内置蓄换热器蓄换热性能实验设备与方法技术

本发明专利技术公开了一种内置蓄换热器蓄换热性能实验设备与方法，属于无毒空间发动机内置蓄换热器的性能实验技术领域。该设备由辅助系统、实验系统、控制系统、数据测量与采集系统组成。实验时，将一定压强的介质泵入压力罐后，将实验样品装入夹具，然后开启真空泵，在负压腔内形成负压环境，开启加热器，将样品加热到指定温度，最后开启电磁阀，使介质喷射到样品上，并用热电偶记录介质通过样品后的温度，根据热电偶温度的变化来评价样品的蓄换热性能。内置蓄换热器应用于无毒单组元空间发动机热控系统中，本发明专利技术可以用于该类器件蓄换热性能的评估。

Experimental equipment and method for storage and heat exchange performance of built in storage heat exchanger

The invention discloses an experimental device and a method for the storage and heat exchange performance of a built-in heat exchanger, belonging to the technical field of the performance test of the built-in heat storage exchanger of a nontoxic space engine. The equipment consists of auxiliary system, experimental system, control system, data measurement and acquisition system. During the experiment, the medium pressure pump must into the pressure tank, put the sample into a jig, and then open the vacuum pump to form a vacuum environment in the negative pressure cavity, open the heater, the sample is heated to a specified temperature, finally open the electromagnetic valve, the medium injection to the sample, and use the recording medium through the sample after the thermocouple temperature and according to the change of the thermocouple temperature to evaluate the heat transfer performance of sample storage. The built-in heat storage heat exchanger is applied to the thermal control system of a non-toxic single component space engine, and the present invention can be used for the evaluation of the heat storage and heat exchange performance of such a device.

【技术实现步骤摘要】
内置蓄换热器蓄换热性能实验设备与方法
本专利技术涉及无毒空间发动机内置蓄换热器的性能实验
，具体为一种内置蓄换热器蓄换热性能实验设备与方法。
技术介绍
我国自上世纪七十年代以来发射了两百多颗人造卫星和载人飞船等空间飞行器，其中大部分都采用单组元空间发动机进行姿态控制和轨道调整。目前空间单组元发动机常用的推进剂为肼，这是一种剧毒的物质，航天部门希望采用ADN推进剂加以替代。由于ADN推进剂的启动温度较高，需要在发动机催化剂前端放置一蓄换热器件，在发动机启动前将热量蓄积其中，发动机启动时推进剂首先与蓄换热器接触，此时热量被迅速交换到推进剂中，使推进剂温度升高，提高了催化反应温度，使发动机能够正常启动。此外，蓄换热器件的多孔结构还能起到分散推进剂的作用，避免推进剂与催化剂长期在相同位置发生反应，避免催化剂的毒化，从而提高催化剂的寿命。蓄换热器件是无毒空间发动机研制和延寿的关键零部件。为了获得良好的效果，蓄换热器必须具备良好的徐换热性能。为了验证蓄换热器是否满足设计指标，模拟其在轨工作状态，研制出内置蓄换热器件蓄换热性能实验设备并拟定出实验方案，对蓄换热器的性能进行考核。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种内置蓄换热器蓄换热性能实验的设备与方法，用于对空间发动机内置蓄换热的蓄换热性能进行考核。本专利技术的技术方案是：一种内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，该设备包括辅助系统、实验系统、控制系统、数据测量与采集系统四部分，其中：辅助系统：包括用于提供所需压强介质的水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器，以及用于维持负压环境的机械真空泵及干燥器；所述水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器依次用软管连接，压力变送器再连接到实验系统；所述机械真空泵与干燥器相连接，干燥器再连接到实验系统；实验系统：包括电磁阀、喷注器、密封圈、夹具、加热器和负压腔；所述电磁阀与喷注器为一体化结构，喷注器与辅助系统中的压力变送器相连通后，用于向实验样品喷射介质；所述夹具用于固定实验样品，实验样品夹持于夹具内部；所述实验样品为蓄换热器；加热器由缠绕于夹具外壁的电热丝及电热丝外侧的保温层组成；所述负压腔由玻璃加工而成顶端开口的筒状容器，负压腔的顶端通过密封圈与喷注器密封连接，机械真空泵连接干燥器后经负压腔侧壁接入负压腔；控制系统：包括直流电源、电压表、电流表和继电器，所述直流电源包括电磁阀电源与加热器电源，所述加热器电源连接加热器，电压表和电流表分别用于测量实验过程中加热器回路中的电压与电流；所述继电器与电磁阀电源、电磁阀构成回路，用于控制电磁阀的通断时间；数据测量与采集系统：包括热电偶、数据采集卡和计算机，所述热电偶为T型热电偶，安装在蓄换热器下部，热电偶的数量为3个，距离蓄换热器底端的距离分别为0mm、5mm和10mm；所述数据采集卡为四通道高速数据采集卡，采样率大于2000Hz；所述热电偶将采集到的温度信息通过数据采集卡输入到计算机中，所述计算机通过软件采集和记录实验过程中的温度变化。所述辅助系统中，水泵为微型高压水泵，扬程为110米；压力罐为不锈钢材质，最大耐压1.6MPa。所述控制系统中，电磁阀电源为恒压，加热器电源的电压可调，可调范围为0～30V。所述内置蓄换热器蓄换热性能实验装置应用于无毒空间单组元发动机内置蓄换热器件的性能测试中。利用所述设备进行内置蓄换热器蓄换热性能实验的方法，该方法是将实验所需压强的介质泵入压力罐后，将实验样品装入夹具，然后开启真空泵，在负压腔内形成负压环境，开启加热器，将实验样品加热到指定温度，最后开启电磁阀，使介质喷射到实验样品上，并用热电偶记录介质通过实验样品后的温度，根据热电偶温度的变化来评价样品的蓄换热性能。该方法中，实验条件：所述介质为蒸馏水，所述负压环境是指压强小于1000Pa；实验模式：将高压介质经电磁阀和喷注器喷射到被加热且处于负压环境的实验样品上；测试项目：介质在负压条件下通过被加热的样品后的温度。该方法具体包括如下步骤：(1)介质的准备：开启微型高压水泵，将介质(一般为蒸馏水)泵入压力罐中，待管路内介质的压强达到所需值后关闭水泵，压力罐将为整个管路提供所需压强；(2)实验样品的安装：将实验样品置于夹具内，并将夹具固定于喷注器下方；(3)模拟真空环境：将负压腔置于喷注器下方，与密封圈接触，然后开启机械真空泵持续抽真空，使整个负压腔内为负压环境，压强小于1000Pa；(4)样品的加热：开启加热器电源对样品进行加热，调整电压，使样品的温度维持在所需的温度；(5)实验的进行：开启电磁阀电源，设置继电器的通断参数，然后打开继电器，控制电磁阀的通断，电磁阀打开后会将介质喷射到被加热的样品上，进行实验；(6)数据的采集：继电器打开前，开启计算机上软件的数据记录模式，然后再打开继电器，进行实验，此间计算机会记录实验过程中热电偶测得的温度；(7)结果分析：根据实验过程中各个热电偶测量到的温度变化，分析所用蓄换热器件的蓄换热性能；实验中最上方热电偶测得的是介质和蓄换热器共同作用下的温度，其能够反映出介质在蓄换热器中的流动状态；下方的两个热电偶悬空放置，测得的是介质通过蓄换热器后的温度，一般来说最下方热电偶离蓄换热器更远，受到热辐射的影响更小，更能反映介质通过蓄换热器之后的温度。利用上述设备进行无毒空间单组元发动机的内置蓄换热器蓄换热性能实验的方法，其原理是利用模拟内置蓄换热器空间工作环境的实验设备，考核其蓄换热性能。所述蓄换热器件为圆形片状结构，是由外侧面的合金环和紧密嵌于合金环内的泡沫材料组成；所述泡沫材料是由泡沫镍依次经渗铝和预氧化后获得，泡沫镍经渗铝后其中铝的重量百分含量为12～38％；所述合金环的壁厚为0.1～1mm，合金环是由环状镍基高温合金经渗铝然后预氧化获得。所述泡沫材料由相互连通的薄壁棱管形成的三维网状多孔结构，其孔隙相互连通、分布均匀，孔隙率为50～95％，孔密度为40～100PPI。所述泡沫镍和环状镍基高温合金渗铝后在表面形成NiAl层，预氧化时铝会优先氧化，在器件表面形成均匀的α-Al2O3膜。所述蓄换热器件用于航天飞行器姿、轨控无毒空间单组元发动机热控设施中。用于无毒空间单组元发动机的蓄换热器件的制备方法，首先将泡沫镍加工为所需规格的圆片，置于环状镍基高温合金内；然后将泡沫镍圆片与环状镍基高温合金同时用气相渗铝法渗铝，再经预氧化后获得所述蓄换热器件。所述泡沫镍由聚氨酯泡沫经过导电化处理、电镀和还原烧结制成；根据无毒空间发动机的尺寸、蓄换热性能、流阻性能和力学性能要求，确定所需泡沫镍的规格，包括孔密度、体密度、直径和厚度；其中：所述蓄换热器件的直径等于制备时所用环状镍基高温合金的外径，制备时选择的泡沫镍圆片的直径为环状镍基高温合金内径的92-98％；环状镍基高温合金和泡沫镍圆片经气相渗铝法渗铝后，泡沫镍圆片宏观体积膨胀，再经预氧化后，所得蓄换热器件的泡沫材料与其外侧面的合金环紧密结合。所述气相渗铝法在管式高温炉中进行，气相渗铝过程中：温度850～1100℃，保温时间20～60min；渗剂由铝镍合金粉和氯化铵混合后并经充分研磨而成；渗剂中的铝镍合金粉和氯化铵的重量比例为(88～96):(4～12)，铝镍合金粉中铝的重量百分含量为50～60％。所述气相渗铝过程中，将渗剂和样品分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，其特征在于：该设备包括辅助系统、实验系统、控制系统、数据测量与采集系统四部分，其中：辅助系统：包括为实验提供所需压强介质的水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器，以及在实验时提供负压环境的机械真空泵及干燥器；所述水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器依次用软管连接，压力变送器再连接到实验系统；所述机械真空泵与干燥器相连接，干燥器再连接到实验系统；实验系统：包括电磁阀、喷注器、密封圈、夹具、加热器和负压腔；所述电磁阀与喷注器为一体化结构，喷注器与辅助系统中的压力变送器相连通后，用于向实验样品喷射介质；所述夹具用于固定实验样品，实验样品夹持于夹具内部；所述实验样品为蓄换热器；加热器由缠绕于夹具外壁的电热丝及电热丝外侧的保温层组成；所述负压腔由玻璃加工成顶端开口的筒状容器，负压腔的顶端通过密封圈与喷注器密封连接，机械真空泵连接干燥器后经负压腔侧壁接入负压腔；控制系统：包括直流电源、电压表、电流表和继电器，所述直流电源包括电磁阀电源与加热器电源，所述加热器电源连接加热器，电压表和电流表分别用于测量实验过程中加热器回路中的电压与电流；所述继电器与电磁阀电源、电磁阀构成回路，用于控制电磁阀的通断时间；数据测量与采集系统：包括热电偶、数据采集卡和计算机，所述热电偶为T型热电偶，安装在蓄换热器下部，热电偶的数量为3个，距离蓄换热器底端的距离分别为0mm、5mm和10mm；所述数据采集卡为四通道数据采集卡，采样率大于2000Hz；所述热电偶将采集到的温度信息通过数据采集卡输入到计算机中，所述计算机通过软件采集和记录实验过程中的温度变化。...

【技术特征摘要】
1.一种内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，其特征在于：该设备包括辅助系统、实验系统、控制系统、数据测量与采集系统四部分，其中：辅助系统：包括为实验提供所需压强介质的水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器，以及在实验时提供负压环境的机械真空泵及干燥器；所述水泵、泄压阀、压力罐、过滤器和压力变送器依次用软管连接，压力变送器再连接到实验系统；所述机械真空泵与干燥器相连接，干燥器再连接到实验系统；实验系统：包括电磁阀、喷注器、密封圈、夹具、加热器和负压腔；所述电磁阀与喷注器为一体化结构，喷注器与辅助系统中的压力变送器相连通后，用于向实验样品喷射介质；所述夹具用于固定实验样品，实验样品夹持于夹具内部；所述实验样品为蓄换热器；加热器由缠绕于夹具外壁的电热丝及电热丝外侧的保温层组成；所述负压腔由玻璃加工成顶端开口的筒状容器，负压腔的顶端通过密封圈与喷注器密封连接，机械真空泵连接干燥器后经负压腔侧壁接入负压腔；控制系统：包括直流电源、电压表、电流表和继电器，所述直流电源包括电磁阀电源与加热器电源，所述加热器电源连接加热器，电压表和电流表分别用于测量实验过程中加热器回路中的电压与电流；所述继电器与电磁阀电源、电磁阀构成回路，用于控制电磁阀的通断时间；数据测量与采集系统：包括热电偶、数据采集卡和计算机，所述热电偶为T型热电偶，安装在蓄换热器下部，热电偶的数量为3个，距离蓄换热器底端的距离分别为0mm、5mm和10mm；所述数据采集卡为四通道数据采集卡，采样率大于2000Hz；所述热电偶将采集到的温度信息通过数据采集卡输入到计算机中，所述计算机通过软件采集和记录实验过程中的温度变化。2.根据权利要求1所述的内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，其特征在于：所述辅助系统中，水泵为微型高压水泵，扬程为110米；压力罐为不锈钢材质，最大耐压1.6MPa。3.根据权利要求1所述的内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，其特征在于：所述控制系统中，电磁阀电源为恒压，加热器电源的电压可调，可调范围为0～30V。4.根据权利要求1所述的内置蓄换热器蓄换热性能实验设备，其特征在于：所述内置蓄换热器蓄换热性能实验装...

【专利技术属性】
技术研发人员：段德莉，曾文文，杨晓光，王梦，陈君，侯思焓，李曙，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21