【摘要】：圓筒倉在國防領(lǐng)域有重要應(yīng)用,如車載圓筒倉和地下圓筒倉。圓筒倉內(nèi)有精密設(shè)備,需高效熱控系統(tǒng)將其內(nèi)部溫度維持在20 ℃附近。同時(shí),圓筒倉的紅外隱身是保證相關(guān)裝備安全的重要前提。為此,我們進(jìn)行了如下工作。提出了將液體盤管熱控系統(tǒng)應(yīng)用于車載圓筒倉的設(shè)想,設(shè)計(jì)、構(gòu)建并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了車載圓筒倉液體熱控系統(tǒng)模型,通過仿真和工程計(jì)算比較了該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的氣體熱控系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下,氣體熱控系統(tǒng)中的壓降主要來自換熱器,而液體熱控系統(tǒng)中的壓降則主要來自主體部分,氣體熱控系統(tǒng)的流動(dòng)能耗為液體熱控系統(tǒng)的21.8倍。液體和氣體熱控系統(tǒng)的熱耗均主要來自主體部分,且總熱耗相差較小。由于流動(dòng)能耗的差別,液體熱控系統(tǒng)的能效在春、夏和冬季分別為氣體熱控系統(tǒng)的11.6、10.3和3.8倍。液體熱控系統(tǒng)的應(yīng)用可在春、夏和冬季分別節(jié)能93.2%、88.7%和71.3%,平均一年可節(jié)能85%以上。另外,液體熱控系統(tǒng)全面壓縮了目標(biāo)表面的溫度波動(dòng)范圍。在目標(biāo)表面溫度場的空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性方面,液體熱控系統(tǒng)在所有三個(gè)季節(jié)中均優(yōu)于氣體熱控系統(tǒng)。在空載啟動(dòng)狀態(tài)下,液體熱控系統(tǒng)可更好地控制車載倉的內(nèi)表面溫度,而氣體熱控系統(tǒng)則可更好地控制倉內(nèi)的空氣溫度。但是,兩種系統(tǒng)均無法在5小時(shí)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在液體熱控系統(tǒng)中加裝混合風(fēng)扇可使其在2小時(shí)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。車載圓筒倉經(jīng)常在移動(dòng)之中,其周圍環(huán)境也隨之變化。因此,傳統(tǒng)的被動(dòng)紅外隱身技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的紅外隱身效果。我們提出并設(shè)計(jì)了將倉體與外界環(huán)境隔離的車載圓筒倉紅外隱身冷屏系統(tǒng)。該系統(tǒng)向環(huán)境空氣散熱,可以使其溫度跟隨環(huán)境空氣溫度,從而降低車載倉表面與地表之間的溫差,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)紅外隱身。我們計(jì)算分析了不同體積流率下的紅外隱身效果,發(fā)現(xiàn),在夏季,使用冷屏前一天中車載倉外表面和地表間的最大溫差為28.1 ℃;而使用冷屏后,體積流率為1.694 m3/h時(shí),最大溫差降低為9.3 ℃。在冬季,使用冷屏前一天中車載倉外表面和地表間的最大溫差為6.2 ℃;使用冷屏后,最大溫差無明顯變化,但是體積流率為0.906 m3/h時(shí)即可消除無冷屏?xí)r側(cè)面和端面連接處的熱斑。提出了將液體盤管熱控系統(tǒng)應(yīng)用于地下圓筒倉的設(shè)想,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了地下圓筒倉液體熱控系統(tǒng)模型,驗(yàn)證了模型中土壤周側(cè)面設(shè)置為絕熱邊界條件的合理性。通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn),在使用熱控系統(tǒng)前,在夏季,目標(biāo)表面的最大溫差可達(dá)11.9 ℃,與20 ℃的最大偏差有9.3 ℃;在冬季,目標(biāo)表面的最大溫差高達(dá)16.9℃,與20 ℃的最大偏差更是高達(dá)26.5 ℃。使用液體熱控系統(tǒng)后,在夏季,目標(biāo)表面的溫度范圍被壓縮到了19.3～20.0 ℃,在冬季則被壓縮到了19.1～19.7 ℃,均達(dá)到了溫控目標(biāo)。能耗分析發(fā)現(xiàn)熱耗為總能耗的主要部分,流動(dòng)功耗僅為0.64 kW·h,總能耗在夏季和冬季分別為70.96 kW·h和101.54 kW·h。設(shè)計(jì)了由60.55 m2太陽能集熱器和1.87 m3儲(chǔ)熱水箱組成的節(jié)能方案,在理想狀態(tài)下,能耗僅為水泵功耗。地下圓筒倉上表面(倉頂)與周圍地表基本齊平,只需在其上覆蓋薄層土壤即可得到與地表相同的紅外發(fā)射率。但倉頂與地表溫度則難以保持一致,原因主要有兩個(gè):一是倉蓋材料與土壤熱物性不同,倉頂與地表對相同的環(huán)境條件呈現(xiàn)不同的熱響應(yīng)特征;二是地下倉內(nèi)溫度需維持在20℃附近以保證倉內(nèi)設(shè)備正常工作,而周圍土壤溫度卻呈周期性變化。據(jù)此,我們設(shè)計(jì)了從上至下依次為模擬層和隔熱層的紅外偽裝斗篷。其中,模擬層用于模擬土壤地表對周圍環(huán)境的熱響應(yīng)特性,隔熱層則用于減弱地下圓筒倉內(nèi)部對模擬層下邊界的影響。計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)氧化鋁粉和硅橡膠的復(fù)合材料中氧化鋁粉體積分?jǐn)?shù)為3.18%時(shí),其熱慣量與土壤一致。通過仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn),模擬層厚度無需大于其熱穿透深度即可實(shí)現(xiàn)較好的紅外偽裝效果;而無隔熱層會(huì)導(dǎo)致冬季倉頂溫度不均勻,出現(xiàn)熱斑,影響紅外偽裝效果。分兩步優(yōu)化了斗篷中各層的厚度,并最終確定了模擬層和隔熱層的最優(yōu)厚度分別為22 cm和4 cm。使用最優(yōu)斗篷前,倉頂與地表最大溫差均出現(xiàn)在17時(shí),在夏季為1.59 ℃,在冬季為1.92 ℃;使用最優(yōu)斗篷后,倉頂與地表的最大溫差均出現(xiàn)在14時(shí),在夏季為0.31 ℃,在冬季為0.21 ℃。設(shè)計(jì)的紅外偽裝斗篷可實(shí)現(xiàn)地下圓筒倉全天候、全時(shí)段的被動(dòng)紅外偽裝。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN219;TJ5
【圖文】：

１．２．２福射板逡逑輻射板在暖通空調(diào)中又稱輻射冷卻系統(tǒng)，通常有輻射天花板和輻射地板，如逡逑圖１．２所示。Ｈｕａｎｇ等人［１４］對１９８７年至２０１４年期間發(fā)表的暖通空調(diào)（Ｈｅａｔｉｎｇ，逡逑ＶｅｎｔｉｌａｔｉｎｇａｎｄＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ，邋ＨＶＡＣ）方面的文章進(jìn)行了回顧。他們將這些文逡逑章分成了五大類：溫濕度獨(dú)立控制、分層通風(fēng)、儲(chǔ)熱、熱回收和間接蒸發(fā)冷卻。逡逑其中，溫濕度獨(dú)立控制最為熱門，是超過一半的文章的主題。溫濕度獨(dú)立控制中逡逑控制溫度采用的便是輻射冷卻。他們分析了溫濕度獨(dú)立控制的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一，傳逡逑統(tǒng)空調(diào)為了除濕需要非常低的冷凍水溫度，因此經(jīng)常出現(xiàn)“過度冷卻”的問題；逡逑而溫濕度獨(dú)立控制則沒有這個(gè)問題，可以降低能耗，提高舒適度；二，溫濕度獨(dú)逡逑立控制系統(tǒng)沒有利用冷凝來除濕，系統(tǒng)內(nèi)沒有潮濕區(qū)域，防止了霉菌滋生，而新逡逑風(fēng)僅用于去除水分、二氧化碳和異味，因此與變風(fēng)量系統(tǒng)相比，空氣流速較小，逡逑３逡逑

｜作逡逑Ｗ邋Ｗ邋％逡逑（ａ）空氣冷卻邐（ｂ）翅片冷卻邋（ｃ）間接液體冷卻邐（ｄ）直接液體冷卻逡逑圖１．１相同電池間隔下的不同冷卻方案Ｍ逡逑綜上所述，液體熱控系統(tǒng)是比氣體熱控系統(tǒng)更氋效的熱控系統(tǒng)。在圓筒倉中逡逑使用液體熱控系統(tǒng)有望解決現(xiàn)有系統(tǒng)能耗高和控溫效果差的問題。對于圓筒倉這逡逑種大型目標(biāo)，無法采用直接液體冷卻技術(shù)。因此，下文將重點(diǎn)介紹間接液體熱控逡逑技術(shù)。間接液體熱控系統(tǒng)主要有兩種形式：第一種為輻射板，常見于建筑等大型逡逑空間中，溫控液體流經(jīng)輻射板上的盤管，通過盤管與輻射板的導(dǎo)熱控制輻射板溫逡逑度，進(jìn)而通過對流和輻射對空間內(nèi)部進(jìn)行熱控；第二種為冷板，常見于芯片或電逡逑池等小型物體，溫控液體依然在冷板的管道中流動(dòng)，但是冷板則直接通過與目標(biāo)逡逑間的導(dǎo)熱對其進(jìn)行熱控。逡逑１．２．２福射板逡逑輻射板在暖通空調(diào)中又稱輻射冷卻系統(tǒng)，通常有輻射天花板和輻射地板，如逡逑圖１．２所示。Ｈｕａｎｇ等人［１４］對１９８７年至２０１４年期間發(fā)表的暖通空調(diào)（Ｈｅａｔｉｎｇ

ｉ３和丨８）通常都使用液體熱控系統(tǒng)［５５】。逡逑冷板在ＢＴＭ中的應(yīng)用形式有三種：嵌入電池單體［５６］、夾在相鄰電池之間［５７＿逡逑６Ｇ］和安裝在電池模塊的側(cè)面［６１，６２１，如圖１．３所示。對于嵌入電池單體內(nèi)的冷板，逡逑通道尺寸需足夠小以嵌入電池組件，并且由于復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，通道壁必須是化逡逑學(xué)惰性的。當(dāng)冷板夾在相鄰的電池之間時(shí)，厚度需足夠薄以更好地整合進(jìn)車輛。逡逑電池模塊的頂部需為電池之間的電連接提供位置，冷板通常與模塊的側(cè)面或底部逡逑進(jìn)行熱接觸。在這種情況下，電池可以夾在兩個(gè)散熱器之間，從而加強(qiáng)模塊與冷逡逑板間的熱傳遞。冷板為平板，可很容易地應(yīng)用于方形電池，但對于圓柱形電池則逡逑適用性較差。通常，冷板系統(tǒng)還需要為電池提供結(jié)構(gòu)支撐并集成到電池箱中，以逡逑便在電動(dòng)汽車中同時(shí)保證安全性和節(jié)省空間［６３）。逡逑▲逡逑Ｉ邋牛邐電池逡逑（ａ）嵌入電池單體邐（ｂ）夾在相鄰電池之間邐（ｃ）安裝在電池模塊側(cè)面逡逑圖１．３冷板在電池?zé)峁芾碇械牟煌渲梅绞骄W(wǎng)逡逑通道的結(jié)構(gòu)是影響冷板的熱性能和泵功耗的關(guān)鍵因素。冷板的通道結(jié)構(gòu)通常逡逑可分為并行和蛇形。Ｒａｏ和他的合作者們［６４］設(shè)計(jì)了一種基于冷板的ＢＴＭ系統(tǒng)，逡逑其中的微通道平行且等距分布。他們數(shù)值研究了通道數(shù)、質(zhì)量流率和流動(dòng)方向?qū)﹀义蠝厣蜏囟确植嫉挠绊懀▓D１．４（ａ））。此外

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本文編號(hào)：2791604