空间大功率热排放系统设计①

2021-06-24卢佳鑫孙贺涛栾秀春

空间电子技术 2021年2期

卢佳鑫，孙贺涛，栾秀春，周成，王戈

(1.哈尔滨工程大学核安全与仿真技术国防重点学科实验室，哈尔滨 150001；2.北京控制工程研究所，北京 100190)

0 引言

上世纪五十年代以来，空间技术发展迅猛，1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星，标志着人类跨入航天时代。空间资源的开发依靠航天技术的发展，空间动力系统是空间技术发展快慢的重要因素，空间动力系统目前大多数采用核动力系统。

大功率热排放系统是空间核电推进系统一个子系统，其功能是将布雷顿热电转换产生的废热排出，为其提供最终热阱。相比于其它能源电池，空间核反应堆电源具有能量密度高、寿命长以及独立等优点[1]。国外对热排放系统的研究，主要以美国普罗米修斯计划中提出的热管式辐射散热器模型为主，提出了大功率航天器热管式辐射散热器的结构设计[2-4]。国内对此的研究近几年也逐渐深入，其中张秀等人分别对热管式空间辐射散热器的翅片散热效率和系统质量特性进行优化分析，获得最优设计参数[5-8]。

本文采用空间散热系统中最常使用的热管式辐射散热器[9-10]，根据设计航天器的特点及要求，图1为热管式辐射散热器示意图。本文依据目前对大功率空间核反应堆功率的需求，提出大功率热管辐射换热器。

图1 热管式辐射散热器示意图

1 总体结构与分析

参考美国提出的两翼热管式辐射换热器，为缩小桁架展开长度，减小展开后机械振动以及与空间微流星的碰撞概率，本文提出了“十”字形辐射换热器，其四组辐射板组呈 90°垂直布置独立工作，如图2所示。不仅克服了两翼存在的上述问题，也消除了其存在单点失效的致命弱点，任何一根辐射管道的破裂均不会导致系统发生 LOCA[11]。

图2 “十”字形散热器整体结构

当此结构处于工作状态时，结构中板面A和板面B由于角度遮盖的原因，在进行辐射换热计算时，则需要考虑两个板面相互影响，具体见下节辐射换热计算原理。

2 单翼管道结构

各管道结构如图3所示，由回路主管道、散热板组分支管道、换热管三种类型的管道和泡沫碳换热器组成。各部分结构和功能如图3所示。

图3 单翼各管道结构简图

连接主热交换器和电磁泵管路为热端引入管和冷端回流管。板组之间短线段为主回路管段，作用是将冷却工质通过分支管道输送到各片散热板对应的泡沫炭换热器。本文对未插入泡沫碳内的管路当做绝热处理，因为裸露在外太空中，辐射散热所占份额较少可以不计。换热管是泡沫炭换热器的组成部分，每个泡沫碳换热器中布置四根完全相同的换热管。流经泡沫碳内部换热管的冷却工质携带的热量，通过导热传递给泡沫碳、热管的蒸发段[12]。

3 总体计算过程

空间热排放系统的设计计算所依据的指导思想为流动力平衡和热平衡。总体思路为：

1)依据系统输入温度、系统输出温度，估算设定热交换回路中在各换热管段的平均温度ti，据此将每一翼散热功能组的总传热量分配给各个散热板单元，分别为Qi。

图4 换热器热量流通示意图

4)热交换回路系管网结构，流动计算需满足压降平衡。

5)在满足上述流动力平衡和热平衡，满足管道承压强度校核，以及工业设计的相关标准等条件下，获得结构设计参数和热工水力特性数据。

4 热工水力分析

4.1 回路循环管道

热交换循环管道，总体上设计为两类：绝热管、换热管。绝热管的功能是将循环工质输运到联通管道各个部位；换热管布置在泡沫炭换热器中，功能是进行热交换。对循环路管网流动计算采用迭代算法进行求解。管网的水力计算必须满足以下原则：

1)流入结点的流量应等于流出结点的流量。

∑qv=0

(1)

2)在任一环路中，由某一结点沿两个方向到另一个结点的能量损失应相等。

∑hf=0

(2)

3)各管道的沿程损失按达西-魏斯巴赫公式计算，并可用体积流量表示为：

(3)

对于很长的管道系统，局部损失可以忽略不计。传热计算中，采用钠钾合金工质和水工质的热交换回路，其工作都属于单相工质流动和换热，传热量依据公式计算

(4)

其中：Φ为热流量；A为传热面积；Δt为温差；λ为流体的导热系数；D为管道的内径；Nuf为努塞尔特数。

1)热交换回路分别采用钠钾合金工质和水工质两个工质进行计算，其中努塞尔特数Nuf的计算采用不同的实验关联式。

2)热交换回路中的流动工质采用钠钾合金属于液态金属，在满足恒热流边界条件的情况下，可采用以下实验关联式进行换热计算[13]：

Nuf=4.82+0.0185Pe0.827

(5)

式中，Pe——贝克莱姆数，

(6)

其中：Cp为液态金属的定压比热；λ为液态金属的导热系数；ρ为液体金属的密度；D为管道的内径；v为工质的平均流动速度。定性温度为流体平均温度，实验验证范围3.6×103

3)热交换回路中的流动工质水，采用Gielinski 公式进行换热计算：

(7)

对液体

(8)

其中：l为管长；f为管内湍流流动的Darcy阻力系数，按照佛罗年科(Filonenko)公式计算[13]。

f=(1.85×lgRe-1.64)-2

(9)

Gielinski 公式的实验验证范围为Ref= 2 300～106,Prf= 0.6～105。循环工质采用钠钾合金和水的交换回路中，回路主管道各管段热工水力特性数据如图5。

图5 主回路温度分布

通过计算两种不同工质的管路温度，可以得出水工质和碱金属工质在主回路管道温度梯度相同。计算管道温度以满足整体换热要求，从温度分布来看，钠钾合金温度排布比水工质的更加合理。

4.2 泡沫碳换热器设计

泡沫碳的密度低、导热系数高，它还具有耐高温、耐腐蚀、强度高、抗冲击、易加工等特点以及良好的导电导热性能[14]。这些优异的性能使泡沫炭在电子散热、化工、航空航天等诸多技术领域内极具应用潜力，非常适合被制成换热器中的填充导热材料。

本文中，泡沫碳换热器满足以下三种边界条件：

1)热管内壁面满足恒定温度边界条件，设定温度为480 K；

2)钾管道内壁面流动液态金属间的传热满足第三类边界条件；

3)由于泡沫炭换热器长期处于宇宙空间中，热辐射换热效率极低，换热量极少，故外表面作绝热边界条件处理。

图6是泡沫碳换热器热流密度分布云图，在泡沫碳换热器中部、热管周围热流密度很大，最大的位置位于顶部热管与底部热管的两侧。由于换热器外边界与真空辐射换热量极少，故在钠钾合金管道之间以及外侧部分热流密度很小。所以，在减小泡沫碳填充的重量上。全部填充的泡沫碳换热器，具有很大的优化潜力。在考虑重量和地面加工的因素上，对泡沫碳进行了结构上的优化[13]。

图6 泡沫碳换热器热流密度

通过参考其它文献得到的泡沫碳结构具有可优化特性，对泡沫碳换热器进行改进。既满足换热要求，又减少换热器整体的重量。根据单位质量的传热效率高，同时考虑加工便捷，来确定泡沫碳的形式。

图7 改进泡沫碳换热器热流密度

4.3 热管设计

如图3所示，热管布置在辐射散热板中，每一块辐射散热板中布置的14根热管具有相同的热工水力特性，热管的传热存在着一系列的传热极限，这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决定的。通过计算极限得到的最小的传热极限为毛细极限[15]，热管位于蒸发段热源和冷凝段热阱之间，热管在传递热量的过程中，自身各部分的热阻组成了一个等效热阻网络，其示意如图 8 所示。

图8 等效热阻网络

R2与R8分别为蒸发段与冷凝段的热管壁径向热阻，R3与R7分别为蒸发段与冷凝段的吸液芯径向热阻，运用柱状热阻进行计算：

(10)

R10与R11分别为热管壁与吸液芯轴向热阻，R5为水蒸气气空间轴向热阻,运用一维导热热阻进行计算。R4与R6分别为蒸发段与冷凝段气液交界面的热阻，利用相关资料给出的公式：

(11)

以主回路采用钠钾合金工质计算的结果为初始条件，依据Cotter 理论进行计算，获得各热管的蒸发端和冷凝端温度[16]，计算过程如图9 所示。

图9 热管设计计算流程图

如图10所示，钠钾合金工质中，热管的热端温度高于水工质的热管。但是由于热管中都只采用水为工质。由于热管的等温性，各热管的温度梯度是相同的。

图10 各热管温度

4.4 辐射散热板设计

4.4.1 辐射散热板结构设计

采用长方形平板结构，使用高导热性能的材料石墨烯作为板面材料；热管等间距布置在散热面上，沿高度方向贯穿，长度方向间距100 mm；未布置热管的板面厚2 mm，布置热管的位置，沿管外壁板面材料厚1 mm，两侧对称布置。结构图如图11 所示。

图11 散热板结构图

4.4.2 传热计算模型

各块辐射散热板向宇宙空间散热，构成了一个多表面系统的辐射传热问题。传热计算依据下列准则：

1)由于辐射散热板中内嵌的热管具有很好的等温特性，板面采用高导热系数的石墨烯材料，故认为每块辐射散热板具有单一的温度；

2)辐射散热板表面满足漫灰表面的物理特性，镶嵌处的突起的几何尺度相对于整个辐射散热板的几何尺度可以忽略不计，认为板面是平面。

4.4.3 辐射角系数计算

目前常用的计算辐射角系数的方法有两大类，分别是分析计算法和数值计算法，本课题采用蒙特卡罗法计算辐射角系数[17]。蒙特卡洛的基本思路为：将一个表面A 发射的辐射能当做由很多能束组成，每个能束具有一定的能量，它们的发射位置和发射方向是随机的，逐个跟踪每个能束的行程，当光线的数量足够多时，就能得到具有一定统计意义的结果。