气冷屏复合绝热结构传热分析及屏位优化"

由气冷屏、聚氨酯泡沫和变密度多层绝热组成的气冷屏复合绝热结构是一种新型的高效热防护绝热结构,通过对不同环境条件下低温贮箱气冷屏复合绝热结构的传热机理分析,推导了气冷屏复合绝热结构中屏温与屏位的数值计算关系,并在此基础上根据漏热量最小原则对气冷屏复合绝热结构中的屏位进行了优化。结果表明,随着环境条件的不同,气冷屏复合绝热机理不同,气冷屏最优位置也不同。常温常压的地面环境,气冷屏置于SOFI与VD-MLI之间时,低温贮箱漏热量最小,绝热效果最优;真空且温度变化剧烈的空间环境,气冷屏置于VD-MLI最中间时,低温贮箱漏热量最小,绝热效果最优。气冷屏复合绝热结构可进一步降低空间低温贮箱的漏热量,同时能满足地面及空间环境使用要求。     

不同工质下热力学排气系统的压力控制及运行特性

以低温贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m~3低温贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76W/m~2为例,计算了不同贮存工质(液氢、液氮、液氧)下贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,相同漏热率下液氢贮箱的气枕升压速率远大于相同充注率下的液氮和液氧贮箱升压速率;TVS运行后三种工质贮箱压力均可有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了不同工质热力学排气系统的运行周期、运行时间及排气量等关键参数,同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。     

在轨贮存技术地面原理试验系统研制及其热力排气系统工作能力测试

热力排气系统(TVS)可在微重力环境下实现低温贮箱压力的有效控制,在低温推进剂在轨贮存技术中具有应用前景。为了深入研究热力排气系统、被动绝热、蒸汽冷却屏等多项技术的耦合运行规律,设计并搭建了以液氮为模拟介质的在轨贮存技术地面多功能原理验证试验系统。本文将通过净蒸发量测试、消除热分层测试及控压实验测试来介绍该系统的热力排气功能的实现情况。分析低温贮箱的自增压过程特性,获得贮箱热分层规律;在单个热力排气控压周期内检验TVS消除热分层和消降压力的效果;对比分析基于压力反馈和基于压力+液体温度反馈这两种控制策略的控压特点,从介质损失率的角度评估两种控制策略的优劣。结果表明,贮箱热分层主要出现在气枕区的轴向上,形成于气枕的等容加热期,而热力排气系统能有效消除热分层并消降贮箱压力;压力反馈策略能够通过节流换热的方式减缓液体温度上升,但是贮存流体损失相对较多;而压力加温度反馈策略可实现短期贮存流体零损失。     

低温燃料贮箱热力学排气系统优化分析与性能研究

介绍了热力学排气系统(TVS)对于未来深空探测事业的重要意义,总结了TVS技术的研究进展。针对套管式换热器,以换热量、换热器内外管出口温差和排气侧压力损失为评价指标,进行多组变工况计算,给出了优化换热器性能的思路与方向。通过一维计算得到了TVS对低温液氢贮箱压力控制的作用效果,计算结果表明:地面工况下TVS能有效控制贮箱压力在设定范围内变化;而在微重力条件下,壁面滞留的液体导致贮箱压力低于控制下限,压力循环周期明显增长。     

微重力下低温贮箱压力控制技术进展

针对微重力下低温贮箱压力升高的问题,简要介绍了几种常用的低温贮箱压力控制的方法及原理,讨论了它们各自存在的问题,并简要展望未来低温贮箱压力控制技术的发展方向。文章指出,未来研究重点在于将主动制冷与被动绝热相结合,实现零蒸发贮存的热转移技术。     

新型被动在轨非连接支撑研究现状

支撑结构是低温贮箱及飞行器杜瓦瓶的关键部件,对低温燃料液体的承装及其漏热有重要影响。文中阐述了低温绝热支撑近几年的研究进展,针对新型被动在轨非连接支撑(简称PODS),就其结构、材料及其他相关问题进行了分析。随着新型被动在轨非连接支撑研究的深入,其在空间及工业低温贮箱领域将会获得广泛应用。     

变密度多层的Lockheed修正模型分析北大核心

基于Lockheed修正模型,对用于低温液体贮箱的变密度多层绝热性能进行理论研究。通过对Lockheed修正模型的分析,计算了贮箱内为不同低温液体时最优层密度随热边界温度的变化情况,研究了不同层密度配置方案时绝热多层的热流密度大小,并对不同方案的绝热效果进行了对比分析。     

变密度多层的Lockheed修正模型分析

基于Lockheed修正模型,对用于低温液体贮箱的变密度多层绝热性能进行理论研究。通过对Lockheed修正模型的分析,计算了贮箱内为不同低温液体时最优层密度随热边界温度的变化情况,研究了不同层密度配置方案时绝热多层的热流密度大小,并对不同方案的绝热效果进行了对比分析。     

液氢温区高频脉冲管制冷机蓄冷器研究

液氢温区制冷机蓄冷器材料的选择对制冷机的性能具有重要的影响。本文开展了液氢温区低温蓄冷材料的实验研究,系统研究了Pb球、Er_3Ni、HoCu_2、高目数不锈钢丝网等多种蓄冷材料对高频脉冲管制冷机的影响。实验测试结果表明,不锈钢丝网的实验效果仍为最佳;而Er_3 Ni的实验效果接近不锈钢丝网;Pb球作为几种蓄冷材料中比热容最高的材料,实验结果却是最差的;本文对此实验现象进行了分析和解释,以便为高频制冷机中蓄冷器材料的选择提供有益的指导和帮助。     

TVS系统压力控制运行模式分析

对采用热力学排气技术的低温液体高效贮存系统进行了结构和原理介绍,据此对低温贮箱的压力控制运行方式进行了分析。运行方式主要分为排气模式、混合模式和双重模式,对每种运行模式从结构和运行原理进行了介绍,并从缺陷和优点两方面进行了总结。对混合模式和双重模式下的压力控制技术,结合了实验案例进行剖析。通常会根据贮箱内压力等参数变化而采取几种模式的组合开展实验。     

低温推进剂贮存中SOFI和MLI实验研究

根据低温推进剂长时间在轨贮存的要求,设计并搭建了绝热系统地面验证测试装置,对绝热系统的热力学性能进行测试。针对55L贮箱,采用了泡沫绝热(spray on foam insulation,SOFI)和多层绝热(multilayer insulation,MLI)结合的复合绝热系统,分别在高真空(5×10^-3Pa以上)和大气压条件下进行了验证实验(液氮作为替代工质)。贮箱外绝热系统为15m m厚泡沫绝热层和45组多层绝热时,高真空条件下液氮日蒸发率为0.77%,多层绝热层表观热导率为1.29×10^-4W/(m·K),据此折算为液氧时日蒸发率为0.55%。将高真空和大气压条件下的实验结果比较发现,泡沫绝热层所占热阻分别为总热阻的0.19%和45.14%。     

低温超导磁体杜瓦装置的结构设计与传热分析

介绍了低温超导磁体杜瓦装置的结构设计和传热分析。为了获得有效的超导磁体运行的低温环境,研制了一套采用真空多层绝热、铜辐射冷屏、蛇形排气管结构形式的绝热系统,省去了传统的在内杜瓦外面添加液氮屏的结构,简化了工艺结构,操作方便,绝热效果良好。通过传热理论计算表明,液氦的损耗量小于技术要求的0.9 L/h指标,能够保证超导磁体系统能够在一定的低温环境下长时间的运行。     

仲-正氢转化及释冷效应利用研究进展

面向液氢燃料高效贮存、运输和利用各环节对低温绝热的特殊需求,以仲-正氢转化释冷过程为主要研究对象,总结了仲-正氢转化的适用条件、转化速率及其在多种应用场景中的应用方式。依据有无催化剂的区别,分别对自转化过程及催化转化过程的使用条件及转化速率进行了总结,并归纳了常见催化剂类型;根据氢储能的适用温区,分别对液氢、低温压缩氢及吸附储氢三种储氢方案中的仲-正氢转化释冷过程进行了总结分析,并从仲-正氢转化器结构、组分测量方法、释冷量大小等方面综述了仲-正氢转化的研究现状,分析了转化释冷量对延长氢储能时长的贡献率。     

液氢温区YBCO超导带材的交流损耗研究

超导电缆具有载流能力强、损耗低等优势,是电力输送的良好选择。但是,超导电缆需工作于低温环境。液氢温度为20K,可为超导电缆提供低温条件,将超导电缆输电与液氢燃料输送相结合,可解决超导电缆在输电中的瓶颈问题。开展了液氢替代液氮后高温超导带材的传输交流损耗研究。针对美国超导公司提供的黄铜加强YBCO带材,采用H法有限元模型,仿真分析了液氢、液氮冷却时超导带材的传输交流损耗。结果表明采用液氢作为超导带材的冷却介质时,带材正常金属产生的涡流损耗和磁性基底产生的铁磁损耗对总损耗的影响程度较小。所得结果可为液氢温区超导电缆的设计和运行提供参考。     

基于热响应法的航天器推进剂质量测量热模型

本文以热响应法测量航天器微重力条件下贮箱推进剂剩余质量为背景,建立了航天器贮箱内外热环境耦合作用下的整体热分析模型,通过将航天器贮箱外部热环境视为第二类浮动热边界条件,实现贮箱气液两相分布下的热分析解耦计算,为热响应法提供精确的温度场计算方法。采用该方法,针对热响应法测量微重力条件下某航天器贮箱内部推进剂质量所需的温度场分布,通过数值仿真获得了空间在轨阶段,热响应法加热工作时贮箱内外热环境整体耦合下的温度场分布,并依据特定检测点的瞬态温度变化,反演得到了剩余推进剂的质量。研究发现采用热响应法测量推进剂质量时,贮箱温度场不仅受贮箱内部加热影响,在轨外部热环境也会明显影响贮箱壁面温度的均匀性。     

低温液体贮箱蒸发率影响因素研究

理论分析了低温贮箱的热性能,计算并对比了低温贮箱各部分漏热情况。通过在静置状态下的蒸发率实验,测量了一定时间内的低温液体蒸发量,以此计算了液氮工质的蒸发率以及外部总漏热量,并与计算值进行了对比。通过制冷机降低贮箱内气相温度,结果表明,气枕压力及蒸发率随气相空间温度减小能够有效降低。     

压缩空气蓄冷系统循环形式的选择

压缩空气蓄冷系统是一种新型的冷量储存系统.针对这种系统,本文研究了四种不同的循环实现形式.分析了这四种循环形式的制冷量、运行性能系数COP并对其进行了对比.结果表明:压缩空气蓄冷系统应用于室温条件下的制冷场合时,两级压缩、三级膨胀驱动蒸气压缩制冷系统相对于其他三种循环,运行性能较好;两级压缩、三级膨胀驱动空气压缩膨胀制冷循环,可以制取的制冷温度较广,适应变工况的能力较好,并且结构简单,也具有一定的优势.     

离心式冷压缩机设计及液氮低温实验

在大型氦制冷装置中,通过离心式冷压缩机来获得过冷氦和超流氦在国际上已经成为了主流趋势。为了改善EAST系统现有的过冷氦系统,等离子体物理研究所设计了冷压缩机来替代油环泵系统。介绍了离心式冷压缩机的叶轮设计,以及在低温环境下的特殊的绝热结构,并针对自主设计加工的冷压机,在液氮温度下进行了低温测试,获得离心式冷压缩机的喘振曲线。     

低温液氢储存的现状及存在问题

储氢是氢能发展中的一个重要方面。低温液化储氢由于其储氢密度大、能量密度高等特点,具有很大的优势。首先分析了三种主流储氢方式的优缺点与发展现状,并针对低温液态储氢技术进一步展开,从被动绝热与主动绝热两个方面介绍了当前已广泛应用,以及新发展的绝热技术,指出其各自不足与未来的发展方向。另外还从低温容器设计的角度,对低温液氢容器的结构设计、选材以及安全性保障等方面进行了描述。     

低温液氮贮箱静置增压及放气特性分析

由于外部漏热的影响,静置时低温贮箱内的气枕压力会逐渐升高,压力升高相应地会改变贮箱内气相空间的温度分布。文中对低温液氮贮箱进行了静置增压过程实验,结果表明:增压所耗时间随气枕压力升高而增大,气相空间垂直方向各温度在实验压力范围内也相应升高;低温贮箱在不同的气枕压力下进行了放气过程实验,并对泄压过程中气体流量随气枕压力的变化进行了分析。