浴油調(diào)溫型真空熱模擬器熱特性研究

周于夢(mèng)秋，孫興華，肖顯斌，丁保迪，劉守文（.華北電力大學(xué)，北京 006；.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 006）

浴油調(diào)溫型真空熱模擬器熱特性研究

周于夢(mèng)秋1，孫興華2，肖顯斌1，丁保迪1，劉守文2（1.華北電力大學(xué)，北京 102206；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 102206）

通過傳熱分析，建立浴油調(diào)溫型熱真空模擬器各環(huán)節(jié)的換熱模型。在已建立的換熱子模型基礎(chǔ)上運(yùn)用穩(wěn)態(tài)增進(jìn)的方法，將各環(huán)節(jié)進(jìn)行迭代聯(lián)動(dòng)，得出試驗(yàn)試件在整體試驗(yàn)操作作用下的溫度響應(yīng)曲線。根據(jù)試件的溫度響應(yīng)曲線，提出適當(dāng)油溫預(yù)判值策略，優(yōu)化控溫操作。該控溫策略通過驗(yàn)證，具有明顯縮短試驗(yàn)中溫度響應(yīng)時(shí)間的效果。

真空熱模擬器；溫度響應(yīng)；預(yù)判值

0 引言

浴油調(diào)溫型真空熱模擬器與其他換熱介質(zhì)的真空熱試驗(yàn)設(shè)備一樣，是為即將投入宇宙空間執(zhí)行工作的航天設(shè)備，提供一個(gè)模擬宇宙空間冷黑環(huán)境的試驗(yàn)設(shè)備。基本結(jié)構(gòu)由筒體、熱沉、冷板和筒體外的加熱裝置和制冷機(jī)組成。工作方式是通過將被測(cè)試件置于冷板上，當(dāng)需要測(cè)試試件在某一特定溫度和壓力條件下的工作性能時(shí)，首先調(diào)節(jié)加熱、制冷裝置改變其中的介質(zhì)溫度，介質(zhì)流通于冷板和熱沉管道內(nèi)進(jìn)行換熱，使處于真空熱環(huán)境下的試件盡快達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)溫度。

調(diào)溫方式通常可以通過多次試驗(yàn)摸索出一定規(guī)律，但缺乏相應(yīng)理論基礎(chǔ)。同時(shí)，目前的控溫速度和控溫精度還不足以滿足試驗(yàn)要求。文章對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)傳熱特性的研究就是為了使控溫方式更具有普遍性和適應(yīng)性，同時(shí)提高控溫速度和控溫精度。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與參數(shù)

從不同型號(hào)的熱真空設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)，例如VM800型[1]、VM1000型[2]，可以看出熱真空設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)設(shè)備基本由真空容器、熱沉系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)組成[2]。在制冷方式上，通常有液氮制冷、制冷劑制冷、氣氮調(diào)溫和浴油調(diào)溫等，加熱方式還會(huì)有紅外加熱籠調(diào)溫方式。不同的制冷方式相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)范圍也各不相同，其中浴油調(diào)溫的溫度范圍由-70～150℃，原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)圖Fig.1 Test equipment diagram

該設(shè)備和其他類型的真空熱試驗(yàn)設(shè)備類似，主要由容器真空系統(tǒng)、熱沉與調(diào)溫系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)設(shè)備的原理是通過加熱器、壓縮型制冷機(jī)對(duì)油介質(zhì)進(jìn)行溫度控制，通過油介質(zhì)來(lái)對(duì)冷板、熱沉進(jìn)行升降溫，產(chǎn)品試件安裝在冷板表面，通過導(dǎo)熱對(duì)冷板進(jìn)行高低溫控制，熱沉和試件安裝平臺(tái)都設(shè)置油介質(zhì)通道。鑒于真空熱試驗(yàn)設(shè)備中核心技術(shù)是真空技術(shù)和傳熱技術(shù)[3]，主要通過傳熱學(xué)分析其傳熱過程，不考慮設(shè)備詳細(xì)結(jié)構(gòu)影響。熱沉與冷板材料為紫銅，試件默分別認(rèn)為鋁制平板、圓柱、球體模型試件，導(dǎo)熱介質(zhì)為油。

2 換熱子模型[4]

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行原理，可以從加熱器、壓縮制冷機(jī)開始到試件的溫度傳遞過程分為七個(gè)換熱步驟。首先是熱沉空載時(shí)，與一定溫度的油介質(zhì)進(jìn)行對(duì)流換熱；實(shí)際上冷板也屬于一種熱沉[5]，因此也考慮冷板內(nèi)管壁與油介質(zhì)之間存在的對(duì)流換熱方式；油介質(zhì)在加熱器管道中的換熱方式也屬于對(duì)流換熱范疇；其次是熱沉與試件之間的輻射換熱；同樣熱沉與冷板之間的換熱方式也是輻射換熱；而冷板與置放在其上的試件既有輻射換熱亦存在熱傳導(dǎo)過程。換熱環(huán)節(jié)關(guān)系如圖2所示。

圖2 換熱環(huán)節(jié)關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig.2 The heat exchange link relationship diagram

2.1 對(duì)流換熱

（1）對(duì)流換熱熱沉空載時(shí)與油介質(zhì)[6]、冷板內(nèi)管壁與油介質(zhì)溫度關(guān)系如式（1）：代入設(shè)定參數(shù)得：

式中：t為熱沉或冷板溫度，K；t0為熱沉或冷板初始溫度，K；t∞為熱沉管內(nèi)油介質(zhì)溫度，K；τ為時(shí)間參數(shù)，s；h為表面換熱系數(shù)，W/（m2·K）；ρ為熱沉材料的密度，kg/m3；c為熱沉、冷板的比熱容，J/（kg·K）；V為熱沉材料的體積，m3；

（2）油介質(zhì)與加熱器溫度關(guān)系如式（3）：

式中：t′f、t″f分別為油介質(zhì)管道入口溫度與管道出口溫度，K；tw為管壁的初始溫度，K；h為表面換熱系數(shù)，W（/m2·K）；c為油介質(zhì)的比熱容，J（/kg·K）；A為管道換熱體積，m3；d為管道直徑，m；l為管道長(zhǎng)度，m；qm為質(zhì)量流量，kg/s。

2.2 輻射換熱

（1）一定溫度的熱沉與試件產(chǎn)品及熱沉與冷板換熱如式（4）：

式中：Tw和T2為冷板表面溫度，K；T1為熱沉溫度，K；A為試件表面面積，m2；ε為試件發(fā)射率；σ為史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)5.67×10-8，W/（m2·K）；ρ為冷板材料的密度，kg/m3；c為冷板的比熱容，J/（kg·K）；V為冷板的體積，m3；

（2）冷板外管壁與試件間-輻射換熱

當(dāng)考慮冷板外管壁與試件的輻射換熱時(shí)，由于冷板外管壁與試件之間存在直接接觸，發(fā)生熱傳導(dǎo)，所以應(yīng)該同時(shí)考慮輻射與熱傳導(dǎo)的聯(lián)合作用，有文獻(xiàn)表示利用數(shù)值計(jì)算解法，計(jì)算空氣隙下穩(wěn)態(tài)作用過程輻射與熱傳導(dǎo)。但是，斯特凡波爾茲曼公式Φ=εAσT4表明，式中史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)σ為5.67×10-8W/（m2·K4），該設(shè)備調(diào)節(jié)溫度范圍約為200~400 K，因此非高溫情況下，輻射傳熱量很小?？芍啾扔谥苯咏佑|的熱傳導(dǎo)，輻射傳熱量較小。

因此，為了更方便的獲取系統(tǒng)內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)傳熱特性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的運(yùn)算，此處考慮忽略計(jì)算熱沉（冷板）與試件、冷板外管壁與試件間的輻射換熱。

2.3 熱傳導(dǎo)換熱

正規(guī)狀況階段的簡(jiǎn)化解法有擬合公式法與諾謨圖法，采用擬合公式分析解的方法，如式（5）：

表1為試件系數(shù)。

表1 試件系數(shù)[6]Table1 Specimen Coefficient

代入具體數(shù)值有：

（1）平板試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時(shí)間項(xiàng)，s。

（2）圓柱試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時(shí)間項(xiàng)，s。

（3）球體試件

式中：tw為冷板溫度，K；t0為試件初始溫度，K；t為試件溫度，K；τ為時(shí)間項(xiàng)，s。

無(wú)論是以平板、圓柱還是球體為模型的試件，溫度變化速率與時(shí)間都成對(duì)數(shù)關(guān)系。

3 子模型聯(lián)動(dòng)

通過將系統(tǒng)內(nèi)的換熱方式簡(jiǎn)化獨(dú)立成七種換熱類型，得出相應(yīng)溫度與時(shí)間的變化關(guān)系?，F(xiàn)將選取適當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)將系統(tǒng)內(nèi)的換熱方式整合到一起，從而得出特定條件下整個(gè)試驗(yàn)裝置內(nèi)的溫度響應(yīng)過程。

時(shí)間步長(zhǎng)就是一個(gè)時(shí)間小量Δτ。通過計(jì)算某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的溫度值，在移動(dòng)一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δτ的情況下到達(dá)下個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，計(jì)算下一節(jié)點(diǎn)上的溫度值時(shí)同時(shí)將上個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出的溫度值作為該節(jié)點(diǎn)已知的溫度條件，迭代上個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算值，以此類推，直到完成計(jì)算最后一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上的溫度值，這樣就得到了整個(gè)溫度場(chǎng)分布。選擇時(shí)間步長(zhǎng)就是用一種數(shù)值解的方法來(lái)描述動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)。在已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型條件下，結(jié)合從數(shù)學(xué)模型解析出溫度與時(shí)間的關(guān)系，選取1 s單位時(shí)間步長(zhǎng)，逐個(gè)時(shí)間層的迭代推出整體溫度場(chǎng)分布。

轉(zhuǎn)溫工況示例：油介質(zhì)、熱沉、冷板、試件的穩(wěn)定溫度為250 K，加熱器制冷機(jī)處制動(dòng)，調(diào)節(jié)油介質(zhì)通流換熱管道管壁溫度為400 K。轉(zhuǎn)溫工況調(diào)條件下，平板、圓柱、球體的溫度響應(yīng)曲線為圖3～圖5，由溫度響應(yīng)曲線可看出，由調(diào)溫裝置到油介質(zhì)，油介質(zhì)到冷板，冷板到試件的溫度變化存在時(shí)滯性。同時(shí)溫度相應(yīng)階段可以分為快速響應(yīng)階段（初始0~300 s范圍內(nèi)）及慢速響應(yīng)階段（300 s之后）。慢速響應(yīng)階段很大程度上影響了試件達(dá)到目標(biāo)溫度的時(shí)間，降低試驗(yàn)過程的控溫速度，影響控溫精度。

圖3 平板試件1 500 s內(nèi)溫度變化圖Fig.3 Temperature variation of 1 500 s in flat plate specimen

圖4 圓柱試件1 500 s內(nèi)溫度變化圖Fig.4 Temperature variation of 1500 s in cylindrical specimen

圖5 球體試件1 500 s內(nèi)溫度變化圖Fig.5 Temperature variation of 1 500 s in sphere specimen

4 油溫預(yù)判值影響

4.1 油溫預(yù)判值

當(dāng)進(jìn)行浴油調(diào)溫型真空熱模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，不論是啟動(dòng)或者轉(zhuǎn)溫工況，都能得知一個(gè)初始條件和試件目的溫度。此時(shí)，要求依據(jù)模型給出對(duì)油溫的預(yù)判，就是指確定加熱器和壓縮制冷機(jī)處調(diào)節(jié)變溫溫度的溫度值，即溫度變化曲線中設(shè)定的管壁溫度值。從上述溫度響應(yīng)圖中可以看出，試件溫度最終都能到達(dá)一開始設(shè)定的溫度預(yù)判值，只是需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間去實(shí)現(xiàn)，因此這不是一個(gè)有意義的預(yù)判值。針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置適宜的油溫預(yù)判值才能縮短調(diào)溫時(shí)間提高設(shè)備利用效率。從試件的溫度響應(yīng)曲線上來(lái)看，溫度響應(yīng)過程分為快速響應(yīng)階段、慢速響應(yīng)階段以及平穩(wěn)響應(yīng)階段。對(duì)應(yīng)曲線中斜率較大、中等以及平穩(wěn)區(qū)域?？s短溫度響應(yīng)時(shí)間可從快速響應(yīng)階段入手，即提高預(yù)判值。

以平板試件的轉(zhuǎn)溫工況為例。對(duì)比油溫預(yù)判值提高為410 K、420 K情況時(shí)的溫度響應(yīng)。

設(shè)置預(yù)判油溫值（設(shè)定值）為410 K、420 K，0~ 1 500 s內(nèi)的溫度響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 溫度變化曲線圖Fig.6 Temperature change curve

由圖3、圖6可以看出，油溫預(yù)判值不同，溫度相應(yīng)曲線不同。在圖3中當(dāng)試件需要400 K的油溫預(yù)判值作用下，試件需要長(zhǎng)于1 200 s，即20 min的時(shí)間來(lái)達(dá)到目的溫度，不存在超溫情況；在圖6（a）中410 K的油溫預(yù)判值作用下，需要約720 s，即12 min時(shí)長(zhǎng)就可以達(dá)到目的溫度400 K，在接近400 K時(shí)需要輔助調(diào)低管壁溫度，否則會(huì)發(fā)生超溫，超溫范圍400~410 K；在圖6（b）中420 K的油溫預(yù)判值作用下，需要約600 s時(shí)長(zhǎng)，即10 min讓試件達(dá)到400 K的目的溫度，在接近目標(biāo)溫度時(shí)易發(fā)生超溫作用，超溫范圍400~420 K，此時(shí)需要輔助調(diào)低管壁溫度。

4.2 預(yù)判值策略

綜合不同預(yù)判值的曲線，設(shè)置油溫預(yù)判值與試件目的溫度相同時(shí)，耗時(shí)長(zhǎng)；而設(shè)置油溫預(yù)判值越高越容易帶來(lái)超溫影響；因此建議參考溫度響應(yīng)曲線，在試件將要達(dá)到目的溫度時(shí)就予以輔助調(diào)溫處理，防止超溫。根據(jù)分析總結(jié)提出一種控溫策略：

浴油溫度預(yù)判值=目標(biāo)溫度±|目標(biāo)溫度和初始溫度差值|×0.5（升溫為+，降溫為-），為防止超溫，經(jīng)過200 s應(yīng)立即改為試驗(yàn)規(guī)定的目標(biāo)溫度。溫度變化范圍為203～423 K，若是預(yù)判值超出溫度范圍，將設(shè)定極限值為預(yù)判值。在這種控溫策略下，能大大縮短溫度調(diào)節(jié)時(shí)間。

4.3 預(yù)判值策略示例

以273 K→373 K→223 K→273 K的溫度循環(huán)過程為例。未使用控溫策略時(shí)試件溫度響應(yīng)過程如圖7所示。

圖7 未執(zhí)行控溫策略溫度響應(yīng)狀況圖Fig.7 Temperature response diagram of the temperature control strategy

使用控溫策略時(shí)試件響應(yīng)過程如圖8所示，第一升溫階段預(yù)判值設(shè)定為423 K；第二降溫階段預(yù)判值設(shè)定為203 K；第三階升溫預(yù)判值段設(shè)定為298 K。在調(diào)整預(yù)判值200 s后恢復(fù)原始設(shè)定，以免超溫（升降溫超過溫度范圍，選擇界限溫度）。

圖8 執(zhí)行控溫策略溫度響應(yīng)狀況Fig.8 Temperature response diagram chart of temperature control strategy

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在溫度快速響應(yīng)階段使用控溫策略情況下都有了很大的改善。

273～373 K室溫開始升溫階段，未使用控溫策略對(duì)比使用控溫策略的溫度響應(yīng)時(shí)間為1 500～1 100 s，與未優(yōu)化相比節(jié)省約7 min；373～223 K降溫階段，未使用控溫策略對(duì)比使用控溫策略的溫度響應(yīng)時(shí)間為1 500～1 300 s，與未優(yōu)化相比節(jié)省了約3.3 min；223～273 K升溫階段，未使用控溫策略對(duì)比使用控溫策略的溫度響應(yīng)時(shí)間為1 450～1 250 s，與未優(yōu)化相比節(jié)省了約5 min；

可以發(fā)現(xiàn)在該控溫策略下，當(dāng)目標(biāo)溫度與初始溫度差值越大時(shí)，同時(shí)目標(biāo)溫度與上下限溫度差值越大，其改善的溫度響應(yīng)效果越好越明顯。在373～223 K降溫階段，由于浴油調(diào)溫范圍為203~ 423 K，因此其油溫預(yù)判值只能選取到203 K，差值不大導(dǎo)致該階段溫度響應(yīng)改善不明顯。但總體而言，不論是升溫過程、降溫過程、溫度循環(huán)過程，根據(jù)控溫策略改善的溫度響應(yīng)時(shí)間有明顯的縮短效果。

5 總結(jié)

浴油調(diào)溫型真空熱試驗(yàn)設(shè)備，作為宇宙空間冷黑環(huán)境的重要試驗(yàn)設(shè)備，通常需要對(duì)預(yù)太空試件進(jìn)行多次試驗(yàn)。其試驗(yàn)過程的長(zhǎng)短一定程度上影響了航天事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。通過建立設(shè)備試驗(yàn)過程中各環(huán)節(jié)的傳熱模型，將各環(huán)節(jié)通過時(shí)間步長(zhǎng)聯(lián)動(dòng)，可以得到某試驗(yàn)條件下的試件溫度響應(yīng)曲線。根據(jù)既得的溫度響應(yīng)曲線可以發(fā)現(xiàn)，在快速相應(yīng)階段適當(dāng)調(diào)整油溫預(yù)判值可大大縮短試驗(yàn)中的溫度響應(yīng)時(shí)間。但為了避免出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，需要輔助調(diào)溫策略。

通過分析總結(jié)，提出一種優(yōu)化試驗(yàn)過程、縮短試驗(yàn)時(shí)間的控溫策略。浴油溫度預(yù)判值=目標(biāo)溫度±|目標(biāo)溫度和初始溫度差值|×0.5（升溫為+，降溫為-）。在該控溫策略下，目標(biāo)溫度與初始溫度差值越大、目標(biāo)溫度與上下限溫度差值越大，其改善的溫度響應(yīng)效果越好。同時(shí)配置20 s時(shí)間限制，需將終溫立即改為試驗(yàn)規(guī)定的目標(biāo)溫度。在此操控模式下，不但能有效提高溫度響應(yīng)速率，還能起到防止超溫的作用。對(duì)于需要長(zhǎng)期進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)的真空熱試驗(yàn)設(shè)備而言具有顯著意義的。單次試驗(yàn)時(shí)間可能不足以明顯顯示出其優(yōu)勢(shì)，但對(duì)成千上萬(wàn)次數(shù)以累計(jì)的時(shí)間成本，提高設(shè)備試驗(yàn)效率效果卓然。

[1]馬學(xué)煥，石國(guó)麗，姜春，等.VM800型真空熱試驗(yàn)設(shè)備的研制[J].機(jī)械工程師，2012（7）：173-175.

[2]葉海峰，秦博，石國(guó)麗，等.VM1000型熱真空試驗(yàn)設(shè)備的研制[J].制冷技術(shù)，2013，41（10）：62-69.

[3]楊冬甫.熱真空試驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備發(fā)展概述[J].中國(guó)儀器儀表，2008（9）：75-78.

[4]楊世銘.傳熱學(xué)［M］.第二版.北京：高等教育出版社，1999．

[5]孫娟，劉國(guó)青，裴一飛.真空條件下冷板傳熱分析[J].航天器環(huán)境工程，2010（1）：67-70.

6]閆格，楊建斌，劉強(qiáng)，等.腰三角形熱真空環(huán)模試驗(yàn)中溫度參數(shù)的探討[J].真空與低溫，2011，17（1）：32-36.

THERMAL CHARATERISTIC STUDY ON THERMAL VACUUM SIMULATOR DEVICE

ZHOU Yu Meng-qiu1，SUN Xing-hua2，XIAO Xian-bin1，DING Bao-di1，LIU Shou-wen2
（1.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；2.Beijing Satellite Environment Engineering Research Institute，Beijing 102206，China）

Through thermal analysis，several heat transfer models of the thermal vacuum simulator were bulit.Based on the thermal models，we integrate all parts of the system by using stable step.And the temperature response curves of the test specimen were obtained.According to the temperature response curves，an appropriate method of prediction of temperature set value was proposed，and control of temperature during the tests was optimized.The temperature control strategy is verified，which has a significant effect on reducing the temperature response time.

thermal vacuum simulator；temperature response；predictive value

V416.5

A

1006-7086（2017）01-0031-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.01.006

2016-10-12

周于夢(mèng)秋（1992-），女，北京人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)/廢棄物/化石燃料高效清潔利用的理論與應(yīng)用。E-mail:xiaoxianbin@tsinghua.org.cn。