CN117939850A - 一种直流蒸发散热式模拟电负载系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种直流蒸发散热式模拟电负载系统，包括：储水单元，被配置用于存放要供给的水；供水单元，被配置用于提供供水压力并调节从所述储水单元提供给直流蒸发单元的供水流量；直流蒸发单元，被配置用于提供模拟负载，以及利用模拟负载产生的热量将供水转换成水蒸汽并排放至机外；以及控制单元，被配置用于控制所述直流蒸发散热式模拟电负载系统的各部件的运行；其中，所述控制单元通过调节所述供水单元中的流量调节阀使供水流量和所述直流蒸发单元的加载功率相匹配且所述直流蒸发单元的温度也被控制在要求的区间范围内。并且，本申请还涉及一种用于直流蒸发散热式模拟电负载系统的相应控制方法。

Description

一种直流蒸发散热式模拟电负载系统和控制方法

技术领域

本申请属于飞行器的试飞测试领域。具体而言，本申请涉及一种在飞行器的试飞测试阶段中(尤其是在电源科目和动力科目试飞中通过消耗飞行器多余的电能，使电源系统发电机输出功率达到满载状态的阶段中)使用的直流蒸发散热式模拟电负载系统，和用于该直流蒸发散热式模拟电负载系统的控制方法。

背景技术

众所周知，在一款新型飞机正式开始商用之前，都需要经历一系列试飞测试，以验证飞机是否满足适航规章的要求，其中动力装置和电源系统性能相关的试飞科目中，要求在试飞过程中电源系统发电机输出功率达到满载状态。由于试验机的机载用电设备用电量较少，无法使发电机达到试验状态要求，因此需要加装一套模拟电负载系统，通过接入模拟负载实现对发电机剩余功率的消耗，并根据飞机实际用电设备的功率变化情况控制模拟负载接入或切出飞机电网，调节发电机输出功率以达到试验状态要求。

但是，模拟负载功率大、加载时间长，工作过程中会产生大量的热量，为避免热量对飞机客舱环境的影响，如何散热成为模拟电负载系统设计的关键。

由于水易于获取，比热容大，汽化时吸收的热量多，基于水介质的蒸发式散热对大功率长航时加载的模拟电负载系统是一种理想的散热方式。因此，传统模拟电负载系统通常使用基于蒸发罐的池沸腾式蒸发散热方案，即通过对蒸发罐内的水加热至汽化并排出至舱外，实现散热的目的。具体而言，容积式蒸发散热方案采用池沸腾方式蒸发，优点是方案成熟，原理简单，缺点是结构复杂，元器件多，传热效率低，体积大，蒸发罐存在大量高温高压液体，液体受飞机姿态影响大，使用过程中还需要测量液位，电热管和水直接接触，每个电热管接头存在泄露风险。因此，其安全风险较高。

发明内容

本申请提供了一种结构简单紧凑、传热效率高、水量可根据加载功率和温度反馈精确供给的直流蒸发方案。

根据本申请的第一方面，提供了一种直流蒸发散热式模拟电负载系统，包括：

储水单元，被配置用于存放要供给的水；

供水单元，被配置用于提供供水压力并调节从所述储水单元提供给直流蒸发单元的供水流量；

直流蒸发单元，被配置用于提供模拟负载，以及利用来自模拟负载的热量将供水转换成水蒸汽并排放至机外；以及

控制单元，被配置用于控制所述直流蒸发散热式模拟电负载系统的各部件的运行；

其中，所述控制单元通过调节所述供水单元中的流量调节阀使供水流量和所述直流蒸发单元的加载功率相匹配且所述直流蒸发单元的温度也被控制在要求的区间范围内。

根据本申请的第二方面，提供了一种用于如第一方面所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统的控制方法，包括：

在控制单元的控制下：

打开储水单元中的出水阀；

启动供水单元的供水泵以产生压力，从而将储水箱内的水经由由流量传感器和流量调节阀串联组成的流量输出通路持续泵向各个直流蒸发器；

直流蒸发器中的电热管按照加载功率需求接通工作，以提供模拟负载；

由所述电热管在加载功率时所产生的热量经由热载体传递给蒸发管；

所述蒸发管通过所述热量被加热，使得流经所述蒸发管内的水加热至汽化，形成水蒸汽；

所述蒸发管中的所述水蒸汽经由蒸汽排放口被排出至舱外大气；

其中所述控制单元通过调节所述供水单元中的流量调节阀使供水流量和所述加载功率相匹配且所述直流蒸发器的温度也被控制在要求的区间范围内。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图说明

为了描述可获得本申请的上述和其它优点和特征的方式，将通过参考附图中示出的本申请的具体实施例来呈现以上简要描述的本申请的更具体描述。可以理解，这些附图只描绘了本申请的各典型实施例，并且因此不被认为是对其范围的限制，将通过使用附图并利用附加特征和细节来描述和解释本申请，在附图中：

图1示出了根据本申请的一个实施例的直流蒸发散热式模拟电负载系统的示意结构俯视图。

图2示出了图1所示的直流蒸发散热式模拟电负载系统中的直流蒸发器的示意具体结构正面图。

图3示出了根据本申请的一个实施例的用于直流蒸发散热式模拟电负载系统的示意控制方法流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术中的上述问题，本申请提供一种直流蒸发散热式模拟电负载系统，该系统采用基于蒸发管的直流蒸发方案，与基于蒸发罐的池沸腾式蒸发方案相比，本申请的直流蒸发方案结构简单紧凑，传热效率高，水量可根据加载功率和温度反馈精确供给，解决了池沸腾式蒸发方案蒸发罐体积大、罐内存在大量高温沸腾液体、飞行中罐内高温沸腾液体受飞机姿态影响大、安全风险高等诸多问题。

下面结合附图1中给出的较佳实施例，对本申请的方案予以详细描述。

本申请的直流蒸发散热式模拟电负载系统的示意结构如图1所示，其主要包括储水单元10、供水单元20和直流蒸发单元30三大部分。

其中，所述储水单元10主要被配置用于存放要供给的水。具体而言，所述储水单元10包括储水箱13、进水阀12、出水阀14、补水接口11以及将这些部件相连的管道。其中，所述储水箱13用于储存要向直流蒸发单元30供给的水。在储水箱13的两端分别配置有进水阀12、出水阀14，其分别用于控制储水箱13中的水的流入和流出。储水箱13的体积和数量可以根据储水量需求来配置。而储水量需求则与所述模拟电负载系统在测试期间施加的模拟负载功率大小和加载测试的时间长短等因素相关联。原则上，所述模拟负载功率越大、加载时间越长，则储水箱13就越大或者数量就越多。这都可以根据试飞负载测试的实际需求和机型的实际空间布局要求来设计。

另外，所述进水阀12通过管道与补水接口11相连，因此，当储水箱13的水量低于预定值时，可以通过补水接口11进行补水，从而避免了储水箱13干涸的问题。并且，所述补水机制也可以在一定程度上减少储水箱13的体积和数量。所述预定值可以根据实际需求来设定，例如20％。

供水单元20，主要被配置用于提供供水压力并调节从所述储水单元10提供给直流蒸发单元30的供水流量。所述供水单元20包括供水泵21、溢流阀22、压力传感器23、流量传感器24和流量调节阀25以及将这些部件相连的管道。供水泵21通过管道与储水箱13的出水阀14相连，用于为供水提供压力。溢流阀22被连接在供水泵21的两端，用于维持供水单元恒定的输出压力。压力传感器23与供水泵21的出水端相连，用于测量供水单元的输出压力。与供水泵21的出水端相连的一个流量传感器24和一个流量调节阀25串联组成了一路流量输出通路，其中流量调节阀25用于调节供水流量，流量传感器24用于实时测量供水流量。应该理解，尽管在图1中示出了3路流量输出通路，但所述路数只是出于说明的目的给出，并不是要局限于此。流量输出通路的具体路数可根据试飞测试的实际需求来配置。例如所述流量输出通路的具体路数与所述模拟电负载系统在测试期间施加的模拟负载功率大小和加载测试的时间长短等因素相关联，可以根据具体情况来做出适应性修改。

直流蒸发单元30，主要被配置用于利用来自模拟负载的热量将供水转换成水蒸汽并排放至机外。所述直流蒸发单元30包括一个或多个直流蒸发器和与之相连的单向阀38。如图2所示，示例的直流蒸发单元30包括3个直流蒸发器30-1、30-2和30-3。应该理解，尽管在图1中示出了3个直流蒸发器30-1、30-2和30-3，但所述数量只是出于说明的目的给出，并不是要局限于此。直流蒸发器的具体个数可根据试飞测试的实际需求来配置。例如所述直流蒸发器的个数和大小与所述模拟电负载系统在测试期间施加的模拟负载功率大小和加载测试的时间长短等因素相关联，可以根据具体情况来做出适应性修改。通常，所述直流蒸发器的个数与流量输出通路的路数是彼此一一对应的，如图1所示，可以统筹考虑和设计。

在图2中示出了直流蒸发器的示例结构。如图所示，所述直流蒸发器包括电热管31、蒸发管32、热载体33、隔热材料34、温度传感器35、压力调节阀36、蒸汽排放口37以及将这些部件相连的管道。电热管31和蒸发管32通过铸造等成型工艺安装在热载体33内。电热管31用于提供模拟负载，消耗飞机多余的电能。其加载的功率由飞机电源系统剩余的功率决定。蒸发管32用于为水的蒸发提供换热通道，使管内的水充分吸收热量。热载体33使用导热性能良好的金属材料制成，用于将电热管的热量传导给蒸发管32；隔热材料34用于隔绝来自热载体33的热量向客舱发散，同时把直流蒸发单元30的表面温度控制在合适的范围内，避免烫伤等危险。压力调节阀36用于控制蒸发管32内的压力以改变蒸发效率。蒸汽排放口37和飞机舱外大气连通，用于将热蒸汽排出至机外。

直流蒸发器的进水口通过单向阀38与供水单元20的流量输出相连，所述单向阀38用于向蒸发管32供水，同时防止蒸发管32内的水或蒸汽发生逆向流动。

除了在图1和图2中示出的这些部件之外，应该理解，还存在一个控制单元(未示出)从整体上对所述直流蒸发散热式模拟电负载系统的各部件的运行进行控制。所述控制单元通过线缆与直流蒸发散热式模拟电负载系统的相应部件进行通信以发送和/或接收数据和指令。具体而言，所述控制单元接收来自各个传感器(例如压力传感器23、流量传感器24、温度传感器35……)的传感数据，对这些传感数据进行分析，并根据分析的结果向对应的部件(例如流量调节阀25、压力调节阀36等)发送控制指令以调节流量和压力，从而使得系统能够正常运作。所述控制单元的具体功能将结合直流蒸发散热式模拟电负载系统的下述示例控制流程来具体阐述。

下面结合图1和图2中所示的直流蒸发散热式模拟电负载系统的示意结构来具体说明下其示例的控制方法流程，如图3所示。

当系统开始工作时，在控制单元的控制下：

首先，在步骤302中，打开储水单元10中的出水阀14。

随后，在步骤304中，启动供水单元20的供水泵32以产生压力，从而将储水箱13内的水经由由流量传感器24和流量调节阀25串联组成的流量输出通路持续泵向各个直流蒸发器30-1、30-2和30-3。

接着，在步骤306中，直流蒸发器中的电热管31按照加载功率需求接通工作，以提供模拟负载。

随后，在步骤308中，电热管31在加载功率时所产生的热量经由热载体33传递给蒸发管32。

然后，在步骤310中，蒸发管32通过热量加热而温度升高，使得流经蒸发管32内的水加热至汽化，形成水蒸汽。

最后，在步骤312中，蒸发管32中的水蒸汽经由蒸汽排放口37被排出至舱外大气。

其中，当直流蒸发散热式模拟电负载系统开始运作(执行上述步骤)时，还提供了流量监控步骤314，即控制单元根据来自流量传感器24的实时测量的供水流量数据、直流蒸发器的加载功率以及来自温度传感器35的温度反馈数据进行相应的分析以得出能够使供水流量和直流蒸发单元的加载功率相匹配，并且温度也被控制在要求的区间范围内的目标供水流量，并通过调节流量调节阀25以达到该目标供水流量。

举例而言，例如，如果加载功率为W(单位kw)，水的汽化热为K(单位kJ/kg)，对应的沸点为T，而温度增量被表示为ΔT。则基础供水流量q的计算公式为：q＝W/K(单位kg/s)。

在确定了基础供水流量q之后，还要根据检测到的直流蒸发器内的温度对所述基础供水流量q进行微调，以满足温度也被控制在区间范围内的要求。其中当检测到的温度高于T+ΔT时，即直流蒸发器内的温度超出沸点温度达预定的温度增量，这表明直流蒸发器内的蒸发量大于供水量，产生过热蒸汽。因此，需要在基础供水流量q上适当提高流量。

同理，当检测到的温度低于T-ΔT时，这表明直流蒸发器内的供水量大于蒸发量，蒸发不充分，从而导致其内部温度降低。因此，需要在基础供水流量q上适当减小流量。

所述微调后的基础供水流量q就是所述目标供水流量。通过上述对供水流量的调节，可以使温度平衡在T-ΔT和T+ΔT的范围内。其中，应该理解，所述温度增量ΔT的大小可以根据实际需求来设定，设计人员可以根据试飞要求、直流蒸发器的体积、功率等因素来设定可接受的温度变化范围。

这样，通过使用经过如上调整后的目标供水流量，直流蒸发器中的电热管31发热量和蒸发散热量可被维持在平衡状态，也即每单位时间内进入到蒸发管32内的液体水的量与加热后变成水蒸汽的量保持平衡。而且，由于管内仅存在少量的高温沸腾的水的蒸发管32进一步被整体封闭在热载体33内，而热载体33又被隔热材料34与机舱环境隔离开，因此，所述直流蒸发散热式模拟电负载系统的安全性好，可靠性高。

所述流量监控步骤314可以在直流蒸发散热式模拟电负载系统的整个工作阶段中，以某个时间间隔周期性地执行，以实现电热管31发热量和蒸发散热量的动态平衡。

另外，在一个较佳实施例中，所述控制方法流程还可以包括补水步骤(在图3中未示出)。在该步骤中，控制单元判断储水单元10中的储水箱13中的水位是否达到预定水平。如果储水箱13中的水位低于预定水平，则控制单元向补水接口11发送开启指令，以便为储水箱13补水。该步骤可以在直流蒸发散热式模拟电负载系统的整个工作阶段以例如某个时间间隔周期性地执行以实现对储水箱13的及时补水，避免系统出现“干烧”的情况。

还有，在另一个较佳实施例中，所述控制方法还可以包括压力调节步骤(在图3中未示出)，即所述控制单元可以通过调节压力调节阀36来控制蒸发管32内的压力以改变蒸发效率。例如，当新的试飞测试中的模拟负载的功率较大时，可以通过调节压力调节阀36加大蒸发管32内的压力(进而加快水蒸汽流动和排放速度)，以提高蒸发效率。此时，控制单元还会通过执行流量监控步骤314来获得新的目标供水流量，使供水流量和加载功率相匹配且温度也被控制在要求的区间范围内。相反，如果新的试飞测试中的模拟负载的功率较小时，可以通过调节压力调节阀36减小蒸发管32内的压力(进而减缓水蒸汽流动和排放速度)，以降低蒸发效率。此时，控制单元再次执行流量监控步骤314来获得新的目标供水流量，使供水流量和加载功率相匹配且温度也被控制在要求的区间范围内。

通过上述解释和说明不难理解，本申请的直流式蒸发散热方案采用流动沸腾方式蒸发，优点是结构简单紧凑、传热效率高、无大量高温液体，受飞机姿态影响小，使用时只要监控温度，不用测量液位，蒸发管和电热管都整体铸造在热载体内，不会发生破裂或泄露，可靠性和安全性都比较高。

还有，通过使用本申请的直流蒸发散热式模拟电负载系统，在进行加载时产生大量的热量被转换成了水蒸汽形式耗散到了大气中，而且，蒸发管和电热管整体被铸造封闭在热载体(进而又被封闭在隔热材料)内，管内仅存在少量的高温沸腾的水，因此，在试飞飞机进行比较激烈的机动时，整个直流蒸发单元的重心不会发生明显偏移，避免了潜在的危险。所以，与传统的基于蒸发罐的池沸腾式蒸发散热方案相比，体积更小、所需接头更少，且安全性更好，可靠性也更高。

虽然以上描述了不同的实施例，但应当理解的是它们只是作为示例而非限制。(诸)相关领域的技术人员将领会，在不偏离如所附权利要求书所定义的本申请的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面进行各种修改。因此，此处所公开的本申请的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (9)

1.一种直流蒸发散热式模拟电负载系统，包括：

储水单元，被配置用于存放要供给的水；

供水单元，被配置用于提供供水压力并调节从所述储水单元提供给直流蒸发单元的供水流量；

直流蒸发单元，被配置用于提供模拟负载，以及利用来自模拟负载的热量将供水转换成水蒸汽并排放至机外；以及

控制单元，被配置用于控制所述直流蒸发散热式模拟电负载系统的各部件的运行；

其中，所述控制单元通过调节所述供水单元中的流量调节阀使供水流量和所述直流蒸发单元的加载功率相匹配且所述直流蒸发单元的温度也被控制在要求的区间范围内。

2.如权利要求1所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统，其特征在于，其中

所述储水单元包括储水箱、进水阀、出水阀以及补水接口；

所述供水单元包括供水泵、溢流阀、压力传感器、流量传感器以及流量调节阀；并且

所述直流蒸发单元包括直流蒸发器和与所述直流蒸发器相连的单向阀，并且所述直流蒸发器包括电热管、蒸发管、热载体、隔热材料、温度传感器、压力调节阀以及蒸汽排放口。

3.如权利要求2所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统，其特征在于，其中所述控制单元根据来自所述流量传感器的实时测量的供水流量数据、所述直流蒸发器的加载功率以及来自所述温度传感器的温度反馈数据进行分析以得出目标供水流量，并通过调节所述流量调节阀以达到所述目标供水流量。

4.如权利要求2所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统，其特征在于，其中所述控制单元判断所述储水单元中的所述储水箱中的水位是否达到预定水平，并且如果所述储水箱中的水位低于所述预定水平，则所述控制单元向所述补水接口发送开启指令，以便为所述储水箱补水。

5.如权利要求2所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统，其特征在于，所述控制单元通过调节所述压力调节阀来控制所述蒸发管内的压力以改变蒸发效率。

6.一种用于如权利要求1-5中任一权利要求所述的直流蒸发散热式模拟电负载系统的控制方法，包括：

在控制单元的控制下：

打开储水单元中的出水阀；

启动供水单元的供水泵以产生压力，从而将储水箱内的水经由由流量传感器和流量调节阀串联组成的流量输出通路持续泵向各个直流蒸发器；

直流蒸发器中的电热管按照加载功率需求接通工作，以提供模拟负载；

由所述电热管在加载功率时所产生的热量经由热载体传递给蒸发管；

所述蒸发管通过所述热量被加热，使得流经所述蒸发管内的水被加热至汽化，形成水蒸汽；

所述蒸发管中的所述水蒸汽经由蒸汽排放口被排出至舱外大气；

其中所述控制单元通过调节所述供水单元中的流量调节阀使供水流量和所述加载功率相匹配且所述直流蒸发器的温度也被控制在要求的区间范围内。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述控制单元根据来自流量传感器的实时测量的供水流量数据、所述直流蒸发器的加载功率以及来自温度传感器的温度反馈数据进行分析以得出目标供水流量，并通过调节所述流量调节阀以达到所述目标供水流量。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述控制单元判断所述储水单元中的储水箱中的水位是否达到预定水平，并且如果所述储水箱中的水位低于所述预定水平，则所述控制单元向补水接口发送开启指令，以便为所述储水箱补水。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述控制单元通过调节所述直流蒸发器中的压力调节阀来控制所述蒸发管内的压力以改变蒸发效率。