低温泵重力式自循环供液系统理论设计方法及计算软件开发.pdf

第30卷第6期
航大器环境工程
2013年12月
SPACECRAFT ENGINEERING
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低温泵重力式自循环供液系统
理论设计方法及计算软件开发
单巍巍,刘洋,丁文静,王紫娟
(北京卩星坏境工程研究所,北京100094)
摘要:文章分析了空间环境模拟器的低温泵重力式自循环供液系统的工作原理,明确了系统管道中流体的
流动状态。对液氖重力式自循环系统设计方法进行研究,给出其理论计算公式和系统设计流程。同时,基于C++
软件平台,根据系统理论设计方法开发出一套系统设计计算软件,为低温泵重力式自循环供液系统的设计提供
了理论基础和参考依据
关键词:低温泵;液氪障板;重カ式自循环;两相流;理论设计;软件开发
中图分类号:V416.8;TP311.52
文献标志码:A
文章编号:1673-1379(2013)06-0631-05
)(OL:10.39691.isSn.1673-1379.2013.06.013
引言
1低温泵重力式自循环供液系统的工作原理
低温泵是空间环境模拟器中重要的高真空无
系统的工作原理り(如图1所示)是:高处的
油抽气设备,其工作原理是利用低温冷凝和低温吸液氮贮槽处于常状态下,液氮经过供液管道流入
附方式实现抽气,主要由液氮障板(辐射屏)、冷液氮障板;液氮在障板中吸收热量,部分汽化,变
屏泵壳、氨炷缩机等部件组成。其中,液氮障板的成炳相流:炳相流引起的密度差成为循环的驱动
工作温度要求维持在77~90K
力。液氮在管道中流动时不同位置的压力均不同
供液系统为低温泵的液氮障板供应一定流量,液氮在障板中相变时含气率变化产生的动力压
和力的液氮,按供液方式通常可分为贮槽自增头于克服两相流在系统管道中的流动阻力。气
压循环供液系统、式沸腾系统和重力式自循环液两相流从障板流后经回液管返回供液贮槽,氮
供液系統山。贮槽自増压系统要求系統至少配置2气通过贮糖的放空管路排入大气,线余液氯回收再
个贮槽,1个用于供液,1个用于回收液氮。液氮使用。在这个系统中,由于贮糟安装在低温泵附近,
回收再使用节省了运行费用,但系统管路复杂
供回液管路距离较短,系统操作相对简单
初期投入资金大。开式沸腾系统的管路设计简单,
但冷却后的氮気(含少部分液氮)直接排入大气
液氮
定程度上造成液氮浪费及环境污染。重力式自
循环供液系统在简化管路、降低液氮消耗以及项
目建设投资等方面均具有相当的优势2引,但系统
1点P1
设计要求较高,即对整个系统的流动阻力和换热
计算与实际情况的符合度要求高。
低温泵
本文分析了低温泵重力式自循环供液系统的
工作原理,研究了重力式白循环供液系统的理论设
3点(P,V
计方法,通过对流体流动状态的分析,得到了系统
图1低温泵重力式自循环供液系统工作原理
Fig. I Working principle of the gravity fluid feeding system
成功运行的判定条件。
收稿日期:2013-(08-16:修回日期:2013-11-26
基金项目:2013北京航空航天大学战略合作项目“液気重力式供液系统设计方法研究”
作者简介:单巍施(1982ー),女,硕士学位,主要从事空间环境模淑试验没备的设计研究工作。E-mail:wwwX]tu163.com
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第30卷
2理论设计方法
两相流流型为泡状流:当气泡撞频率增加时,卒
低温泵与液氮障板热负荷
泡率为0.3,则过渡到状流甚至环状流。另假
低温泵、液氮障板受倒的热负荷为障板与低温
设,两相流的滑速比S=1,即z=l。两相流的质量
体壁面之间的辐射换县最、县热沉对障板的官接辐射含气率为
换热量、残余气体的冷凝热以及障板的支撑导热等。
p,a+p(l-a)
障板与低温泵売体壁面之间的辐射换热量、热
沉对障板的直接辐射换热量按
式中:x为空泡率;P、为两相流中气氮的密度:A1
为两相流中液氮的密度。
系统液氮流量由
计算,式中:A为液氮障板的外表面积,m2;6为
U
液氮障板辐射面的吸收系数:7为液氮障板温虔,
按最低77K考虑;7为低温泉売温度,按室内最高计算得到,式中:の为液氮障板热负荷,W:ァ为汽
温度300K考虑:热沉最高温度按室温30K考虑。化潜热,Jkg:x为质量含气率(又称度,即任意
2.2重力式自循环供液系统中的流体分析
流道截面上.气相质量流量与相混合物总质量流量
在重力式自循环供液系统中,从贮槽中流出的之比):P为 O.Mpa下他和液氮密度,kg/mr
液氮为1个大气压下的饱和液氮,温度为77.35K。2.4供液管直径计算
如果供液管完全绝热,则当液氮流动到液氮障板的
供液管直径为
进口处时,液氮处于该压力下的过冷状态。在大型
4U
空间环境模拟器的重力式自循环系统中,供波管
股选择真空多层绝热管或现场发泡保温。考虑到实式中:为液氮体积流量,mAs:为供液管内饱
际管道存在一定的洲冷执失,可以认为在障板的进和液氮的流速,ms
口处液氮为単相饱和状态。
认为其在流2.5贮槽选择及设备布局
方向上:受到均匀的热负荷。因此,随着液氮在障板
液氮贮槽安装位置及液位高度是重力式自循
中的流动,液氮吸热不断汽化,从单相流变成两相环系统的重要参数之一。其容积可根据系统总的热
流。如果障板中液氮的流量过大,只有少量液氮汽负荷、管路系统的容积、冷却时间或试验时问等因
化,可能会导致障板进出口密度差不显著,不能形素综合考虑,液位高度可根据两相流的流型控制要
成足够的驱动力使液氮循环流动:如果障板中的液求确定。其安装位置要求必须高于低温泉,一殿在
氮流量过小,液氮大量汽化,液氮障板出口处出现设备布局设计时需预先确定液氮贮糟的安装位
“干涸”现象,即液氮全部汽化,传热张化,导致障置。另外,应尽可能缩短液氮贮槽与低温泵在水平
板局部面温度不断升高,在这种状态下,沸腾換方向上的距离,因为相比竖直管道,低温泵预冷
热的流体大多早现弥散流,甚至变成单相蒸汽。因时水平管道中史容易出现气堵现象
此,为了保证液氮障板温度在90K以下,一般将出2.6系统流程计算
口处的两相沇流型控制为泡状流或弹状流?
2.6.1供液管的流动计算
从障板流出的气一液两相流经过回液管道重返
从贮槽排液口到低温泵入口之间为低温泵的
液氮贮槽。通常回液管也选择真空多层绝热管,
供液管,管道中的液氮为单相流,其流动采用伯务
減少管道冷损,降低液氮消耗。因此,可以认为回利方程描述为
液管中的炳相流为绝热流动,气液炳相流型不发
2
生变化,即与障板口处流型相同。
g
pg 2
pig
2.3液氮障板所需液氮流暈计算
式中:P1=Pa+gh,h为液氮贮槽内的液位高度,m,
根据炳相流特性可知,当空泡率≤0.1时,则P为人气下力(O1MPa);2为液氮贮槽排液凵高