热力学排气工作过程中流体热分层实验研究

刘 展，张晓屿，张少华，刘 欣，厉彦忠

(1. 西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049；2. 中国运载火箭技术研究院研发中心，北京 100076)



热力学排气工作过程中流体热分层实验研究

刘 展1，张晓屿2，张少华2，刘 欣2，厉彦忠1

(1. 西安交通大学能源与动力工程学院，西安 710049；2. 中国运载火箭技术研究院研发中心，北京 100076)

基于地面热力学排气实验平台，以R123为工质，在初始液位0.595 m、外部漏热800 W的工况下，研究了箱体增压、混合喷射降压、节流制冷以及自然冷却等不同工作过程中箱内流体温度分布。实验结果表明：在增压阶段，箱内流体温度分层发展良好。在混合喷射阶段，当循环流量为96 L/h时，热层厚度发展速率为1.57 mm/min；而当循环流量增加到152 L/h时，热层厚度增加率为1.07 mm/min。热分层充分发展大约耗时5.48 h。在节流制冷阶段，液相温度变化基本控制在1.98 ℃以内，气相最大温降13 ℃。自然冷却阶段开始15 min后，制冷喷射的影响逐渐消失。在外部空气冷却下，气相温度逐渐趋于顶部温度最低、界面温度最高的线性分布；液相测点则基本上以恒定的速率平行向温度降低方向推进。

低温推进剂；热分层；热力学排气；控压模式

0 引 言

由于低温推进剂储存温度较低，在外部漏热下，很容易形成热分层。热分层将直接影响低温流体蒸发以及贮箱压力变化。因此研究低温推进剂热分层问题对其长期空间在轨贮存具有重要意义[1]。

目前，研究人员在流体热分层方面开展了大量研究。Bailey等[2]对低温流体热分层过程进行了详细分析，根据实验结果得出流体温度分布曲线。Robbins等[3]开发了用于预测不同工况流体分层的程序。Yu等[4]采用积分方法研究了热分层中对流边界层的瞬态发展过程。Khurana等[5]与Fu等[6]研究了肋片对箱内流体温度分布的影响。Oliveira等[7]与Liu等[8]对旋转箱体内部流体分层过程进行了分析研究。针对低温推进剂箱体的地面贮存[9]、升空入轨[10-11]以及在轨运行[12-13]，研究人员采用CFD技术对不同阶段箱体的压增过程进行了预测，分析了箱内流体温度分布情况。

综上可知，研究人员在热分层理论、实验以及数值模拟方面开展了相应的研究，获得了相关的热分层理论模型，掌握了热分层的基本物理过程。由于热力学排气对低温推进剂长期在轨贮存及箱体压力控制具有重要意义，有关热力学排气的研究仍在探索阶段。考虑到已发表文献往往仅针对某一过程开展流体分层研究，而热力学排气过程涉及到箱体增压、混合喷射、节流制冷以及自然冷却等不同阶段，整个过程中流体温度分布十分复杂。鉴于此，本文基于地面热力学排气实验平台，采用R123为实验工质，对热力学排气工作过程中不同阶段进行流体温度分层的全周期实验研究，着重分析流体分层在不同阶段的发展情况。相关工作有助于加深研究人员对流体热分层发展过程的理解与认识。

1 实验装置

本流体温度分层实验是在已搭建地面热力学排气实验平台上开展的，实验台如图1所示。实验系统主要包括实验罐、冷凝回收装置、循环泵、节流阀、电加热装置、数据采集装置、PLC控制系统以及温度传感器、压力传感器。实验罐材质为4 mm厚304不锈钢，由柱段及上下封头组成，柱段高度及直径均为800 mm，上下封头高218 mm。实验罐柱段缠绕电加热带，加热功率通过调压器调节。数据采集仪采用Agilent34970多通道数据采集装置。在节流管路以及排气管路上分别设有Pt100温度传感器。为判断热力学排气节流制冷模式何时开启，在测试罐体底部也设有Pt100传感器，其测量温区为0～100℃，测量精度为±0.1℃。

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

箱内流体温度以及箱体壁面温度全部采用T型热电偶测得。加工的热电偶经过标定后，分别布置在箱体内部测温棒以及箱体壁面，如图2所示。为测量箱内流体温度在高度方向的分布，分别设置了两个不锈钢测温棒，热电偶通过卡套固定在测温棒上，每个测温棒上均布16支热电偶，热电偶从下到上依次排布。当箱体壁面热电偶布置完毕后，将电加热带缠绕在测试罐柱段。为减少电加热装置向外部环境的漏热，紧贴电加热带的部分包裹30 mm厚玻璃纤维棉+10 mm厚聚氨酯泡沫。而测试罐其它部分只包裹40 mm厚聚氨酯泡沫。最后再在整个箱体外部包裹一层锡箔纸，以减少辐射漏热。

图2 热电偶布置示意图Fig.2 Schematic of thermocouple distribution

2 测量误差分析

实验中相关参数的直接测量误差，可根据测量仪表的精度等级进行计算。本实验中所用的主要测量设备及仪器均经过标定，Pt100铂电阻以及T型热电偶精度分别为±0.1 ℃与±0.3 ℃。

为减小测量随机误差，实验中对同一工况往往进行多次测量，并对所测有限数据进行算数平均，根据测量数据的标准差获得相应的置信区间。

(1)

(2)

(3)

在置信度为95%时，置信区间为5.628±0.073 ℃。可以看出，大部分测试数据均集中在测量平均值附近，所以认为测量结果准确可信。

表1 箱内流体测点初始温度

3 实验结果与分析

在热力学排气正式实验开始之前，首先要经过箱体打压保压实验以及抽真空实验，之后加注R123工质。试车成功后才正式开展实验。箱内初始液位为0.595m，外部漏热约800W，实验罐首先经历漏热增压过程。当箱体压力增加到所设定压力上限时，开启循环泵，箱体底部过冷流体在循环泵的抽吸下，喷射到箱体内部，以此降低箱体压力。经过长时间循环喷射降压，箱内流体温度升高，一旦达到压力下限所对应饱和温度，循环泵与节流阀同时打开，节流制冷模式开启。待到节流制冷过程结束后，实验箱体进入自然冷却阶段。由于本文主要研究热力学排气过程中箱内流体的温度分层现象，有关热力学排气的控压性能详见文献[14]。

3.1 流体温度变化

由于测温棒2与测温棒1所测流体温度变化一致，为此这里仅给出测温棒1上流体测点温度变化。图3给出了热力学排气工作过程中，箱体内部流体温度随时间变化。其中Part1为实验罐在外部漏热下的增压过程；Part2～3为循环泵抽吸箱体底部流体的混合喷射过程；Part4为热力学排气节流制冷过程；Part5为热力学排气工作停止后箱体自然冷却过程。

图3所示16个测点中，101～108测点浸入在液相区用来测试液相温度，其余8支热电偶用于测量气相温度。在Part1刚开始的阶段，各液相测点温度均保持相对稳定，0.5h后，108测点温度开始逐渐增加，107测点温度也随之增加，其它测点温度则一直保持恒定。由于数据采集开始14min后电加热才开启，因此所有气液相测点在刚开始阶段保持相对恒定。另外，测点107～108处在电加热带加热区域，所以在Part1中，在经历了初始的相对恒定后，两测点温度开始逐渐升高。其它液相测点在增压阶段仅通过气液界面处高温流体向下导热，由于导热量较少，测点101～106温度基本没变化。在混合喷射过程，随着外部漏热以及高温液体向下渗透，各液相测点温度均呈现不同程度的增加。然而101～103测点在Part2阶段基本保持不变。这是由于在该阶段高温流体还没有渗透到此液位，导致这3个测点温度基本不变。直到Part3开始，测点101～103温度才出现阶梯型上升。进入节流制冷阶段后，在喷射流体的冷却下，各测点温度均维持在相对稳定的范围内波动。节流制冷模式停止后，在外部自然对流冷却下各测点温度逐渐降低。

由于气相热容较小，在外部漏热下，其温度有较快的升高。在Part1中，气相测点经历了初始静置过程后，当电加热开启，各气相测点均随时间呈迅速增加的态势。待箱体压力达到所设压力上限，此时混合喷射模式开启。尽管此时混合喷射模式开启，气相测点110～116温度仍呈现波动增加的变化，如图3Part2所示。出现这种现象主要是因为此时喷射循环流量Vcir为96 L/h(见图4)，喷射流体不足以将外部漏热量全部带走，导致测点110～116在该阶段温度仍波动升高。大约经过12个喷射周期后，喷射流体将大部分气相积聚的漏热转移到液相，这7个测点温度才逐渐趋于稳定。进入Part 3后，Vcir从96 L/h增加到152 L/h。由于循环流量的增加，导致喷射流体所带冷量增加。在大流量喷射时，气相测点110～116得到了较好的冷却，各测点温度均随时间波动降低。不同于测点110～116，测点109在线性增加后，就一直处于相对稳定的波动状态。这是由于该测点处在气液界面处，测点109的温度变化基本上反映了界面流体饱和温度的变化，所以在整个混合喷射过程中，测点109温度始终保持在相对稳定的范围内波动。在混合喷射后期，箱内大部分液相温度已接近热力学排气节流制冷开启的设定温度，箱体控压进入节流制冷阶段。在该阶段内，由于有冷量的输入，气液相温度均得到了较好的冷却。2h后，节流制冷过程结束，热力学排气及电加热装置运行停止，在外部空气自然对流的冷却下，气相温度近似线性降低。

图3 不同测点温度变化Fig.3 Temperature variation of different test points

图4 循环流量Vcir变化Fig.4 Variation of circulation volume flow

3.2 流体热分层分析

第3.1节对实验过程中流体温度随时间变化进行了分析，本节将对测温棒上各测点温度在高度方向上的分布进行详细介绍。图5展示了测试罐在外部漏热增压过程中不同测点温度分布。由于电加热在实验开始14 min后才开启，所以在前12 min内，箱内气液相温度基本保持不变，之后气相温度迅速增加。大约24 min后，气相区在高度方向形成了良好的温度分布。在外部漏热下，箱内气相温度平行向前推进。从测点109到测点113，各测点温度随高度的增加而增加。而测点114～116则随着高度的增加呈微弱降低的趋势。这是因为顶部3个测点处在测试罐上封头内，箱体形状对测点温度产生了一定影响。由于本实验工况初始液位为0.595 m，这3个测点所受影响还不是特别大；当液位高于0.595 m时，测点114～116温度受箱体形状的影响将更大。对于液相测点，在90 min的增压过程中，测点101～105温度几乎保持不变，106测点有微弱的温度升高。如前所述，由于界面处高温流体来不及向底部导热或导热量较少，加之没有电加热带的直接加热，最终导致了101～106测点温度的相对恒定。反观107与108测点，在电加热的直接加热下，两测点温度均有显著的升高。由于靠近气液界面，在108与109测点间形成了较大的温度梯度。在增压90 min内，109测点温度从5.65 ℃增加到73.04 ℃，108测点温度则从5.62 ℃增加到65.91 ℃。整体上，在箱体静置增压过程中，箱内流体温度分布良好。

当循环流量为96 L/h时，在混合喷射模式下各测点温度分布，如图6所示。由于喷射口均匀分布在115测点以下，所以气相测点中109～114受喷射流体影响较大，最终导致各测点温度在不同时刻下，随着高度的增加而增加。在96 min时，喷射模式刚开启，气相温度分布呈现出近似线性增加的趋势。另外，通过仔细观察可发现，在96～176 min内，各气相测点随时间是逐渐增加的。这也符合第3.1节所述，在Part 2中各气相测点波动升高的变化。176 min之后，由于喷射流体将大部分气相积聚热量转移到液相区，各测点温度开始有所降低或保持相对稳定。待到216 min时，循环流量已增加到152 L/h，此时气相温度有了明显的降低，已接近96 min所对应的气相温度分布。在该阶段，由于液相热容较大，流体喷射对液相测点温度影响并不明显。然而，高温流体的向下渗透以及导热使得各液相测点温度近似平行向前推进。在96 min时，分层厚度发展到106测点，并在该处形成了较大的温度梯度。120 min之后，热层已渗透到103测点。由于这两测点间距18.5 cm，所以可以认为分层厚度增加率约为1.54 mm/min。在整个Part2阶段，106测点从7.89 ℃增加到34.65 ℃，最大温升26.76 ℃，102测点则从5.81 ℃增加到13.70 ℃。

图7展示了循环流量增加到152 L/h之后，箱内各测点温度分布。随着循环流量的增加，喷射流体对气相温度产生了较大扰动。整体上气相温度呈波动降低的趋势，但由于在该过程每隔8 min取一次数据，以致于有些测点处于增压阶段，有些则处于喷射冷却阶段，所以整个气相测点并没有形成较好的规律性。但通过对比216～224 min与320～328 min气相测点温度，仍可以看出在大流量喷射混合过程中气相测点得到了相应的冷却。对于液相测点，经过大约120 min的小流量混合喷射，热层厚度已发展到103测点，在Part 3阶段，热量主要从测点103向下传递。从图7可以看出，在216～312 min内，101～103测点温度基本平行向温度升高的方向推进。经过96 min的混合，这3个测点温度平均温升21.335 ℃。当分层发展到328 min时，各液相测点温差逐渐变小，此时可认为分层已基本发展到箱体底部。该阶段分层发展较慢，分层厚度增加12 cm，耗时112 min，热层增加速率为1.07 mm/min。对于该实验工况，热分层充分发展大约需要5.48 h。

图5 增压阶段，流体温度分布Fig.5 Fluid temperature distribution during the self-pressurization phase

图6 混合阶段Part 2，流体温度分布Fig.6 Fluid temperature distribution during Part 2 of mixing phase

图7 混合阶段Part 3，流体温度分布Fig.7 Fluid temperature distribution during Part 3 of mixing phase

图8 节流制冷阶段，流体温度分布Fig.8 Fluid temperature distribution during the throttling refrigeration phase

图9 自然冷却阶段，流体温度分布Fig.9 Fluid temperature distribution during the free cooling phase

当热分层发展到箱体底部时，箱内大部分流体已接近箱体所设压力下限对应的饱和温度，此时节流制冷模式开启，在该工作模式下，各测点温度分布如图8所示。在该阶段，由于有冷量的带入，箱内气液相均得到了相应的冷却。考虑到每个时间间隔内，测点所处状态不同，上一时刻各测点处于增压过程，下一时刻可能就处于冷流体喷射过程。例如，在336 min时，113～116测点温度大约在42.0～43.0 ℃内；而360 min时，4个测点温度均减小到41.0～41.8 ℃。在400 min时，气相测点温度相对较高；而40 min之后，各测点均被冷却。气相测点最大温降为13 ℃。因此，由于不同时刻测点温度所处状态不同，不能严格的按照固定时间间隔内流体温度分布来评价分层规律以及制冷效果的好坏。对于液相测点，由于箱内大部分流体温度已接近压力下限所对应饱和温度，此时节流制冷量的输入对液相温度产生了较大影响。与气相温度分布类似，受不同时刻工作过程的影响，液相各测点温度也呈现出先增后降再增再降的变化，但总的来说，各液相测点温度均维持在1.98 ℃内。这也说明了热力学排气具有良好的制冷能力。

热力学排气实验结束后，各装置运行停止，电加热关断，测试罐静置在外部空气中，箱体进入自然冷却阶段，各测点温度分布如图9所示。容易看出，受制冷喷射过程的影响，在445 min与450 min时刻气相测点仍出现不规律的温度分布。制冷过程停止15 min后，冷流体喷射的影响才逐渐消失。从465 min开始，气相测点109～113温度随高度增加而增加，而114～116测点温度则随高度增加而降低，该温度分布一直持续到510 min。另外，由于测试罐柱段经历了长时间加热，柱段部分具有较高的壁面温度，并且该部分包裹玻璃纤维棉，其热阻较大，导致处在罐体柱段的测点温度降低较慢。由于上封头处绝热热阻较小，其得到了较好的冷却，相应的气相测点温度也迅速降低。因此，在555 min之后，出现了气相测点温度随高度增加而降低的变化。该趋势大致平行推进到675 min。对于液相测点，在整个自然冷却过程中，基本平行向温度降低的方向推进。至于图9中105测点出现的不规则变化，主要是由于热电偶中测量过程中微小扰动所致。

4 结 论

基于热力学排气地面实验平台，测试了在热力学排气不同工作阶段箱内流体温度分布，实验研究了箱内流体在地面贮存时热分层发展过程。所获主要结论如下：

1)在漏热增压过程中，箱内流体形成了较好的温度分布，气相测点向温度升高的方向平行推进，并在气液界面处形成了较大的温度梯度。

2)在混合喷射阶段，气相测点温度受流体喷射影响较大；而液相测点温度分层发展良好。当循环流量为96 L/h时，热层从106测点发展到103测点，分层厚度增加率为1.54 mm/min。而当循环流量增加到152 L/h时，热层从103测点发展到101测点，相应的分层厚度增加率为1.07 mm/min。

3)在热力学排气节流制冷阶段，受冷却流体喷射的影响，气液相均被不同程度的冷却。整个节流过程，气相最大温降13 ℃，液相温度变化控制在1.98 ℃内。

4)自然冷却的前15 min，气相测点仍受制冷喷射的影响。在外部空气冷却下，气相温度逐渐从以测点113为最大值的抛物线分布转变为顶部温度最低、界面温度最高的线性温度分布。液相测点则基本上以恒定的速率平行向温度降低方向推进。

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通信地址：西安市咸宁西路28号西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温研究所(710049)

电话：(029)82668725

E-mail:xjliuzhan1988@stu.xjtu.edu.cn

厉彦忠(1958-)，男，博导，教授，主要从事低温推进剂长期在轨空间热管理研究。本文通信作者。

通信地址：西安市咸宁西路28号西安交通大学能源与动力工程学院制冷与低温研究所(710049)

电话：(029)82668725

E-mail: yzli-epe@mail.xjtu.edu.cn

Experimental Study on Fluid Thermal Stratification During Operation of Thermodynamic Vent

LIU Zhan1, ZHANG Xiao-yu2, ZHANG Shao-hua2, LIU Xin2, LI Yan-zhong1

(1. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2. Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China)

The fluid temperature distribution is experimentally studied with the working fluid R123, based on the ground thermodynamic vent system experimental rig. The present experiment is conducted under the initial liquid height of 0.595 m and the heat load of 800 W during the tank pressurization, mixing injection depressurization, throttling refrigeration and free cooling phases. Experimental results show that the fluid temperature stratification is greatly developed during the pressurization phase. During the mixing depressurization process, the increase rate of the thermal layer development is 1.54 mm/min with the circulation volume flow of 96 L/h. While the circulation volume flow increases to 152 L/h, it is about 1.07 mm/min for the thermal layer development. For the present experiment, it consumes 5.48 h for the whole development of the thermal stratification. The liquid temperature is limited within 1.98 ℃, while the vapor has the maximum temperature reduction of 13 ℃, during the throttling refrigeration phase. In the free cooling part, the effect of the injection cold fluid disappears 15 min later. Under the cooling of the external air, a linear vapor temperature distribution finally has a tendency of the minimum value in the top and the maximum value in the interface. While for the liquid temperature, it reduces parallel to the direction of the temperature decrease with the constant rate.

Cryogenic propellant; Thermal stratification; Thermodynamic vent; Pressure control mode

2017-02-27;

2017-05-03

国家自然科学基金(51376142)

V511+.6

A

1000-1328(2017)07-0743-08

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.07.000

刘 展(1988-)，男，博士生，主要从事低温推进剂长期在轨贮存以及流体热分层的研究。