用于低温存储系统的多层绝热性能分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:冶文莲

  真空多层绝热的性能好坏直接影响到低温贮箱的安全性。根据修正的Lockheed 模型,计算冷边界温度、热边界温度、层密度等对均匀层密度多层绝热性能影响,并对三区域变密度的多层绝热性能进行分析,最后针对在轨、地面状态时对低温贮箱漏热方面的要求提出采用复合多层绝热的概念,得出复合多层绝热具有优良的隔热性能。

引言

  随着科技的快速发展和低温技术的普及,液氧、液氮、液氢等低温液体在航天技术中的应用越来越广泛,从作为推进剂的燃料、宇航员呼吸用的氧和氮,以及其他用途的氩、甲烷等,都可以低温液体的形式贮存。

  低温液体的存储温度很低,外界环境的漏热导致贮箱内低温液体蒸发,缩短了存储周期,同时增加了低温贮箱的破坏性风险。为了解决上述问题,国内外研究学者提出采用主动制冷和被动绝热的方法以降低蒸发损失。其中,被动绝热中多层绝热技术作为其关键技术之一,有必要研究这种绝热方法。常规的多层绝热材料由防辐射屏和间隔材料交替组合而成,其中防辐射屏一般为铝箔或者双层镀铝的聚氨酯薄膜,而间隔材料通常采用热导率较低的尼龙网或填碳纸等。在真空环境下,气体导热和热对流的影响很小,防辐射屏可有效降低辐射带来的热流,因此采用多层绝热可大大降低低温贮箱的漏热。

  国内关于多层绝热方面的研究人员较多,大多都采用Layer-by-layer 模型进行仿真计算,随着研究的逐步深入,国外研究学者提出了几种Lock⁃heed模型,此模型计算方便,引入层密度的概念,可进行多种区域模型计算。马歇尔空间飞行中心的Steven G. Sutherlin[6]通过对液态甲烷做了多层绝热方面的试验得出了一种修正的Lockheed模型,此种模型更接近实际。B. A. E. Auburn 大学在肯尼迪空间中心采用蒸发量热法测试了多种多层绝热系统性能。采用现有的几种Lockheed计算方法得出的MLI性能基本与试验结果相吻合。Hastings等进行了变密度多层绝热方面的研究,并针对处于地面和空间环境下的低温贮箱系统提出了泡沫塑料与变密度多层绝热相结合的复合多层绝热概念,但国内还未见相关文献的模拟计算。

  采用修正的Lockheed模型计算不同的绝热层厚度、层密度对总漏热的影响效果,研究三区域层密度分布随各参数的变化情况,最后提出复合多层绝热的概念,并进行了相关对比计算,从理论上验证了采用此种方法的可行性,实验验证工作将在后续展开。

1、理论模型

  目前提出了两种多层绝热模型:Layer-by-Layer模型和Lockheed模型。两者都假设多层绝热内传热为一维传热,并且两者建模都是基于3种传热机理:两辐射屏之间的辐射换热、气体导热和固体导热。Layer-by-Layer模型基于传统的分析方法,以每一层为结点,分析每一层的3种传热,最后得出总的传热,而Lockheed模型引入了总层数,层密度的分析,成为国外研究人员的研究热点。文章重点讨论根据修正的Lockheed模型采用不同冷边界温度时多层绝热性能变化情况。

  对于多层绝热中的固体导热,采用公式(1)计算热流密度:

用于低温存储系统的多层绝热性能分析

  式中:A为经验常数;N* 为层密度;Tm为冷热边界平均温度,Tm=(Th+Tc)/2;Th为热边界温度;Tc为冷边界温度;Ns为辐射屏数。

  在分子流作用下(克努曾数Kn>10)气体导热表达式:

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  式中:P 为气体压力,Pa;m 为分子质量;γ 为比热率;β 为经验常数。

  打孔的辐射屏之间辐射换热表达式:

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  式中:ε 为辐射屏发射率;B为经验常数。

  通过调研大量的文献,得出通过绝热层总热流密度的三种表达式分别为:

用于低温存储系统的多层绝热性能分析

  式中:Cs=2.4e-4;Cr=4.944e-10;Cg=14 600。上述三式都可以较好的预测多层绝热层总热流,但是当间隔材料采用尼龙网时,公式(4)和(5)在计算方面出现了偏差[7],因此采用公式(6)修正的Lockheed模型计算多层绝热性能参数。

2、结论

  采用修正的Lockheed模型主要对应用于低温存储系统的多层绝热性能进行理论分析,主要得出以下结论:

  (1)采用均匀层密度时,随多层绝热厚度增加,热流密度逐渐降低,降低幅度逐渐减小;当层密度从5~25层/cm时存在一个最佳层密度使得热流密度最小;

  (2)上述主要是针对均匀层密度来讲,根据前期的计算,提出三区域模型计算各区域采用不同层密度时漏热变化(即变密度多层绝热:VD-MLI),得出选用层密度3时热流密度最小,并分析了冷边界温度、层间压力不同时总热流变化情况,得出压力小于0.01 Pa大于100 Pa时热流密度趋于平缓;

  (3)最后根据在地面和空间中遇到的实际情况,提出了复合多层绝热的概念:SOFI/VD-MLI,并从理论上证明了采用此种方法的有效性,将在后期的试验中得到验证。

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