干式量热器测量隔热结构热性能实验研究_肖田田.pdf

2023 年第 1 期总第 251 期低温工程CRYOGENICSNo.1 2023SumNo.251干式量热器测量隔热结构热性能实验研究肖田田1,2刘辉明1周振君3黄荣进1,2李来风1,2周远1(1中国科学院低温工程学重点实验室(理化技术研究所)北京 100190)(2中国科学院大学北京 100049)(3中国运载火箭技术研究院北京 100076)摘要:设计搭建一套基于两级 G-M 制冷机的圆筒形干式量热器装置,首先分析铜制和铝制量热杆对装置误差的影响,其次对 3 组不同的隔热结构进行热性能实验测试,并研究不同的边界温度对隔热结构热性能的影响。实验结果表明,铝制量热杆测量误差更小;在高真空环境下,隔热泡沫对复合结构的绝热性能影响不大,MLI 或者 VDMLI 起主要绝热作用;分别改变冷边界温度和热边界温度对隔热结构热性能的影响不同,热边界温度一定,冷边界温度由 20 K 增大到 100 K 时,通过隔热结构的热流密度略有减小;冷边界温度一定,热边界温度由 300 K 增大到 350 K 时,通过隔热结构的热流密度急剧增大。关键词:低温推进剂贮箱干式量热器复合隔热结构变边界温度中图分类号:TB657文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)01-0031-06收稿日期:2022-11-06;修订日期:2023-02-08基金项目:国家重点研发计划(2020YFF01014701)。作者简介:肖田田,女,25 岁,硕士研究生。Experimental research on measuring thermal performanceof thermal insulation structure with dry calorimeterXiao Tiantian1,2Liu Huiming1Zhou Zhenjun3Huang Rongjin1,2Li Laifeng1,2Zhou Yuan1(1Chinese Academy of Sciences Key Laboratory of Cryogenics,Technical Instituteof Physics and Chemistry,Beijing 100190,China)(2University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)(3China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China)Abstract:A cylindrical dry calorimeter based on a two-stage G-M refrigerator was designedand built.The influence of calorimetric rods made of copper or aluminum on measurement uncer-tainty was analyzed,and the thermal performance of three different thermal insulation systems wastested and discussed.In addition,the influence of different boundary temperatures on the thermalperformance of the FMLI was studied.The experimental results show that the measurement uncer-tainty of the aluminum calorimetric rod is less than the copper calorimetric rod.In a high vacuumenvironment,the foam has little effect on the thermal performance of the FMLI,and MLI or VDM-LI plays a critical role in thermal insulation performance.The thermal performance of the FMLI isdifferent when the cold boundary temperature and the warm boundary temperature are changed re-spectively.When the warm boundary temperature is constant and the cold boundary temperature低温工程2023 年increases from 20 K to 100 K,the heat flux through the FMLI decreases slightly.In contrast theheat flux through the FMLI increases sharply when the cold boundary temperature is constant andthe warm boundary temperature increases from 300 K to 350 K.Key words:cryogenic propellant storage tanks;dry calorimeter;composite insulation sys-tem;variable boundary temperature1引言真空 多 层 绝 热(Multilayer Insulation,MLI)于1951 年由瑞典的 Peterson 首次研制成功1。传统的真空多层绝热材料(MLI)由低发射率的反射屏和低热导率的间隔物交替组合而成。MLI 是目前世界上公认的在高真空下具有最低热导率的高真空绝热材料,被称之为“超级绝热”。应用于大型运载火箭贮箱绝热的喷涂隔热泡沫工艺已经很成熟。许多学者从理论和实验两方面对隔热泡沫在不同温度范围的有效热导率进行研究,都强调了泡沫中残余气体的重要性2-3。美国 NASA 的 Hedayat A 等人首次提出变密度多层绝热材料(VDMLI)的概念4,B.Wang 等人5对不同结构的变密度多层绝热材料的热性能进行了理论和实验研究,利用层与层模型对 VDMLI 进行优化,设计一套蒸发量热系统测试 VDMLI 在 77353 K 温度范围内的温度分布和表观热导率,结果表明,优化后的 VDMLI 比传统的均匀 MLI 的绝热性能提高 45.5%。聚氨酯泡沫和多层绝热材料相结合的复合绝热结构有效解决了飞行器地面停放、发射上升、在轨运行阶段低温推进剂贮箱绝热问题,具有绝热效果好、质量轻等特点,是未来地面及空间低温推进剂贮箱绝热形式主要发展趋势。美国马歇尔航天飞行中心的Hastings 等搭建了容积为 18 m3的多功能液氢测试平台(Multipurpose hydrogen test bed,MHTB)6,测 试了 3.53 cm 厚的聚氨酯泡沫和 45 层变密度多层绝热材料组合结 构的热性 能,在轨保持 模拟结果 表明,当热边界温度在 164305 K 范围内变化时,复合结构 的 热 流 密 度 在 0.0850.31 W/m2范 围 变化。Y.H.Huang 等人7采用传统的层与层模型预测聚氨 酯 泡 沫 和 变 密 度 多 层 绝 热 材 料 复 合 结 构(FMLI)的热性能,并设计搭建了一套蒸发量热系统对 FMLI 进行实验测试,实验验证了模型的准确性,并得到 结 论:在 真 空 度 为 10-3Pa,冷 边 界 温 度 为77 K,热边界温度为 293 K 时,通过 FMLI 的热流密度为 0.23 W/m2。针对绝热系统热性能测试的实验装置主要分为两类:低温液体蒸发量热测试装置和基于制冷机的干式量热计装置。低温液体蒸发量热测试装置是在固定的环境条件(边界温度(低温液体饱和温度)、冷真空压力等)下测试试样的热性能的一套装置,虽然它的冷边界温度固定不可调节,但它仍是目前绝热系统热性能测试最常用的装置之一。典型的圆筒形蒸发量热器是美国 NASA 制造的 Cryostat-1008,Cryostat-100 的测试腔体内充满液氮,上下各有一个保护容器,加热系统控 制热边界温 度,以实现 78293 K(350 K)温区的材料性能测试。基于制冷机的干式量热计装置是利用制冷机控制冷边界温度,量热杆连接制冷机和测试腔体,对量热杆进行标定得到待测试样的漏热量。D.Celik 等设计搭建的同心圆筒形量热器利用两个单级 G-M 制冷机控制边界温度,实验验证了该装置的可靠性9。为了对不同的隔热结构进行热性能实验测试,本研究设计搭建一套基于制冷机的同心圆筒形干式量热计装置,利用一台两级的 G-M 制冷机控制不同的边界温度,通过量热杆上的温差和标定数据得到隔热结构在固定环境下的热流密度。实验测试了隔热泡沫/气凝胶与 MLI 的复合隔热结构以及 VDMLI 等 3组不同隔热结构的热性能,并研究了变边界温度对隔热结构热性能的影响。2实验测试装置2.1实验装置介绍本研究设计搭建一套基于制冷机的同心圆筒形干式量热计装置,其测试原理是通过对一根连接制冷机和测试腔体的量热杆进行标定,在量热杆上下两端布置两个温度计,通过测量两个温度计温差,以及量热杆的传热参数,利用傅里叶导热定律,即可求得通过测试腔体隔热结构的传热量 Q。装置包含干式量热计单元,真空泵单元,温度控制与监测单元,数据采集单元9,图 1 为装置具体示意图。干式量热计单元包含 G-M 制冷机,一根连接制冷机冷头和冷屏的量热杆,冷屏和热屏。G-M 制冷23第 1 期干式量热器测量隔热结构热性能实验研究机用来实现低温环境,采用控温仪可实现不同的冷边界 温 度;冷 屏 由 铝 制 作 而 成,外 径 204 mm,高500 mm,厚度为 2 mm,冷屏中部有一支撑板;量热杆连接制冷机二级冷头和冷屏中部支撑板,起到连接与量热作用,量热杆是隔热结构热性能测试的关键部件,需要对其进行标定,量热杆的材质及尺寸由预 估 漏 热 量 决 定;热 屏 由 铜 制 作 而 成,外 径384 mm,高 700 mm,厚度为 2 mm,通过控温仪调节不同的热边界温度。待测隔热结构包覆在冷屏侧面上,冷屏上下端安装热保护铜板并包裹多层材料减少轴向漏热影响,即热流全部从冷屏侧面传导至量热杆。真空泵单元由机械泵和分子泵组成,维持装置真空腔内的压力低于 10-3Pa;温度控制与监测单元包括温度计和控温仪,PT100 铂电阻温度计用来监测冷屏、热屏以及隔热结构内部的温度情况,并由 Keithley2000 数字万用表和 Lakeshore 218 温度监视仪进行温度信号采集,不同的冷热边界温度由 Lakeshore 332控温仪和实验室自制 NX 控温仪调节控制;仪器采集的所 有 温 度 和 功 率 数 据 由 LabVIEW 程 序 读 取 并储存。图 1同心圆筒形干式量热器装置示意图1.二级冷头;2.量热杆;3.冷屏支撑板;4.冷屏;5.待测隔热结构;6.上保护铜板;7.下保护铜板;8.导热棒;9.热屏;10.真空腔;11.温度计。Fig.1Schematic of concentric cylindrical dry calorimeter2.2实验装置误差分析本研究搭建的基于制冷机的同心圆筒形干式量热计装置的不确定度来源于尺寸几何测量、加热功率测量、温度测量、热量损失影响等几个方面,装置的不确定度总结于表 1 中。表 1装置不确定度Table 1Uncertainties of device不确定度来源不确定度数值尺寸几何测量0.080 2%加热功率测量0.030 1%温度测量0.501 1%热量损失影响0.972 4%