空间用多层绝热材料性能测试及优化布置改进分析.pdf
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1、空间用多层绝热材料性能测试及优化布置改进分析苏晓宇1,朱建炳1*,马晓勇2(1.兰州空间技术物理研究所,兰州730000;2.兰州理工大学石油化工学院,兰州730050)摘要:多层隔热材料在空间高真空环境下具有优良的绝热性能,随着空间技术的发展,对液氢温区多层绝热材料提出了更高的绝热性能和阻燃等特殊要求。基于层与层计算方法建立了多层绝热材料热流密度的计算模型,选取 40 层、60 层和 70 层三种常用层数绝热材料对其热流密度进行了测试与计算,分析了层密度、冷热边界条件等对多层绝热材料热流密度的影响。最后通过遗传算法分析了多层绝热材料的布置方式对绝热性能的影响,获得了液氢温区绝热材料优化布置方
2、式,与等密度多层绝热材料布置方式相比,热流密度降低 10.63%。关键词:多层绝热;热流密度;优化布置中图分类号:TU55+1;TB658文献标志码:A文章编号:10067086(2024)02020608DOI:10.12446/j.issn.1006-7086.2024.02.014Performance Testing and Optimization Layout Improvement Analysis ofMulti-layer Insulation Materials for SpaceSU Xiaoyu 1,ZHU Jianbing 1*,MA Xiaoyong 2(1.Lan
3、zhou Institute of Physics,Lanzhou730000,China;2.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China)Abstract:Multi-layerinsulationmaterialshavestronginsulationperformanceinhighvacuumenvironments.Withthedevelopmentofspacetechnology,specialrequirementshavebeenputfo
4、rwardfortheinsulationperformanceofmulti-layerinsulationmaterialsappliedintheliquidhydrogentemperaturerange,suchashigherinsulationperformanceandflameretar-dancy.Acalculationmodelfortheheatfluxofmulti-layerinsulationmaterialsisestablishedbasedonthelayerbylayercal-culationmethod.Threecommonlyusedlayers
5、ofinsulationmaterials,namely40layers,60layers,and70layers,areselect-edfortestingandcalculatingtheirheatflux.Theeffectsoflayerdensity,coldandhotboundaryconditionsontheheatfluxofmulti-layerinsulationmaterialsareanalyzed.Finally,theimpactofthearrangementofmulti-layerinsulationmaterialsonin-sulationperf
6、ormanceisanalyzedthroughgeneticalgorithm,andanoptimizedarrangementmethodforinsulationmaterialsintheliquidhydrogentemperaturerangeisobtained.Thisarrangementmethodcanreducetheheatfluxby10.63%comparedtotheequaldensitymulti-layerinsulationmaterialarrangementmethod.Key words:multi-layerinsulation;heatflu
7、x;optimizelayout0引言液氢(LH2)、液氧(LO2)和液态甲烷(LCH4)等低温液体不仅是地面能源行业的重要燃料,也是航天器和运载火箭的首选推进剂1。为了获得更大的体积能量密度,这些低温液体在极端低温的条件下以饱和甚至过冷的状态储存,会导致相当大的热量收稿日期:2023-11-20基金项目:真空与低温重点实验室基金项目(HTKJ2021KL510005)作者简介:苏晓宇,硕士研究生,主要从事空间低温制冷技术研究。E-mail:通信作者:朱建炳,研究员,主要从事空间低温制冷技术研究。E-mail:zhujb-引文信息:苏晓宇,朱建炳,马晓勇.空间用多层绝热材料性能测试及优化布置改
8、进分析J.真空与低温,2024,30(2):206213.SUXY,ZHUJB,MAXY.Performancetestingandoptimizationlayoutimprovementanalysisofmulti-layerinsulationmaterialsforspaceJ.VacuumandCryogenics,2024,30(2):206213.真空与低温第 30 卷第 2 期206VacuumandCryogenics2024年3月从外部环境泄漏至低温储罐中。储罐的漏热会导致低温液体持续蒸发,进而导致储罐超压或推进剂排气损失2-5。因此,低温储罐的高效隔热技术是未来月球和火
9、星探测等长期任务的关键技术。目前人们在了解高真空环境下的隔热性能方面做了大量工作,开发了多层绝热材料6(MultiLayerInsulation,MLI)。本文对应用于空间的高性能多层绝热材料的优化布置方式及性能影响进行了分析。多层绝热材料结构由交替的反射层和间隔层组成,其内部传热分为辐射换热、残余气体导热和固体导热7。多层绝热材料的反射层通常由具有高反射率和低发射率的材料制成或涂覆,故而来自前一层的辐射热可以被当前层的辐射屏部分反射,而剩余的能量转移到下一层再次被反射。间隔层主要由低热导率的材料组成,如玻璃纤维、尼龙、丝网和泡沫等,降低相邻反射层间的固体导热。多层绝热材料多应用在高真空环境,
10、避免了对流换热8。国内外对于多层绝热材料的研究已趋于成熟,主要以镀铝聚酯薄膜作为反射层,涤纶网作为间隔层9。针对液氢储罐中多层绝热材料需要具有较小的热流密度和阻燃性10等特殊要求,本文以铝箔作为反射层,玻璃纤维布作为间隔层进行实验及模拟,分析多层绝热在不同条件下的热流密度变化。此外通过遗传算法模拟求解在外界条件(如冷热边界温度、真空度等)相同、多层绝热材料数量相同的情况下的间隔层与反射层的优化布置方式。1热流密度计算模型对于多层绝热材料的热流密度的计算目前常见层与层模型(Layer-by-Layer)与洛克希德模型11两种算法。两种方法虽均可求解多层绝热材料的热流密度,但洛克希德模型无法求解多
11、层绝热材料的层间温度分布,且计算依赖于各材料的经验系数,故本文采用层与层模型进行多层绝热材热流密度的计算。在层与层模型中,多层绝热材料的传热过程被分离为间隔物的固体导热(qs)、气体导热(qg)和辐射传热(qr)三个部分,并假定三种传热部分互不干扰。则多层绝热系统通过第 i 层的总热流密度(qtot,i)的计算公式为7:qtot,i=qr,i+qg,i+qs,i(1)式中:qtot.i为通过多层绝热结构的总热流密度;qr.i为通过多层绝热结构的辐射热流密度;qg,i为通过多层绝热结构的气体导热热流密度;qs,i为通过多层绝热结构的固体传热热流密度。其中辐射传热部分认为多层绝热材料的层间间隔物对
12、反射无影响,则相邻辐射层之间的辐射换热可表示为式:qr,i=(T4i+1T4i)1i+1+1i1(2)式中:Ti+1为温度较高侧辐射屏的温度;Ti为温度较低侧辐射屏的温度;i+1为温度较高侧辐射屏的发射率,i为温度较低侧辐射屏的发射率,对于铝箔,参考文献 10 的数据;为玻尔兹曼常数。气体导热 qg,i为:qg,i=C1p(Ti+1Ti)(3)C1=+11(R8MT)12(4)式中:p 为相邻反射层之间的气体压力;为适应系数,对于空气=0.9;R 为气体常数;M 为气体的摩尔质量;T 为反射层表面的温度;=cp/cv,cp为等压比热容,cv为等容比热容;C1为气体导热项经验参数,对于空气 C1
13、=1.1666。固体导热 qs,i为:qs,i=KS(Ti+1Ti)(5)KS=C2fk(6)式中:C2为经验常数,与间隔物材料的种类有关;f为间隔材料的稀松程度;k 为两辐射层间隔材料的热导率。间隔材料为玻璃纤维布,其热导率 KS参考文献 7 的数据。采用层与层模型,求解多层材料热流密度采用迭代算法。具体的求解流程如图 1 所示,首先沿绝热层厚度方向假定一个线性的温度分布,然后据此求解相邻两辐射层之间的热阻,再通过求得的热阻计算出新的温度分布,完成一个迭代周期。该过程一直进行到前后两次温度分布满足一定的收敛条件(收敛条件为前后两次温度分布小于 0.001K)7。其中完成一个周期后下一次迭代的
14、温度分布可以由式(7)求出:Tn=Tc+ni=1RiNi=1Ri(TNTc)(7)式中:Ri是第 i1 层和第 i 层之间的热阻;N 为总的苏晓宇等:空间用多层绝热材料性能测试及优化布置改进分析207层数;n 为当前层的编号;TN为冷边界温度;Tc为热边界温度;Tn为第 n 层温度。开始假定温度分布传热热阻判断是否收敛输出计算结果计算温度分布计算热流密度结束是否计算材料间温度分布根据前后两次计算结果重新确定温度分布计算材料物性、气体传热、固体传热及辐射输入计算初始条件图 1层与层模型求解多层绝热材料热流密度计算流程Fig.1Calculationprocessforheatfluxofmult
15、i-layerinsulationmaterialsusinglayerandlayermodel2实验装置及测试方法2.1实验测试装置及原理多层绝热材料性能实验测试装置可对不同的绝热材料的热流密度进行测试,装置如图 2 所示。量热器上保护段测量段真空阀真空机组下保护段外筒被测绝热材料流量计温度计压力计图 2多层绝热材料性能实验测试装置Fig.2Schematicdiagramofexperimentaltestingdeviceformulti-layerinsulationmaterialperformance实验测试装置包括:量热器、真空系统、流量测量系统和温度测控系统。量热器包括:保护
16、段加排液口、测量段加排液口、量热器内筒、量热器外筒、上保护段、测量段、下保护段及被测绝热材料。其中上保护段和下保护段充当等温保护器,以避免热量从两端泄漏到测量段中。进入测试容器的所有热量都只通过测量段侧壁,即被测材料的包裹处,测量段轴向上的温度梯度可以视为零。温度测量系统采用铂电阻温度计测量冷边界温度和热边界温度。流量测量系统使用湿式流量计,测量蒸发出的气体流量。实验通过热流量法测试材料热流密度大小。在实验装置中冷热两侧热量传递仅通过多层绝热材料,通过测量以液氮为测量工质的量热器蒸发的气体流量,进而计算多层绝热材料热流密度大小12。2.2实验数据处理2.2.1多层绝热材料的漏热量计算多层绝热材
17、料的漏热量按式(8)计算。Q=VLg(T0T1)(p1p0)(8)g式中:Q 为量热器漏热量;V 为流量计采集的平均气体流量;L 为液氮的汽化潜热;为 273.15K 下氮气的密度;p1为流量计出口处压力平均值;T1为流量计出口处温度平均值;p0为标准状态下的绝对压力;T0为标准状态下的热力学温度。2.2.2多层绝热材料的热流密度计算多层绝热材料的热流密度 q 按式(9)计算。q=Qln(r+r)2l(9)l式中:r 为量热器内筒的外半径;为多层绝热材料包裹的厚度;为量热器内筒的测量筒长度。将实验测得的结果代入式(8)(9)即可计算出多层绝热材料样品的漏热量及热流密度。3结果分析与讨论3.1实
18、验与计算结果对比分析对三种布置方式的多层绝热材料进行实验测量及模拟计算所得热流密度如表 1 所列。通过层与层模型,多层绝热材料的布置方案为 1、2、3 时模拟热流密度分别为 1.93W/m2、1.58W/m2、1.41W/m2。相 较 于 实 验 所 得 热 流 密 度 分 别为 2.11W/m2、1.64W/m2、1.43W/m2,误差分别为 8.49%、3.38%、1.60%,误差整体较小。其中方案 1 计算与实验的热流密度的误差增大到 8.49%,但实际两者数值误差仅为 0.18W/m2,证明了层与层模型计算的合理性。多层绝热材料的误差随层数的增加逐渐减少,这主要是因为层数及层密度的增加
19、会导致层间气体导热难以下降以影响计算的准确性。208真空与低温第30卷第 2 期表 1三种多层绝热材料实验及模拟热流密度Tab.1Experimental and simulated heat flux of three multilayer insulation materials方案实验热流密度/(W/m2)模拟热流密度/(W/m2)误差/%12.111.938.4921.641.583.3831.431.411.60三种方案的多层绝热材料温度随层数的分布情况如图 3 所示。可以看出,三种方案的内部温度沿层数变化的趋势是一致的,即在低温段的斜率均大于在高温段斜率,由傅里叶定律可知多层绝热材
20、料在低温侧的导热系数更小。方案 2、3 在 10 层及 20 层部分存在转折点主要是因为层密度的变化导致了温度梯度的突变。而在 20 层至 30 层的温度梯度变化不大,是因为实验仪器的真空夹层尺寸限制,层密度变化不大以致温度梯度几乎无变化。0102030405060708050100150200250300温度/K层数60层反射层70层反射层40层反射层图 3三种布置方案在不同层数处的温度分布曲线Fig.3Temperaturedistributioncurvesofthreelayoutschemesatdifferentlevels3.2层密度对热流密度变化的影响固定多层绝热材料反射层数为
21、 30 层,冷热边界温度分别为 77K、300K,压力恒定为 7104Pa。当层密度从 10 层/cm 增加至 40 层/cm 的过程中热流密度的变化如图 4 所示。由图可见在层密度降低的情况下,热流密度随之降低,需要注意的是虽然层密度的降低会带来热流密度的降低,但过低的层密度会使得在容器外包裹的多层绝热材料易于脱落,从而影响使用。3.3热边界温度对热流密度的影响在实际使用环境中,多层绝热材料的热边界温度会随着环境温度变化而变化,需要考虑热边界温度与热流密度的变化关系。当压力恒定为 7104Pa,冷边界温度 77K,其他条件保持不变的情况下,热边界温度由 240K 升高至 360K 时,热流密
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