非稳态法测量传热元件外贴表面换热系数的装置及方法

技术领域

本发明涉及航天航空的技术领域，尤其涉及一种热真空环境下非稳态法测量传热元件外贴表面换热系数的装置和方法。

背景技术

在外太空环境下，接触表面都处于真空状态，接触面缝隙间的气体量很少，通过间隙空间中的气体传热作用可以忽略。真空环境下的两接触表面之间的换热系数与地面大气环境下的测试值并不相同。卫星仿真分析时，若采用地面大气环境下的试验值进行计算，会降低仿真分析的精度。因此，必须进行热真空试验来获得真空环境下的两接触表面之间的换热系数。传统的测量方法是建立热平衡状态，获得稳态热工况下的温度数据，计算出换热系数。根据航天器热平衡试验方法规定的试验工况达到稳定条件是：在连续4小时内，单调变化值不大于0.1℃/h。这使得一个热平衡工况试验基本上需要12～16小时才能达到平衡，时间和成本大。因此，需要一种非稳态测量接触表面之间换热系数的装置和方法，缩短试验时间，减少试验所用热真空罐的通氮量，降低试验成本。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种热真空下非稳态法测量传热元件外贴接触表面之间换热系数的装置和方法，在未建立热平衡的前提下，计算出真空环境下结构板与热管之间的换热系数，可大大节约试验时间和成本，可以缩短试验时间约3/4，减少试验所用热真空罐的通氮量，大大降低试验成本。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种非稳态法测量传热元件外贴表面换热系数的装置，用于热真空环境下，包括加热器、结构板一、传热元件、结构板二、多层隔热组件，热电偶，传热元件与结构板一和结构板二连接，加热器粘贴在结构板一上，粘贴位置为结构板一与传热元件连接位置对应的另一侧区域，结构板二与传热元件非连接的一侧喷涂黑漆，用于真空环境下辐射散热，结构板一、传热元件和结构板二的非喷漆部位包覆多层隔热组件，结构板一和结构板二、传热元件和多层隔热组件的外表面都布置相应的热电偶，加热器施加一定量的热量到结构板一，通过传热元件传递到结构板二，最后以热辐射的方式散掉。

传热元件与结构板一和结构板二通过螺栓或胶粘方式连接，两者接触形式包括干接触，填导热硅脂或垫银箔。

传热元件为热管。

多层最外层隔热组件是聚酯薄膜。

一种非稳态法测量传热元件外贴表面换热系数的方法，采用上述装置来完成，将装置悬空放置在热真空试验罐内，结构板二喷黑漆侧面向真空罐冷屏，按照航天器热真空试验流程和规范，真空罐抽真空至低于1.33×10^-3Pa后通液氮，当热沉四周及底部温度不高于100K时，进行试验，具体试验步骤如下：

(6)开启加热器，施加一定功率Q；

(7)每2分钟采集并记录一次热电偶温度数据，每过Δi时刻后，获得结构板一、结构板二、传热元件、多层隔热组件上各测点的多组温度数据；

(8)为验证非稳态测量法的精度，试验获得稳态工况下即在连续4小时内，单调变化值不大于0.1℃/h时的温度数据T_st；

(9)测试结束后，关闭加热器；

(10)回温、复压，试验结束。

非稳态法计算结构板与传热元件之间换热系数公式为：其中，h是换热系数，Q_in是加热功率，Q_leak是辐射漏热量，Q_cp是温度变化引起的热容改变量，ΔT是结构板与传热元件之间的温差。

i时刻，结构板一与传热元件之间的换热系数h_1,i为：

结构板二与传热元件之间的换热系数h_2,i为：

其中，ε是多层最外表面的发射率，σ是黑体辐射常数，A_ML1和A_hp分别是结构板一和传热元件外多层的包覆面积，C_p,s1和C_p,hp分别是结构板一和传热元件的定压比热容，m_s1和m_hp分别是结构板一和传热元件的质量，分别是i时刻结构板一和传热元件外包覆多层上的平均温度，分别是i时刻结构板一和传热元件的平均温度，分别是i-Δi时刻结构板一和传热元件的平均温度，分别是i时刻结构板一和结构板二靠近传热元件附近测点的平均温度，分别是i时刻传热元件靠近结构板一和结构板二附近测点的平均温度，是真空罐热沉温度。

所述2≤i≤3，Δi为1/3小时、半小时或者1小时。

本发明提出一种热真空非稳态测量热管外贴换热系数的装置和方法，可以缩短试验时间约3/4，减少试验所用热真空罐的通氮量，大大降低试验成本。试验结果表明，采用本发明的测试和计算方法，得到的换热系数与稳态下获得数据相比，相对误差小于±3％，能够减少试验所用热真空罐的通氮量，大大降低试验人力、物力成本。试验设计方法合理，工艺操作简单，易于实现，成本较低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明装置的结构示意图；

图2是本发明装置上热电偶布置的平铺示意图；

图3是试验测得采用稳态法和非稳态法，结构板一和结构板二分别与热管之间换热系数的对比曲线；

图4为非稳态法获得热管外贴接触表面之间换热系数的测量值与稳态法测量值的相对误差。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明非稳态法测量热管外贴接触表面之间换热系数的装置示意图。其中，对应的，1为结构板一，2为加热器，3为热管(传热元件)，4为结构板二，5为多层隔热组件。热管水平布置，两端分别与结构板一和结构板二连接。加热器布置在结构板一热管连接区域的另一侧，结构板二非热管连接的一侧喷涂黑漆。最后，结构板和热管上都包覆多层隔热组件，最外层为聚酯薄膜。

接触表面之间换热系数是在低温真空环境下测的。

热管与结构板一和结构板二通过螺栓或胶粘等方式连接，热管与结构板接触形式包括干接触，填导热硅脂，垫银箔等。

热管是一种传热系数较高的传热元件，本发明包括但不限于热管，如铜条，铝条等。采用热管作为试验传热元件时，保证热管冷热端水平，消除重力对热管启动的不利影响。

图2为非稳态法测量热管外贴接触表面之间换热系数的装置热电偶布置示意图，结构板一和结构板二、热管连接端、热管中间段都均匀布置T型热电偶，用于测量试验过程中的温度变化。

测试装置悬空放置在热真空试验罐内，结构板二喷黑漆侧面向真空罐冷屏。按照航天器热真空试验流程和规范，真空罐抽真空至低于1.33×10^-3Pa后通液氮，当热沉四周及底部温度不高于100K时，进行试验。

具体试验步骤如下：

(11)开启薄膜加热器，施加一定功率Q，如40W；

(12)每2分钟采集并记录一次热电偶温度数据。半小时后，获得板1、板2、热管、多层上各测点的温度数据T_0.5；1小时后，获得板1、板2、热管、多层上各测点的温度数据T₁；以此类推，获得T_1.5，T₂，T_2.5，T₃；

(13)为验证非稳态测量法的精度，试验获得稳态工况下即在连续4小时内，单调变化值不大于0.1℃/h时的温度数据T_st；

(14)测试结束后，关闭加热器；

(15)回温，复压，试验结束。

非稳态测量法计算接触换热系数公式为：

其中，h是换热系数，Q_in是加热功率，Q_leak是辐射漏热量，Q_cp是温度变化引起的热容改变量。

i时刻，结构板一与热管之间的换热系数h_1,i为：

i时刻，结构板二与热管之间的换热系数h_2,i为：

其中，ε是多层最外表面的发射率，σ是黑体辐射常数，A_ML1和A_hp分别是结构板一和传热元件外多层的包覆面积，C_p,s1和C_p,hp分别是结构板一和传热元件的定压比热容，m_s1和m_hp分别是结构板一和传热元件的质量，分别是i时刻结构板一和传热元件外包覆多层上的平均温度，分别是i时刻结构板一和传热元件的平均温度，分别是i-Δi时刻结构板一和传热元件的平均温度，分别是i时刻结构板一和结构板二靠近传热元件附近测点的平均温度，分别是i时刻传热元件靠近结构板一和结构板二附近测点的平均温度，是真空罐热沉温度。

为了验证非稳态法测量的换热系数偏差大小，对比其与稳态法得到的换热系数。稳态测量法计算接触换热系数公式为：

结构板一与热管之间的换热系数h_1,st为：

结构板二与热管之间的换热系数h_2,i为：

i＝1，2，3时，试验采用非稳态法测量的换热系数h_s1-hp,i，h_s2-hp,i，以及稳态法测量的换热系数h_s1-hp,st，h_s2-hp,st见下表：

表1非稳态法和稳态法测量的换热系数对比

图3为非稳态法和稳态法测量热管外贴接触表面之间换热系数的曲线。实心示点为稳态法测量值，空心示点为非稳态法获得的测量值。

图4为非稳态法获得热管外贴接触表面之间换热系数的测量值与稳态法测量值的相对误差。当试验进行2～3小时后，采用本发明所述的非稳态法获得的测量值，与稳态法获得测量值相对误差小于±3％，已经满足精度要求。验证了本发明所述的测量方法和措施的有效性和合理性。

结果表明，当i≥2时，采用非稳态法得到的换热系数相对误差低于±3％。可见，当试验进行到2～3小时时，采用非稳态法测得的换热系数已经满足精度要求。相比建立试验进行12小时才达到稳态工况，其时间大大缩短3/4以上，减少热真空罐所需的通氮量，大大降低试验成本。按1万元/小时/次成本计算，可节约成本10余万元/次。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。