蒸汽压缩热泵压缩机倒置性能试验研究 马瑞.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143520 蒸汽压缩热泵压缩机倒置 性能试验研究 马瑞,吴玉庭，杜春旭，陈夏，刘刚，何静，马重芳 （北京工业大学环境与能源工程学院传热强化与过程节能教育部重点实验室 及传热与能源利用北京市重点实验室，北京 100124） Tel：0108323， Email：wuyuting@bjut.edu.cn 摘要:蒸汽压缩热泵作为未来大型航天器热控技术将有很好的应用前景。运行在微重力环境下的航天蒸汽压缩热泵，其微重力适应性是航天蒸汽压缩热泵研发的关键技术。压缩机是蒸汽压缩热泵的核心部件。通过实验探究压缩机倒置运行条件变差后，制冷剂充注量对蒸汽压缩热泵系统性能的影响。实验结果表明，在制冷量及其他条件恒定的条件下，充注量的增加，引起排热量及压缩机功耗的变化，从而得到最佳制冷剂充注量150g下的最大制冷COP值3.22。 关键词:压缩机倒置；制冷剂充注量；COP 1 引言 随着航天事业的快速发展，航天器舱内人员设备需要在合适的温度环境下生活及正常运行。如何将航天器内部越来越多的热负荷有效地排放到外太空成为了航天领域热控系统面临的问题。蒸汽压缩热泵是一种潜力巨大的航天器主动热控手段，具有排热量大、适应性广和调节能力强等优点[1-5]。与传统被动式热控技术相比，蒸汽压缩热泵具有以下优势： 1 提高了辐射散热温度，缩小了散热面积。通过热泵提高了辐射散热器的排热温度，强化排热能力，从而减少了散热器面积； 2可利用向阳面散热。由于辐射散热器的温度较高，在卫星背阳面散热不足的情况下，可以利用向阳面及散热质量较差的表面来排散热量，从而极大扩展了散热通道，提高了热控系统的灵活性和适应性； 3调节能力强。作为一种先进的主动流体回路，通过调节压缩机转速等手段就能实现系统变工况运行，从而获得较强的热量输送的调节能力，适应复杂的热边界条件[6] 。 因此，航天蒸汽压缩热泵作为登月、深空探测和大功率通信卫星的一项重要热控手段将有广阔的应用前景。 1977年，欧洲航天局(ESA)Berner等依据蒸汽压缩制冷系统可以提供连续、稳定、温度适宜的低温冷源，并且在环境热沉温度或热负荷改变时可以通过调节运行参数保持制冷量的特点，提出将蒸汽压缩热泵作为空间站上的单机制冷设备为某些重要物品提供所需的低温环境。此外，设计研制了适合航天应用的小型往复式活塞压缩机和换热器，并进行了地面试验，得到了预期的效果[7]。 美国航天局（NASA）从上世纪80年代中期开始研究蒸汽压缩系统在航天领域的应用。20世纪90年代，NASA所属的乔治.马歇尔空间飞行中心针对空间站热量存储系统和制冷系统进行了研究。研究还涉及到压缩机的选型、制冷剂选择、压缩机润滑方案、轴承材料研究等多个方面[8]。 中国从上个世纪末开始研究用于大型航天器热控系统的蒸汽压缩热泵。1997年，北京空间飞行总体设计部的李劲东等，针对热泵强化大型航天器散热、减少辐射器散热面积和重量的问题进行了系统分析，从理论上阐明了热泵强化航天器器散热的概念和作用及热泵应用的潜在优点，并且针对电驱动和热驱动两种不同工作模式的热泵进行比较分析[3]。清华大学李明海等对利用蒸汽压缩热泵优化航天器热控系统进行了研究。分析了光伏蒸汽压缩式热泵系统的各个参数对系统质量和排热温度的影响，得到了参数的最优值，同时阐明了热泵在未来空间应用中的巨大潜力[4]。 虽然蒸汽压缩系统在航天领域应用的优势明显，相关研究也开展了20多年，然而时至今日，由于微重力环境下系统运行的复杂性和微重力试验的困难性，此项技术的研究尚未在航天领域投入实用。对星载热泵系统而言，微重力环境对系统性能有很大的影响，主要表现在压缩机润滑和换热器换热等方面[9-19]。在微重力环境中，如果大量润滑油离开油池进入气缸，则压缩机将无法润滑，这就导致泄漏和摩擦的增加，泄漏和摩擦又会引起高功耗和压缩机寿命减少等问题。微重力环境下的气液分离是非常困难的，不论采用何种技术进行分离都会极大增加系统的复杂程度[20-21]。此外，由于抛物飞行实验和落塔实验实现的微重力时间很短，有极大的残余应力。而且由于空间实验的限制，地面上实现真实微重力下换热器性能的研究非常困难。目前国际上认可的一种思路是“重力无关”热泵系统[23]。这种思路最大的特点是样机试验简单，只需在地面通过改变部件与重力方向的夹角，测试其性能。如果结果都趋于一致，那么就得到“重力无关”系统。当然，确定“重力无关”运行条件的前提是要有适当