航天器热泵系统仿真与优化研究

摘要

随着我国航天技术的不断发展和进步，载人航天器的规模和功能日渐庞大，舱内仪器设备工作时产生的废热量也有不断增大的趋势。舱内废热到达一定量时会影响宇航员的正常生活，因此如何有效地将舱内废热排出成为了一项重要研究课题。针对航天器舱内废热排散问题，国内外专家提出了很多方案，如单相流体回路、两相流体回路、毛细泵回路及热泵回路等。目前，前三种方案已应用于实际的载人航天器，而热泵回路在航天器热排散方面的应用研究还有待完善。其中主要问题集中在：热泵流程系统优化、最佳热泵工质选取、排热温度优化和热控系统重量分析。
　　鉴于此，本文对热泵系统重量展开理论研究，建立了单、双级热泵流程的重量模型，以轻量化为目的，对排热温度进行了优化。并对比了单双级压缩热泵系统的质量，进行了热泵流程的选择。利用Aspen Plus流程模拟软件对热泵工质进行了选择，基于NRTL-RK物性方法分别计算有、无回热两种工况下单级压缩热泵系统的制冷量、压缩机耗功量、制冷系数COP、排气温度，并对有回热循环的热泵流程进行参数优化，以此来提高系统的制冷系数。根据模拟流程，搭建了热泵性能测定实验装置，展开回热循环对航天器热泵系统性能影响的研究。并将模拟与实验结果进行对比，以验证软件模拟实际热泵流程的可靠性。
　　理论研究表明：当蒸发温度达到300K时，单、双级压缩热泵系统的最佳排热温度均为370K，此时单级压缩系统对应的最轻重量小于双级压缩系统的最轻重量。因此，从航天器热泵的轻量化角度考虑，应使用单级蒸汽式压缩作为航天器热泵流程方案的最佳选择。
　　通过Aspen plus模拟结果得出：适宜航天器单级蒸汽压缩式热泵使用的最佳工质为R12；在相同的舱内温度下，带有回热系统的热泵流程可以有效提高系统的制冷系数COP；对有回热热泵流程的压缩机进口温度及回热器冷流体出口温度进行了参数优化，优化后的制冷量达到峰值98.11W，较优化前提高了4.6%，耗功量达到最小值126.5W，相比优化前降低了2.1%，优化后的制冷系数为0.78，提高了6.8%。
　　通过热泵性能测定实验以及实验结果与模拟结果对比表明：回热循环在提高系统制冷量的同时会增加压缩机耗功，引起排气温度升高，但制冷量的增长幅度大于压缩机耗功的增长幅度。当量热器内温度为16℃、20℃、24℃、28℃时，回热循环带来的制冷系数增长率分别为50%、39.6%、32.7%、27.6%。因此回热循环对提高系统制冷系数是有效的。通过对比热泵系统模拟COP与实验COP发现，两者变化趋势基本相同，且最大误差较小。当舱内温度为24℃时，模拟与实验结果的COP拟合度最高，此时有、无回热两种工况下二者相对误差分别为1.45%，1.92%，说明软件模拟实际热泵流程的可靠性较高。

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附表索引

主要符号表

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及研究内容

1.4 本章小结

第2章 航天器热泵系统

2.1 航天器热泵系统组成

2.2 航天器热泵工质选择

2.3 航天器单、双级压缩热泵系统对比分析

2.4 本章小结

第3章 基于ASPEN PLUS的热泵系统仿真与优化研究

3.1 系统流程模拟计算

3.2 流程优化

3.3 本章小结

第4章 回热循环对航天器热泵性能影响的实验研究

4.1 实验系统

4.2 实验内容与方法

4.3 实验结果与模拟结果比较

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 不足与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文