o pm e t h o di st h ed i r e c tc o n t a c ta n g l em e a s u r e m e n tm e t h o d s t h i sp a p e ro b t a i n sc o n d e n s a t i o nd r o p l e t si nt h et w o p h a s ev a p o rb ye x t e r n a ls o u r c ea n du s e si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mt om o n i t o rt h ep r o c e s sd r o p l e t a n db s n a k em e t h o dw a su s e dt oa n a l y z es i z eo fc o n t a c ta n g l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc o n t a c ta n g l et h r o u g hp e n d a n td r o pi sv e r yc l o s et ot h er e c e d i n ga n g l em e a s u r e dw i t ht h ep a r a l l e lp l a t e s f r o mt h er e s u l t so ft w oc o n t a c ta n g l em e a s u r e m e n tm e t h o d sw es e cc o n t a c ta n g l eb e t w e e nc a r b o nd i o x i d ea n ds t a i n l e s ss t e e li sv e r ys m a l l t h i ss h o w st h a tt h ec a r b o nd i o x i d ei n f i l t r a t i o no nt h es t a i n l e s ss t e e ls u r f a c ei sv e r yg o o d a n dt h ec o n t a c ta n g l e1 1 1a b s t r a c td e c r e a s e s 、v i t ht e m p e r a t u r eg r a d u a l l yi n c r e a s i n g t h i sd e m o n s t r a t e st h a tt h el o w e rt e m p e r a t u r e ，t h ew o m e ni n f i l t r a t i o no f c a r b o nd i o x i d e t h i sp a p e ra l s os t u d yc a p i l l a r yc h a r a c t e r i s t i co fc a r b o nd i o x i d ei nt h es t a i n l e s ss t e e ls c r e e nb ye x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e di nh i g h - p r e s s u r ev e s s e l a l le x p e r i m e n t sa r ei nv a r i o u se x p e r i m e n t a lt e m p e m t t l r ea n dp r e s s u r ec o n d i t i o n sa n de a c hs t a t ee x p e r i m e n ti su n d e rt h es t e a d y - s t a t ec o n d i t i o n so fc a r b o nd i o x i d eg a s - l i q u i de q u i l i b r i u m t h r o u g ho b s e r v i n gl i q u i dc a r b o nd i o x i d ec a p i l l a r yw i c k i n gh e i g h ti nt h ed i f f e r e n ts e r n ，c a p i l l a r ys t a t i cm e c h a n i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i sa r es t u d i e d t h ec a p i l l a r yf o r c ea n dg r a v i t ya c h i e v ea l le q u i l i b r i u ms t a t ew h e nt h el i q u i di nt h es c r e e nc l i m b st ot h eh i g h e s tp o i n t t h es c r e e ne q u i v a l e n tc a p i l l a r yr a d i u sc a nb ec a l c u l a t e db yf o r m u l aa c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t a c a r b o nd i o x i d ed y n a m i cc a p i l l a r yc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt o o t h er e s e a r c hm e t h o d o l o g yi se v a p o r a t ec o o l i n gl i q u i di nt h es c r e e nt h r o u g ht h r o t t l eg o v e r n i n g ，a n dt h e no b s e r v ea n dr e c o r ds c r e e nl i q u i dc a r b o nd i o x i d ew i c k i n gh e i g h ti nd i f f e r e n tt i m e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te q u a t i o nf u l l yc o n s i d e r i n gt h er o l eo fg r a v i t ya n a t o m i z e sv e r yg o o dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ts h o w so nt h eg r o u n de x p e r i m e n t sg r a v i t yi sv e r yi m p o r t a n ta n dh a sp l a y e dt h er o l eo fe q u i l i b r i u mc a p i l l a r yf o r c e i nd e s c r i b i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep e r m e a b i l i t yki sa ni m p o r t a n tc o n c e p t i td e s c r i b e st h el i q u i dp e r m e a b i l i t yr o l ei nt h es c r e e na n dr e p r e s e n t st h es c r e e ns t r u c t u r ei n f l u e n c et oc a p i l l a r yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ep e r m e a b i l i t yf o r m u l ao fc o m m o nn e t si sn o ts u i t a b l ef o rc a l c u l a t i n gm i n i g r o v en e t ，s oi th a st or e l yo ne x p e r i m e n t a ld a 饥t h i sp a p e re x p e r i m e n t sf o u rd i f f e r e n ts p e c i f i c a t i o ns t a i n l e s ss t e e ln e t sa n de a c hh a sad i f f e r e n ts c r e e np e r m e a b i l i t yv a l u e s f i n a l l y , t h ec a p i l l a r ys u r f a c ei n f i l t r a t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t h ei m p a c to ft i m ec o n s t a n tt od y n a m i cc a p i l l a r yc h a r a c t e r i s t i cw a sp o i n t e do u ta n dt h i sp a p e ra n a l y z e si n f l u e n c eo nt h ed e c a yr a t eo fi n c r e a s es i n c et i m ec o n s t a n tc h a n g ew h e nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n ts t a i n l e s ss t e e ls c r e e n t h em u l t i l a y e rs c r e e nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cw a sc a l c u l a t e dw i t ht h es i n g l e - l a y e rt h e o r y a tl a s t , t h el i q u i dc a p i l l a r yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cw a sa n a l y z e dw h e nh e a tw a si n d u ta tt h ee n do f s c r e e n k e y w o r d s ：c a r b o nd i o x i d e ；i n f i l t r a t i o n ；c o n t a c ta n g l e ；c a p i l l a r yf o r c e ；c a p i l l a r yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e s面积，( i n 2 )比热，( j 吣k )毛细数平行平板自j 距，( m )能量，( j )力，( n )重力加速度，( m s 2 )表面能超量，( n ，m )上升高度，( m )蒸发潜热，( j k g )浸润热，( j )渗透率，( m 2 )平行平板宽度，( m )平板的周长，( m )质量流率，( k g s )气体泄露率，( g )丝网目数压力，( p a )压降，( p a )平均热流密度，( w m 2 )符号说明一、英文符号q震r grr av i i i热量，( w )毛细管半径，( m )气体常数，( j k g k )毛细结构半径，( m )表面粗糙度平行于纸面的凹液面半径，( m )垂直于纸面的凹液面半径，( m )r e y n o l d s 数丝网的褶皱系数温度，张)时间常数，( s )温差，( k )时间，( s )温度，( )速度，( m s )容积，( m 3 )丝网间隙，( a n )粘附功，( w m 2 )距离，( m )轴向坐标，( m )蜀如髓srr 缸，tpvw xz4。白defgg 而khk，m砌p肇g口接触角，0a 8 接触角滞后，( o )y表面张力，( n m )r 液体粘度，( p a s )s容积孔隙度前进非平衡毛细动力学静力学流体重力气体液体液气界面最小值真空a bl e w i s 酸碱作用+正电荷作用二、希腊字母pa p石刀口粘度，( k g m s )各分项和密度，( k g m 3 1密度差，( k g m 3 1圆周率膜压力，( n m )等压后退固体固液界面固体与真空界面固气界面两相流气体横截面四、上标l w色散作用一负电荷作用i x橱lovp，妒陆p，s乩即vw，三aacdhfggl耋o中山大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：墟会魏日期：加7 年版月舻e 1中山大学学位论文使用授权声明本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。保密的学位论文在解密后使用本规定。学位论文作者签名：浓念私导师签名：z 信前鼍日期：砷年仅月，矿日日期：沙刁年j 善月。日第1 章0 i 苦1 1 课题研究背景1 1 1 空间热控技术的发展1 1 1 。1 空间热控技术的意义第1 章引言大气层以外的空日j 中，有许多地球上难以获得或无法获得的环境，例如很大的典型尺度、极高的真空、丰富的粒子和波辐射、多种多样的电场和磁场位形、极低的有效重力等等。在这些极端的条件下，包含着大量有待探索的物理、化学和生物科学规律，并由此形成了一批前沿学科。这些新兴学科的发展除具有理论的重要性之外，又往往孕育着新型的空自j 高技术产业，空白j 热控技术就是其中之一。作为空间技术的载体，航天器本身就是在十分严酷的温度条件下工作，如返回式航天器要经历- 2 0 0 c 到+ 1 0 0 0 。c 以上的环境温度变化l l 】，航天器的结构、仪器仪表都无法承受这样剧烈的温度变化。同时，航天器或太空站中还有科研任务需要超低温工作环境，航天器的电子设备也需要非常均匀而恒定的温度环境，因此航天热控技术非常重要。一套高效、稳定的热控系统对于航天器的正常运行、使用寿命及可靠性起着至关重要的作用，目i j i 无论是空间站的生命支持、小型卫星的观测导航还是卫星上的红外遥感、广播卫星的大功率行波管都要求有一套稳定的热控系统。与地面冷却系统相比，航天热控系统有其自身特点：第一，在空间运行阶段，航天器受太阳和行星加热，在绕地运行中，有一定的周期性。同时，航天器面向的是温度相当于4 k 的宇宙空间，是天然的冷源，因此空l 日j 热控系统大部分采用没有压缩机的冷却系统，同时省去压缩机可以大大提高热控系统的安全性并有效减少需要向热控系统分配的功率。在航天器中功率的分配是非常紧张的，因此减小功率分配也是判断热控系统优良的重要指标。宇宙空间是超高真空环境，没有对流和热传导的介质，所以空间的散热方式是以辐射方式与周围环境进行热量交换；第二，太空背景下存在失重问题，系统出现故障无人检修问题，航天器对热控系统规模要求尽可能小等，都给空b j冷却系统增加了困难。随着航天器规模和功能的扩展，搭载的仪器、仪表等电子装置的设计模式越来越复杂，发热量大，热流密度高，这些都给空问散热和冷却带来了新的挑战。高性能的电子器件需要极其稳定的工作温度，良好的散热性能，紧凑的设计模式。显然，一个高质量和高效率的热控系统设计的水平及质量影响到整个航天器的工作状态、寿命及可靠性。航天器热控的形式有多种，但从整体上可将其分为被动式热控和主动式热控两大类型1 2 , 3 1 ，具体分类参考图1 1 。第l 章0 i 哥陲璧擘被动式热控方法主动式热控方法l - * j 篇竺= ：| 麓：篡q m h a 韫韩lf 热彝q 鼙蝉摩i_ 蠢1 一墨星到幽i - i 航天热控技术的主要形式1 1 1 2 空间热控技术发展状况最初空问热控技术以被动热控为主。被动热控主要依靠合理的航天器总装布局，选取不同热物理性能的材料，j 下确地组织航天器内外的热交换过程，使航天器的结构、仪器设备在高低温运行工况下都不超出允许的温度范围。常见的被动热控技术主要有热控涂层、多层隔热系统、被动式电加热器以及相变材料】等主要应用形式。被动热控方法的优点是技术较简单，运行可靠( 没有运动部件) ，使用寿命长。但是，被动热控方法对航天器的总体布局和结构的依赖性强，热控特性不能自动调节，当航天器的内热源或外热流随时问的波动较大，或是要求保持设备的温度变化很小时，仅仅使用被动热控技术方法就无法满足要求了，在这种情况下，必须配合使用主动热控方法。所谓主动热控方法，是指当航天器内、外热流状况发生变化时，通过某种自动调节系统的动作使航天器内的仪器设备的温度保持在指定范围内的热控技术。主动热控方法的优点是具有可调节的热交换特性。根据控制方式不同，主动式热控可以分为辐射式、对流式和传导式三种类型。辐射式主动热控技术是指当航天器内设备温度升高或下降时能自动改变表面组合热辐射率，从而改变散热能力以保持设备的温度范围，主要形式为热控百叶窗、热控旋转盘、可展开式辐射器和可变发射率热控器件【5 6 】等。传导式主动热控技术是通过选择设备和构件的材料导热系数或控制接触热阻的方法改变导热量，传导式主动热控机构一般是应用于发热量波动较大的情况。当热源发热量增大时，传导热阻减小，冗余热2第l 章弓f 高量排出。传导式热控技术主要有接触式热丌关、半导体制冷等形式【2 。”。对流主动热控设计是利用气体或流体的对流换热作用对航天器进行整体或局部热控制的方法。对流换热方法有其突出的优点，就是换热能力强，组织航天器内部的换热比较容易，因此该方法是实现航空电子设备系统化、集成化和等温化处理最为有效的手段。对流热控制按介质可以分为气体循环热控制和液体循环热控制。气体循环热控制通常是在风扇或风机的驱动下气流流过航天器内的各个仪器设备和冷却通道，吸收各部分的热量。气体循环回路结构简单，可以冷却的范围大，运动部件只有风扇，风扇的质量保证相对是比较可靠的。但是缺点是气体的对流换热系数较低，而且控制的精度也不高，气体热容小，温度变化较大。相比之下，液体循环回路的应用更加广泛，液体循环回路一般装在发热量较大，热流密度较高或控温精度较高的地方。最早开始研究使用的是比较简单的辐射制冷器。这种制冷器是直接利用宇宙空间环境作为低温热沉的一种热辐射器，这种方法无运动部件、节能、寿命长，缺点是对安装位置要求苛刻、体积大、小型航天器上不便安装、制冷量低而不能满足需求。另一种比较简单的方法是直接使用低温液体 2 1 。低温液体储存于专门的容器之中，处于饱和状念。被冷却元件通过导热棒( 或热管) 将热量传给低温液体。这种控温形式通常用在需要极低温度的器件冷却中，由于液氮或液氦冷却后就变为气体不能循环利用，因此需要携带较大的液量，因此这种冷却方法的缺点是液体储存容器体积庞大而笨重，需要较长时| 日j 使用时，其重量可能会超出要求。热管是一种靠毛细力驱动循环，利用工质的蒸发、冷凝相变传热的热量传递器具。由于液态介质的汽化潜热大，同时蒸汽的流动阻力小，所以能够在小温差下传送很大的热流，其导热效率比同质量的铜散热器大2 3 个数量级，其热阻可以达到每瓦千分之一摄氏剧”。热管的发明是从2 0 世纪中叶开始，1 9 4 2 年g a u g l e r l 9 】就曾提出热管的原理，但是他的发明未能引用和发展，直到1 9 6 4 年，美国l o sa l a m o s 科学实验室的g r o v e r 等人 1 0 1 独立的提出了类似于g a u g l e r 提出的元件，并取名为“热管”，热管技术爿得到迅速发展。1 9 6 7 年l o sa l a m o s 科学实验室就首次将一只实验用水热管送入地球卫星轨道j ，证明了热管在零重力条件下运行成功。由于管内液体回流是靠毛细结构的毛细作用力完成的，既没有运动部件又不需消耗能量，运行可靠、结构紧凑，因此在1 9 7 0 年d e v e r a l l和k e m m e l l 2 l 明确指出，热管特别适于空间应用。热管目前被广泛的应用于卫星或航天探测器等，我国已发射的5 0 多颗空问飞行器上均将热管作为核心热控技术。随着航天科学技术的发展，设备元器件的体积、芯片密度和发热功率不断增加，对热控制技术提出了更高的要求t t 4 1 ：更高的热流密度( 1 0 0 w e m 2 ) ； 严格的温度控制( 4 - 1 ) ；更低的温度( 4 0 k 以下) ；热、机、光系统集成；第1 章0 i 苦 大结构的温度稳定性； 对极端不规则形状的热控制； 对处于极端温度航天器的热控制。因此迫切需要研究新型、高效、可靠的航天器热控技术，满足航天器设备可靠、稳定、长期工作的需要。在众多的冷却手段中，两相流循环冷却技术发展最快，被认为是应用航天大型电子装置或高功耗集成电路中最为有效的冷却手段和热控制技术之一，8 0 年代美国的双子星座宇宙飞船就使用了液体循环冷却热控技术【l 肌。该技术本身并不制冷，而是集换热和热量传递为一体，靠工质在循环过程中的汽化和冷凝换热。热量在蒸发器中被吸收，然后通过循环回路到冷凝器，通过辐射板将热量通过辐射方式排出。图1 - 2 在h u b b l e 上冷却n i c m o s 的c p l 系统1 9 6 6 年，美国n a s a l e w i s 研究中心的s t e n g e r e j 首先提出了毛细泵热管( c a p i l l a r yp u m pl o o p 缩写c p l ) 概念【i ”，鉴于这种系统有可能给航天器的热控设计带来巨大的变革，美国、俄罗斯、开本和欧空局都投入了大量的人力物力进行研究并取得了长足进展。现在c p l 技术已经被普遍接受并在飞行器中得到应用。1 9 9 9 年发射的美国地球环境勘探卫星( e o s a m ) t e r r a 航天飞机最早采用c p l 系统【l “，美国的h u b b l e 太空望远镜采用c p l 和深冷器冷却n c m o s 传感器到7 0 k t l 7 1 ( 如图1 2 所示) 。我国也在1 9 9 9 年发射的f yl c 卫星中对c p l 进行了实验研究【”j 。4第1 章0 i 者幽l - 3 麻_ h j 与i c e s a t 的l h p 系统环路热管( l o o ph e a tp i p e 缩写l h p ) 是另一种形式利用毛细力作为动力的两相冷却系统。1 9 8 9 年i ； 苏联在g r a n a t 第一次搭载l h p 试验装置，进行了寿命试验及可靠性能试验，取得良好的效果；1 9 9 5 年，俄罗斯在o b z o rm i s s i o n 中第一次把l h p 技术应用到飞行器的热控制上；1 9 9 9 年，美国在h u g h e s - h s 7 0 2 上共采用了6 2 套l h p系统，并且首次将l h p 回路应用于展开式辐射器【i9 l ；美国2 0 0 3 年发射的i c e s a t 卫星上也应用了两套l h p 系统来冷却地球激光测高仪【2 0 】( 见图1 3 ) 。c p l l h p 在太空应用中表现出比传统热控制技术更好的优势，行置灵活、性能可靠、吸热量大、控温精度高，但是吸液芯毛细力提供的循环驱动能力是有限的。由于工作原理的限制，该系统在散热能力、传输距离和设计结构上都达到满足未来空间设备的散热要求，并且启动过程、抗热冲击性、稳定性以及蒸发段的温度控制方面都有很大的局限性。为了解决l h p c p l 在空间应用中的局限性，各国空日j 科学研究人员丌始机械泵驱动的两相冷却系统的研究。新型机械泵驱动两相冷却环路系统以机械泵作为循环动力，传输能力提高了几个数量级，可以实现更高热流密度、更复杂散热回路和更高控温精度要求的热控任务，是目前世界上最为先进的两相流空| 日j 热控技术之一。美国n a s a 和俄罗斯航天中心已经对此技术立项研究近1 0 年的时问。为了设计自由号太空站热控系统，美国于1 9 8 9 年首次提出了太空站机械泵氨两相循环系统，但是后来由于自由号太空站设计变动使热负荷下降了5 0 ，最后由单相氨系统取而代之；几乎在相同时间，俄罗斯也丌始了空间氨两相热控技术的研究，不仅提出了系统的循环方式、各部件工作特性及充灌方法，而且单独设计了包括储液器在内的关键部件，并于1 9 9 9 年在太空站俄罗斯部分进行了2 个月时间试验【2 i ”。但是，由于机械泵驱动两相回路对机械泵提出了更高的要求，同时对系统的稳定、平稳、安全、长时自j 运行也提出了更高要求，因此并未在太空得到真正广泛应用。由荷兰航天局设计，中山大学进行地面实验的轨道热控制系统( t r a c k e rt h e r m a lc o n t r o ls y s t e m ，简称r r c s ) 是第一次实际应用二氧化碳为工质的机械泵驱动两相冷第1 章- j f 言却系统。t t c s 是a m s 一0 2 ( a l p h a - m a g n e t i cs p e c t r o m e t e r ，阿尔法磁谱仪) 的热控制系统。该系统首次采用泵驱动的两相冷却回路技术对探测器进行冷却和温度控制。在空日j 站使用机械泵驱动两相冷却系统在技术方面尚不及单相流体回路和毛细驱动回路成熟。随着未来航天技术的发展以及新型探测器的研制，用机械泵循环的两相流来实现微型高效的冷却系统是未来热控系统的发展方向。1 1 2 空间两相循环工质发展对于液体冷却系统，两相循环工质的热物性对系统包括辐射器及蒸发器的功能和冷却效果有很大的影响，对于工质的选则需要从以下几个方面考虑： 无毒、无腐蚀性是基本的条件； 对外环路工质需要适应较宽的工作温度范围；较低的液气密度比：这对两相系统而言非常关键，减小管路尺寸及系统容量； 较小的粘滞系数：可以减小管路内流动的压力损失，降低机械泵或毛细压头；较低的冰点：防止在冷轨道运行时辐射器发生冻结；国外最初通常选用氟利昂作为工质。1 9 6 8 年热管作为卫星仪器温度控制的手段第一次应用于测地卫星g e o s i i 时工作介质为氟利昂r - 1 l 。氟利昂种类众多，可以满足很多工况的要求，对会属不腐蚀、不燃烧、没有爆炸危险、粘度低、凝固点温度低( 如i 也l 为1 3 5 ) 等优点。早期美国的航天飞机大多采用r 2 1 作为工质 2 1 。但是由于c f c类制冷剂中的氯原子一旦进入大气、升到同温层后就会破坏臭氧层，给人类的生存环境带来极大的影响。1 9 8 7 年，2 4 个国家和欧共体联合签署了著名的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，用以限制臭氧破坏物的生产，并提出要全面禁止使用c f c s l 2 l 】；1 9 9 3 年的哥本哈根修正案最终达成协议，对最后使用期限分别作了明文规定：发达国家和发展中国家对于c f c s 的使用期限分别为1 9 9 6 年1 月1 同和2 0 0 6 年1 月1日；对于h c f c s 的使用期限分别为2 0 3 0 年1 月l 开和2 0 4 0 年1 月l 曰。1 9 9 6 年1 1月，在哥斯达黎加召开的第八次缔约国会议上，又进一步明确，发展中国家，c f c s 类物质消耗量：9 9 年应冻结在9 5 9 7 年的平均水平上。发展中国家要求2 0 0 7 年1 月1 日起消减8 5 ，2 0 1 0 年1 月1 日，禁止在新生产的制冷设备中使用1 2 距”。进入2 0 世纪9 0 年代以来，有关温室气体排放引起的气候变化问题也召丌了多次国际会议。1 9 9 2 年在罩约热内卢召开的“联合国环境与发展大会”标志着全球致力于消减温室气体排放国际合作的起点。1 9 9 7 年1 2 月在同本京都召丌第三次缔约国大会，通过了一项具有法律约束力的、有明确数量与时间规定的温室气体排放的京都议定书，规定以1 9 9 0 年排放的温室气体为基数，在2 0 0 8 年至2 0 1 2 年问实现平均减排5 2 ，这些措施对制冷行业、对工质的选择起了巨大影响1 2 4 2 ”。从环境的长期安全看，应尽量避免使用那些最终会排放到生物圈中并影响生态平衡的非自然工质，重新启用自然工质是一种非常安全的选择。自然工质是地球生物圈6第l 章引苦的一部分，对环境不会产生副作用，已经证明对于人类是无害的，因此现阶段仍然采用c f c s 、h c f c s 或它们的混合物为替代工质只是过渡方案，自然工质爿是最终的替代物。挪威的制冷专家，酊国际制冷学会主席g l o r e n t z e n 于1 9 9 4 年提出了在制冷空调领域采用自然工质的长远设想，认为自然工质是解决环境问题的最终方案【2 “。作为技术领先的航空界也在逐步舍弃氟利昂，转而在两相冷却中尝试使用自然工质。自然工质包括氨、二氧化碳、乙二醇水溶液，还包括水、硅油及用于低温制冷的甲烷等。水是人类赖以依存的自然资源，作为冷却工质具有无毒、不会燃烧和爆炸、粘度小等特点，但由于其凝固点较高，因此在航天器中仅能作为舱内的换热器或冷却回路的传热工质。m c s 1 9 8 硅油的优点是凝固点温度低、密度小，缺点是动力粘度大，比热容偏低，硅油已经被用于美国“双子星”载人飞船和“天空实验室”空问站，采用机械泵驱动单相循环冷却。乙二醇水溶液在地面中常用来做防冻液，其物理性能随乙二醇的含量而变化，其中的某一含量具有最低的凝固点温度，与m c s 1 9 8 硅油相比，乙二醇水溶液的密度大，凝固点温度高，而动力粘度、比热容中等。但是乙二醇水溶液的缺点是有毒性、腐蚀性，且有爆炸性，因此很少在太空使用。美国“阿波罗”载人飞船上曾使用乙二醇水溶液作为冷却液体【2 l 。氨也是一种优良的两相冷却液体，其优点是o d p ( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ，臭氧层破坏能力潜能值) = o 、g w p ( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ，全球变暖潜能值) 接近于零，同时具有优良的热力性质，价格低廉而且容易检漏，工作压力中等。氨属于中温制冷剂，氨在o 时的饱和液体热物性如表1 - 1 所示。氨的临界点为1 3 2 3 5 ，凝固点为- 7 7 6 6 ，非常适于常温和普冷。1 9 6 9 年美国发射的应用技术卫星( a t s e ) 嵌在太阳能电池底板的热管工质1 2 7 l 和1 9 7 2 年美国轨道天文卫星o a o 3 热管使用的工质都是氨；1 9 7 4 年美国发射的a t s f 卫星采用了5 5 根铝氨轴向槽芯热管1 2 8 1 ；在美国，1 9 9 7年m t n o r t h 等 2 9 1 首次做了以氨为工质的l h p 系统的工作特性的研究，试验得出蒸发部分的热流密度可达到7 0 0 w m 2 ；我国航天界也对氨为工质的两相系统进行过深入研究。中国于1 9 7 6 年首次在返回式卫星上应用了1 6 根铝氨热管；1 9 9 7 年的东风红二号气象卫星也采用了氨热管1 2 j 。但是氨具有刺鼻的气味，并且有毒性和可燃性，因此对航天器的安全性存在一定的隐患，因此空| 日j 研究人员也在寻找一种氨的替代物，在对安全性有更高级别的要求时，能够取代氨。二氧化碳是现今最具有竞争力的工质，c t l o r e n t z e n 称二