干式量熱器測量隔熱結構熱性能實驗研究

肖田田 劉輝明 周振君 黃榮進 李來風 周 遠

(1 中國科學院低溫工程學重點實驗室(理化技術研究所)北京 100190)

(2 中國科學院大學 北京 100049)

(3 中國運載火箭技術研究院 北京 100076)

1 引言

真空多層絕熱(Multilayer Insulation,MLI) 于1951 年由瑞典的Peterson 首次研制成功[1]。傳統的真空多層絕熱材料(MLI)由低發射率的反射屏和低熱導率的間隔物交替組合而成。MLI 是目前世界上公認的在高真空下具有最低熱導率的高真空絕熱材料,被稱之為“超級絕熱”。應用于大型運載火箭貯箱絕熱的噴涂隔熱泡沫工藝已經很成熟。許多學者從理論和實驗兩方面對隔熱泡沫在不同溫度范圍的有效熱導率進行研究,都強調了泡沫中殘余氣體的重要性[2-3]。美國NASA 的Hedayat A 等人首次提出變密度多層絕熱材料(VDMLI)的概念[4],B.Wang 等人[5]對不同結構的變密度多層絕熱材料的熱性能進行了理論和實驗研究,利用層與層模型對VDMLI 進行優化,設計一套蒸發量熱系統測試VDMLI 在77—353 K 溫度范圍內的溫度分布和表觀熱導率,結果表明,優化后的VDMLI 比傳統的均勻MLI 的絕熱性能提高45.5%。

聚氨酯泡沫和多層絕熱材料相結合的復合絕熱結構有效解決了飛行器地面停放、發射上升、在軌運行階段低溫推進劑貯箱絕熱問題,具有絕熱效果好、質量輕等特點,是未來地面及空間低溫推進劑貯箱絕熱形式主要發展趨勢。美國馬歇爾航天飛行中心的Hastings 等搭建了容積為18 m3的多功能液氫測試平臺(Multipurpose hydrogen test bed,MHTB)[6],測試了3.53 cm 厚的聚氨酯泡沫和45 層變密度多層絕熱材料組合結構的熱性能,在軌保持模擬結果表明,當熱邊界溫度在164—305 K 范圍內變化時,復合結構的熱流密度在0.085—0.31 W/m2范圍變化。Y.H.Huang 等人[7]采用傳統的層與層模型預測聚氨酯泡沫和變密度多層絕熱材料復合結構(FMLI)的熱性能,并設計搭建了一套蒸發量熱系統對FMLI 進行實驗測試,實驗驗證了模型的準確性,并得到結論:在真空度為10-3Pa,冷邊界溫度為77 K,熱邊界溫度為293 K 時,通過FMLI 的熱流密度為0.23 W/m2。

針對絕熱系統熱性能測試的實驗裝置主要分為兩類:低溫液體蒸發量熱測試裝置和基于制冷機的干式量熱計裝置。低溫液體蒸發量熱測試裝置是在固定的環境條件(邊界溫度(低溫液體飽和溫度)、冷真空壓力等)下測試試樣的熱性能的一套裝置,雖然它的冷邊界溫度固定不可調節,但它仍是目前絕熱系統熱性能測試最常用的裝置之一。典型的圓筒形蒸發量熱器是美國NASA 制造的Cryostat-100[8],Cryostat-100 的測試腔體內充滿液氮,上下各有一個保護容器,加熱系統控制熱邊界溫度,以實現78—293 K(350 K)溫區的材料性能測試?；谥评錂C的干式量熱計裝置是利用制冷機控制冷邊界溫度,量熱桿連接制冷機和測試腔體,對量熱桿進行標定得到待測試樣的漏熱量。D.Celik 等設計搭建的同心圓筒形量熱器利用兩個單級G-M 制冷機控制邊界溫度,實驗驗證了該裝置的可靠性[9]。

為了對不同的隔熱結構進行熱性能實驗測試,本研究設計搭建一套基于制冷機的同心圓筒形干式量熱計裝置,利用一臺兩級的G-M 制冷機控制不同的邊界溫度,通過量熱桿上的溫差和標定數據得到隔熱結構在固定環境下的熱流密度。實驗測試了隔熱泡沫/氣凝膠與MLI 的復合隔熱結構以及VDMLI 等3組不同隔熱結構的熱性能,并研究了變邊界溫度對隔熱結構熱性能的影響。

2 實驗測試裝置

2.1 實驗裝置介紹

本研究設計搭建一套基于制冷機的同心圓筒形干式量熱計裝置,其測試原理是通過對一根連接制冷機和測試腔體的量熱桿進行標定,在量熱桿上下兩端布置兩個溫度計,通過測量兩個溫度計溫差,以及量熱桿的傳熱參數,利用傅里葉導熱定律,即可求得通過測試腔體隔熱結構的傳熱量Q。裝置包含干式量熱計單元,真空泵單元,溫度控制與監測單元,數據采集單元[9],圖1 為裝置具體示意圖。

圖1 同心圓筒形干式量熱器裝置示意圖1.二級冷頭;2.量熱桿;3.冷屏支撐板;4.冷屏;5.待測隔熱結構;6.上保護銅板;7.下保護銅板;8.導熱棒;9.熱屏;10.真空腔;11.溫度計。Fig.1 Schematic of concentric cylindrical dry calorimeter

干式量熱計單元包含G-M 制冷機,一根連接制冷機冷頭和冷屏的量熱桿,冷屏和熱屏。G-M 制冷機用來實現低溫環境,采用控溫儀可實現不同的冷邊界溫度;冷屏由鋁制作而成,外徑204 mm,高500 mm,厚度為2 mm,冷屏中部有一支撐板;量熱桿連接制冷機二級冷頭和冷屏中部支撐板,起到連接與量熱作用,量熱桿是隔熱結構熱性能測試的關鍵部件,需要對其進行標定,量熱桿的材質及尺寸由預估漏熱量決定;熱屏由銅制作而成,外徑384 mm,高700 mm,厚度為2 mm,通過控溫儀調節不同的熱邊界溫度。待測隔熱結構包覆在冷屏側面上,冷屏上下端安裝熱保護銅板并包裹多層材料減少軸向漏熱影響,即熱流全部從冷屏側面傳導至量熱桿。

真空泵單元由機械泵和分子泵組成,維持裝置真空腔內的壓力低于10-3Pa;溫度控制與監測單元包括溫度計和控溫儀,PT100 鉑電阻溫度計用來監測冷屏、熱屏以及隔熱結構內部的溫度情況,并由Keithley 2000 數字萬用表和Lakeshore 218 溫度監視儀進行溫度信號采集,不同的冷熱邊界溫度由Lakeshore 332控溫儀和實驗室自制NX 控溫儀調節控制;儀器采集的所有溫度和功率數據由LabVIEW 程序讀取并儲存。

2.2 實驗裝置誤差分析

本研究搭建的基于制冷機的同心圓筒形干式量熱計裝置的不確定度來源于尺寸幾何測量、加熱功率測量、溫度測量、熱量損失影響等幾個方面,裝置的不確定度總結于表1 中。

表1 裝置不確定度Table 1 Uncertainties of device

由表1 可知,本裝置的合成不確定度為1.097 3%,略小于Y.H.Huang 等人[7]設計的低溫液體蒸發量熱系統的1.2%。不確定度主要來源于溫度測量和熱量損失影響,為了降低裝置的不確定度,應該做好熱防護措施減少熱量損失,以及應在系統達到熱穩定狀態后采集實驗數據。

3 材料

本研究一共測試了3 組隔熱結構的熱性能,1#結構為20 mm 厚隔熱泡沫與30 層MLI 的復合結構,隔熱泡沫在室溫下的熱導率為0.02 W/(m·K),面密度低于800 g/m2,MLI 的反射層為6 μm 厚的雙面鍍鋁薄膜,間隔層為滌綸網。2#結構為3 單元氣凝膠組與65 層MLI 的復合結構,3 單元氣凝膠組各自包括3 mm厚氣凝膠,聚酰亞胺以及0.025 mm 厚鋁箔,MLI 的反射層為鋁箔,間隔層為玻纖布。3#結構為變密度多層絕熱材料,反射層為鋁箔,間隔層為玻纖紙,低密度區反射層與間隔層的比例為1:3,10 層反射層;中密度區反射層與間隔層的比例為1:2,10 層反射層;高密度區反射層與間隔層的比例為1:1,54 層反射層。圖2 為3 組結構的示意圖。

圖2 3 組隔熱結構示意圖Fig.2 Schematic of three groups of thermal insulation structure

4 結果與討論

4.1 不同量熱桿的標定測試

量熱桿標定原理如圖3 所示[9],量熱桿一端連接制冷機二級冷頭,另一端粘貼加熱器,并在量熱桿上3 個不同的位置分別粘貼溫度計,對量熱桿施加不同的加熱功率,得到溫度計溫差以及量熱桿的傳熱參數,安裝絕熱輻射屏減少熱量損失。

圖3 量熱桿標定示意圖1.量熱桿;2.溫度計;3.加熱器;4.絕熱輻射屏;5.二級冷頭。Fig.3 Schematic of calorimeter rod calibration

本研究分別對銅制量熱桿(直徑15 mm,長210 mm)和鋁制量熱桿(直徑30 mm,長210 mm)進行在20 K,40 K,60 K,77 K 和100 K 溫度下的標定,得到不同溫區下量熱桿加熱功率Q和量熱桿上溫差ΔT的關系式,以及量熱桿在不同溫度下的熱導率,如圖4 所示。

圖4 量熱桿標定結果Fig.4 Results of calorimeter rod calibration

圖4a 為銅制量熱桿加熱功率Q與溫差ΔT的擬合曲線,圖4b 為銅制量熱桿實驗測試的熱導率與NIST標準數據庫中RRR=100 的銅的熱導率的對比圖。從圖4b 中可以看出,銅制量熱桿實驗測試的熱導率與NIST 標準數據庫中的熱導率吻合較好,在20—100 K 溫區內,銅的熱導率隨溫度升高而減小,根據傅里葉導熱定律在相同的加熱功率Q下,熱導率λ減小,則量熱桿溫差ΔT增大,圖4a 很好地反映這一點,理論分析與實驗結果吻合。

圖4c 為鋁制量熱桿加熱功率Q與溫差ΔT的擬合曲線,圖4d 為鋁制量熱桿實驗測試的熱導率與文獻[10]中Al3003-F 的熱導率的對比圖。實驗用鋁制量熱桿的熱導率與Al3003-F 的熱導率吻合較好。從圖4c 中可以看出,TC=60 K,TC=77 K,TC=100 K 3 條曲線基本重合。分析原因,在20—100 K溫區內,鋁的熱導率隨溫度升高而增大,但量熱桿溫度從60 K升高到100 K 時,量熱桿的熱導率僅增大10 W/(m·K),增幅很小,同樣根據傅里葉導熱定律,量熱桿溫差ΔT變化幅度也很小,反應在圖4c中則3 條曲線基本重合。

對比銅制量熱桿和鋁制量熱桿,因為相同溫度下鋁比銅的熱導率要小,所以,在相同的邊界溫度和加熱功率下,鋁制量熱桿的溫差比銅制量熱桿的溫差大。銅制量熱桿上的最小溫差只有0.27 K,而鋁制量熱桿上的最小溫差為1.13 K,考慮到實驗使用的PT100 鉑電阻溫度計的標準不確定度為0.1 K,為了減小測溫誤差,實驗選用鋁制量熱桿進行隔熱結構熱性能測試。

4.2 3 組隔熱結構熱性能測試

圖5 為相同實驗及邊界溫度條件下,實驗所測的3 組隔熱結構的熱流密度對比結果。實驗環境條件為:系統真空度優于10-3Pa,冷邊界溫度TC=20 K,熱邊界溫度TH=300 K。測試分析得3 組結構的熱流密度分別為:1#結構3.123 W/m2,2#結構2.194 W/m2,3#結構2.266 W/m2。

圖5 3 組隔熱結構熱流密度對比圖Fig.5 Comparison of heat flux of three groups of thermal insulation structure

分析實驗結果可得,2#結構和3#結構的熱流密度相差不大,絕熱效果相當,而1#材料的絕熱效果較差。表明在高真空環境下,氣凝膠或隔熱泡沫對復合結構的絕熱性能影響不大,MLI 或者VDMLI 起主要絕熱作用,1#結構絕熱效果較差的原因可能是多層材料較少。

4.3 變邊界溫度對結構熱性能影響

系統真空度優于10-3Pa,首先在熱邊界溫度TH=300 K 一定時,改變冷邊界溫度TC分別為20 K,40 K,60 K,77 K,100 K,分析冷邊界溫度改變時對1#結構熱性能的影響。然后在冷邊界溫度TC=20 K 一定時,改變熱邊界溫度TH分別為300 K 和350 K,分析熱邊界溫度改變時對1#結構熱性能的影響。用鋁制量熱桿實驗測得1#結構的熱流密度如表2 所示。

表2 1#結構變邊界溫度測試熱流密度結果Table 2 Heat flux results of variable boundary temperature test of 1# structure

分析實驗結果可得,熱邊界溫度一定,冷邊界溫度由20 K 增大到100 K 時,通過隔熱結構的熱流密度略有減小;冷邊界溫度一定,熱邊界溫度由300 K增大到350 K 時,通過隔熱結構的熱流密度急劇增大。也就是說,熱邊界溫度變化引起的熱流密度的變化幅度比冷邊界溫度變化引起的熱流密度的變化幅度大。分析原因,在高真空環境下,氣體導熱可以忽略不計,固體導熱和輻射傳熱起主要作用。在冷邊界區域固體導熱起主導作用,測試的復合隔熱結構在冷邊界區域隔熱泡沫起主要隔熱作用,冷邊界溫度增大導致泡沫熱導率增大,泡沫兩側溫差減小,但熱流密度變化不大,而在熱邊界區域輻射傳熱起主導作用,根據輻射傳熱4 次方定律,熱邊界隨溫度升高呈4 次方規律增大,熱流密度急劇增大。

5 結論

隔熱泡沫與MLI/VDMLI 的復合隔熱結構是低溫推進劑長期在軌貯存的有效被動熱防護手段之一。本研究設計搭建一套同心圓筒形干式量熱器對3 組不同的隔熱結構的熱性能進行實驗測試。得出以下結論:

(1)基于制冷機的同心圓筒形干式量熱器避免了使用低溫制冷劑實驗的危險性和測量誤差,邊界溫度可調,量熱桿是進行實驗測試的關鍵部件,需對其進行標定分析,本研究選擇直徑為30 mm,長度為210 mm 的鋁制量熱桿進行隔熱結構熱性能測試。

(2)實驗測試的3 組隔熱結構的熱性能對比表明,在高真空環境下,氣凝膠或隔熱泡沫對復合結構的絕熱性能影響不大,MLI 或者VDMLI 起主要絕熱作用。

(3)對1#結構變邊界溫度測試結果表明,熱邊界溫度一定,冷邊界溫度由20 K 增大到100 K 時,通過隔熱結構的熱流密度略有減小;冷邊界溫度一定,熱邊界溫度由300 K 增大到350 K 時,通過隔熱結構的熱流密度急劇增大。