用于浮空器的相变工质、浮空器浮力调控系统和调控方法

1.本发明涉及浮空器技术领域，尤其涉及一种用于浮空器的相变工质、浮空器浮力调控系统和调控方法。


背景技术：

2.平流层浮空器是工作于海拔高度20km～40km范围平流层空间的浮空器，持久稳定驻空能力是平流层浮空器的关键性能。然而受昼夜不同的太阳辐射和地球反照等外部热环境影响，浮空器内部昼夜温度变化剧烈，引起“超热”和“超压”现象，使浮空器浮力因昼夜大幅变化，偏离设定高度。比如工作在海拔20km的浮空器，由超热引起的昼夜高度变化可达10km。导致平流层浮空器无法长航时平稳驻空。传统的浮空器浮力调节手段如主气囊放气、抛压舱物等，但其具有不可逆性，仍然无法实现浮空器长时驻空。


技术实现要素：

3.本发明提供一种用于浮空器的相变工质、浮空器浮力调控系统和调控方法，用以解决现有技术中平流层浮空器无法长时驻空的问题。
4.本发明提供一种用于浮空器的相变工质，包括：
5.氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物与氨形成的混合物，所述混合物可发生气液相变的最低压力低于氨三相点压力。根据本发明提供的一种用于浮空器的相变工质，所述混合物包括二氟乙烷、四氟乙烷、三氟甲烷、乙炔、甲醇和乙醇中的至少一种以及氨。
6.根据本发明提供的一种用于浮空器的相变工质，所述混合物的摩尔质量小于空气的摩尔质量。
7.本发明还提供一种浮空器浮力调控系统，包括：
8.相变气囊，所述相变气囊内收容有相变工质，所述相变工质为上述任一种相变工质；
9.相变转换单元，包括外壳和换热装置，所述外壳内设有容置空间，所述容置空间与所述相变气囊相连通形成密闭的相变工质循环回路，所述换热装置的换热端设于所述容置空间内；
10.其中，所述换热装置用于给所述容置空间内的所述相变工质制热，以使所述容置空间内液态的所述相变工质转换为气态；所述换热装置还用于给所述容置空间内的所述相变工质制冷，以使所述容置空间内气态的所述相变工质转换为液态。
11.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控系统，所述换热装置包括依次连接的压缩机、四通阀、冷凝器、节流毛细管和热交换器，形成封闭的制冷剂循环回路，所述热交换器设于所述容置空间内。
12.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控系统，所述相变转换单元还包括：循环风机和变频器；所述相变气囊通过进气管道和回流管道与所述容置空间相连通形成所述相变
工质循环回路，所述循环风机设于所述进气管道上，所述变频器与所述循环风机连接。
13.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控系统，还包括控制单元、压力监测单元和温度监测单元，所述压力监测单元、所述温度监测单元和所述换热装置分别与控制单元通信连接。
14.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控系统，所述换热装置包括：电加热器，所述电加热器设于所述容置空间内，用于给所述容置空间内的所述相变工质制热。
15.本发明实施例还提供一种浮空器浮力调控方法，应用于上述任一种浮空器浮力调控系统，所述相变气囊设于主气囊的内，所述浮空器浮力调控方法包括：
16.获取主气囊的内部压力和浮空器所处的大气环境压力；
17.根据所述主气囊的内部压力和所述大气环境压力确定所述相变气囊的目标体积；
18.根据所述目标体积控制所述换热装置对所述容置空间内的所述相变工质进行制热或制冷。
19.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控方法，在根据所述目标体积控制所述换热装置对所述容置空间内的所述相变工质进行制热或制冷的同时，还包括：
20.根据所述目标体积控制变频器调节循环风机的转速。
21.根据本发明提供的一种浮空器浮力调控方法，所述根据所述主气囊的内部压力和所述大气环境压力确定所述相变气囊的目标体积，包括：
22.获取浮空器所处大气环境的昼夜温度并记录，生成历史温度变化数据，记录所述浮空器浮力调控系统的历史运行数据；
23.根据所述历史温度变化数据和所述历史运行数据，确定所述相变气囊的目标体积或将所述相变气囊调节到所述目标体积所需的目标时间；
24.基于所述目标体积或所述目标时间确定所述相变转换单元的运行参数，根据所述运行参数控制所述相变转换单元运行。
25.本发明提供的用于浮空器的相变工质、浮空器浮力调控系统和调控方法，通过在氨工质中添加氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物，得到一种混合相变工质，该混合相变工质能够在氨三相点压力之下直接通过温度调节实现工质的气液相变，从而调节浮空器的浮力，无需在浮力调控系统总额外引入多级增压装置，减小了浮力调控系统的重量和功耗。克服了由于浮空器处于的大气环境压力低于氨三相点压力导致氨无法通过直接降温液化的问题。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1是本发明提供的用于浮空器的相变工质的气液相平衡图；
28.图2是本发明提供的用于浮空器的相变工质的固液相平衡图；
29.图3是本发明提供的浮空器浮力调控系统的结构示意图之一；
30.图4是本发明提供的浮空器浮力调控系统的结构示意图之二；
31.附图标记：
32.1、相变气囊；21、外壳；210、容置空间；221、压缩机；222、四通阀；223、冷凝器；224、节流毛细管；225、热交换器；226、过滤器；227、分离器；228、冷剂储罐；229、电加热器；23、循环风机；24、变频器。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.下面结合图1-图4描述本发明的用于浮空器的相变工质、浮空器浮力调控系统和调控方法。
36.相关技术中，通过在浮空器原常规充注氦气或空气的主气囊的基础上，增加充注氨工质的相变气囊，通过对氨工质进行制冷或制热，使氨工质连续、可逆地发生相变，以改变相变气囊的体积从而调节浮空器的整体浮力，实现浮空器长时驻空。
37.然而，在海拔20km(大气压力仅5.5kpa)及以上的环境压力低于氨三相点压力(6.1kpa)，无法通过直接降温的方法使氨液化，这样浮空器只能在低于氨三相点压力以下的海拔高度内实现长时驻空，限制了浮空器可应用的海拔高度。相关技术在浮空器的浮力调控系统中通过对氨工质进行多级增压，将氨工质增压到氨三相点压力之上后在进行降温。这样方式大大增加了由多级增压系统额外引入的功耗和重量，影响了浮力调控系统的实用性。
38.对此，本发明实施例提出一种用于浮空器的相变工质，通过在相变气囊内充注该相变工质，能够在不引入或尽量少引入额外的功耗和质量的情况下，实现平流层低气压环境中基于氨的工质气液相变，使平流层浮空器能够在更高海拔环境中实现长时稳定驻空。
39.本发明实施例提供的用于浮空器的相变工质包括氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物与氨形成的混合物，所述混合物可发生气液相变的最低压力低于氨三相点压力。
40.其中，氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物均能够与氨互溶，且分子量小、最小液化功小。氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物与氨混合后得到混的合相变工质，能够改变氨的热物理性质，使得该混合相变工质可发生气液相变的最低压力在浮空器工作的低压氨三相点压力的平流层环境压力之下。
41.本发明实施例提供的用于浮空器的相变工质，通过在氨工质中添加氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物，得到一种混合相变工质，该混合相变工质能够在氨三相点压力之下直接通过温度调节实现工质的气液相变，从而调节浮空器的浮力，无需
在浮力调控系统总额外引入多级增压装置，减小了浮力调控系统的重量和功耗。克服了由于浮空器处于的大气环境压力低于氨三相点压力导致氨无法通过直接降温液化的问题。氨作为气液相变工质分子量小、耗功小，有利于实现平流层低气压环境中高效化、轻量化的相变浮力调控。
42.本发明一些实施中，所述混合物包括二氟乙烷、四氟乙烷、三氟甲烷、乙炔、甲醇和乙醇中的至少一种以及氨。
43.本发明一些实施例中，所述混合物的摩尔质量小于空气的摩尔质量，这样可使相变工质的整体质量较轻，有利于相变浮力调控系统的轻量化。
44.作为一具体示例，混合物由氨和二氟乙烷混合而成。以在海拔高度20km的气压5.5kpa的环境为例，氨和二氟乙烷以不同比例混合得到的相变工质在不同温度下的气液相平衡图如图1所示，在不同温度下的固液相平衡图如图2所示。
45.从图1可以看出，氨和二氟乙烷以体积比为8:2的比例混合得到的相变工质在-79.7℃以下被液化。从图2可以看出，氨和二氟乙烷以体积比为8:2的比例混合得到的相变工质在-118℃以上均处于液态。也就是说，在5.5kpa压力下，氨和二氟乙烷以8:2的比例混合形成的相变工质能够通过将相变工质降温至-79.7℃～-118℃之间实现液化。
46.从图1可以看出，氨与二氟乙烷以体积比为9:1的比例混合得到的相变工质在79.3℃以下可以被液化。从图2可以看出，氨与二氟乙烷以体积比为9:1的比例混合得到的相变工质在-100℃以上均处于液态。也就是说，在5.5kpa压力下，氨和二氟乙烷以9:1比例混合形成的相变工质能够通过将相变工质降温至-79.3℃～-100℃之间实现液化。
47.本技术一些实施例中，在5.5kpa的气压环境下，氨与二氟乙烷的体积比为8:2～9:1。其中，氨的摩尔质量为17g/mol，二氟乙烷的摩尔质量为66g/mol，氨与二氟乙烷以8:2的比例混合得到的相变工质的摩尔质量为26.8g/mol，氨与二氟乙烷9:1的比例混合得到的相变工质的摩尔质量为22.2g/mol，均低于空气的摩尔质量。
48.需要说明的是，本发明实施例中的氨和二氟乙烷并不局限于上述混合比例，也不局限于混合物的摩尔质量小于空气的摩尔质量。氢氟烃、烯烃、炔烃和醇类化合物中的至少一种化合物与氨的混合比例，可根据浮空器工作的大气环境压力对应的混合相变工质的气液相平衡图和固液相平衡图进行选择，以混合后的工质可发生气液相变的最低压力在浮力调工作所处的平流层环境压力之下为准，使得能够通过调节混合相变工质温度的方式使其发生气液可逆相变。
49.其他种类的氢氟烃、烯烃、炔烃以及醇类化合物与二氟乙烷具有相似的性质，其中任一种与氨混合形成的混合相变工质与二氟乙烷和氨混合形成的混合相变工质具有同图1和图2相似的气液相平衡图和固液相平衡图，在此不再一一举例。
50.如图3和图4所示，本发明实施例还提出一种浮空器浮力调控系统，该浮空器浮力调控系统包括相变气囊1和相变转换单元。相变气囊1内收容有相变工质，该相变工质为上述任一实施例所述的相变工质。相变转换单元包括外壳21和换热装置。外壳21内设有容置空间 210，容置空间210与相变气囊1相连通形成密闭的相变工质循环回路，换热装置的换热端设于所述容置空间210内，用于与容置空间 210内与相变工质进行热交换。
51.其中，换热装置用于给容置空间210内的相变工质制热，以使容置空间210内液态的相变工质转换为气态。换热装置还用于给容置空间210内的相变工质制冷，以使容置空间
210内气态的相变工质转换为液态。
52.其中，相变气囊1用于设置在浮空器的主气囊内部。当主气囊受热压力升高时，通过降温液化相变气囊1内的相变工质以减小相变气囊1的体积，从而降低主气囊的压力。当主气囊压力降低时，通过升温汽化相变气囊1内的相变工质以增大相变气囊1的体积，从而升高主气囊的压力。
53.若需降低浮空器浮力，则使换热装置运行在制冷工况，其换热端为容置空间210内的相变工质提供冷量，使相变工质降温液化，从而减少相变工质循环回路内的气态相变工质，使相变气囊的体积减小，浮力降低。
54.若需增加浮空器浮力，则使换热装置运行在制热工况，其换热端为容置空间210内的相变工质提供热量，使相变工质升温汽化，从而增多相变工质循环回路内的气态相变工质，使相变气囊的体积增大，浮力升高。
55.本发明一些实施例中，换热装置包括依次相连的压缩机221、四通阀222、冷凝器223、节流毛细管224和热交换器225，形成封闭的制冷剂循环回路。其中，热交换器225设于容置空间210内。热交换器225作为换热装置的一个换热端与容置空间210内的相变工质进行换热。
56.其中，换热装置还包括过滤器226、分离器227和冷剂储罐228。节流毛细管224设于冷凝器223和热交换器225之间的连接管路上，过滤器226设于冷凝器223和节流毛细管224之间的连接管路上。分离器227设于四通阀222和压缩机221入口的连接管路上，冷剂储罐 228设于分离器227和压缩机221入口之间的连接管路上。
57.如图3所示，若需降低浮空器的浮力，切换四通阀222进入制冷循环。制冷剂在压缩机221内压缩后进入冷凝器223进行散热，然后经过滤器226过滤以及节流毛细管224节流后进入热交换器225，热交换器225内的低温制冷剂吸收容置空间210内温度相对较高的相变工质的热量后，经分离器227回流到压缩机221，形成制冷循环回路。在此过程中，容置空间210内的相变工质被热交换器225冷却到液化温度后液化，从而使相变气囊1的浮力降低。
58.如图4所示，若需增加浮空器的浮力，切换四通阀222进入制热循环。制冷剂在压缩机221内压缩后进入热交换器225，热交换器225 内的高温制冷剂将热量释放给容置空间210内温度相对较低的相变工质后，经节流毛细管224节流以及过滤器226过滤后进入冷凝器 223，在冷凝器223内吸热后回流到压缩机221，形成制热循环回路。在此过程中，容置空间210内的相变工质被热交换器225加热到汽化温度后汽化，从而使相变气囊1的浮力升高。
59.可选地，热交换器225采用结构紧凑的微通道换热器，其翅片上设有若干通孔，比如百叶窗或其他形式的开孔，翅片的间距较常规微通道换热器更密集。可选地，热交换器225的材料采用铝。
60.可选地，制冷剂循环回路中的制冷剂采用的对臭氧层无破坏、沸点与平流层大气环境接近且系统效率和容积制冷量高的制冷剂，可选的，制冷剂为乙烷或乙烯，或乙烷和乙烯的混合物。
61.本发明一些实施例中，相变转换单元还包括循环风机23和变频器24。相变气囊1通过进气管道和回流管道与容置空间210相连通形成相变工质循环回路。循环风机23设于进气管道上，变频器24与循环风机23连接。循环风机23用于为处于气态的相变工质循环提供动力。
62.循环风机23可以在平流层的低温低气压环境下正常工作。通过变频器24调节循环风机23的频率，从而调节相变工质循环回路中的气态相变工质的流动速度，以改变热交换器225在相变工质侧的表面对流换热系数，以调节相变工质汽化或液化的速率，实现高效率相变浮力调控。
63.本发明一些实施例中，换热装置包括电加热器229。电加热器229 设于容置空间210内，用于给容置空间210内的相变工质制热。电加热器229作为换热装置的一个换热端，可以为电加热丝。
64.其中，换热装置可仅依靠电加热器229对容置空间210内的相变控制进行制热，也可作为辅助换热器与上述实施例中的热交换器225 共同对容置空间210内的相变控制进行制热。
65.当换热装置仅依靠电加热器229对容置空间210内的相变控制进行制热时，换热装置还包括电制冷器，比如电制冷器为半导体制冷器。利用珀尔帖效应对容置空间210内的相变控制进行制冷。当然，在换热装置包括上述制冷剂循环回路的基础上，也可以设置电制冷器，作为辅助制冷器与上述实施例中的热交换器225共同对容置空间210内的相变控制进行制冷。
66.在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的浮空器浮力调控系统还包括控制单元、压力监测单元和温度监测单元，压力监测单元、温度监测单元和换热装置分别与控制单元通信连接。
67.其中，压力监测单元用于监测相变气囊1的内部压力、浮空器所处的大气环境压力以及节流毛细管224的节流前后压力。温度监测单元用于监测相变气囊1的内部温度、浮空器所处的大气环境温度、节流毛细管224的节流前后温度、热交换器225的壁面温度以及压缩机 221的壁面温度、吸气温度和排气温度。控制单元用于根据压力监测单元采集到的压力数据和温度监测单元采集到的温度数据判断浮力调控系统工作的安全性和稳定性。
68.上述实施例中的循环风机23、变频器24和电加热器229也与控制单元通信连接。控制单元还可通过变频器24调节循环风机23的转速来调节相变工质的气液相变速率。在制冷剂循环回路工作在制热循环时，还可开启电加热器229进行辅助加热，以加快相变工质的汽化速度。
69.本发明实施例还提供一种浮空器浮力调控方法，该浮空器浮力调控方法应用于上述浮空器浮力调控系统，相变气囊1设于浮空器的主气囊的内，该浮空器浮力调控方法包括步骤：
70.s100，获取主气囊的内部压力和浮空器所处的大气环境压力；
71.s200，根据主气囊的内部压力和所述大气环境压力确定所述相变气囊的目标体积；
72.s300，根据所述目标体积控制换热装置对容置空间210内的相变工质进行制热或制冷。
73.浮空器在工作时，当浮空器所处的大气环境温度升高时，主气囊内填充气体的温度迅速升高，使主气囊的内部压力增大。当主气囊的内部压力大于所处大气环境压力时，主气囊的体积增大，会导致浮空器的浮力增大。当浮空器所处的大气环境温度降低时，主气囊内填充气体的温度迅速降低，使主气囊的内部压力减小。当主气囊的内部压力小于所处大
气环境压力时，主气囊的体积缩小，会导致浮空器的浮力减小。
74.其中，可通过上述实施例中的压力监测单元监测主气囊的内部压力和浮空器所处的大气环境压力。
75.本发明实施例根据主气囊的内部压力和浮空器所处的大气环境压力判断主气囊的内部压力是否相对大气环境压力发生变化。若发生变化，则根据主气囊的内部压力和大气环境压力确定相变气囊1的目标体积，通过换热装置使相变气囊1内的相变工质发生气液相变，将相变气囊1的体积调整到目标体积，从而调节主气囊的浮力。
76.具体地，计算主气囊的内部压力与浮空器所处的大气环境压力的差值。若差值为正且大于预设差值时，表明主气囊的浮力增大，此时减小相变气囊的体积，以减小主气囊的内部压力；若差值为负且小于预设差值时，表明主气囊的浮力减小，此时增大相变气囊的体积，以增大主气囊的内部压力。如此，使主气囊的内部压力保持在大气环境压力的设定区间范围内，实现浮空器的稳定驻空。
77.进一步地，步骤s100还包括获取相变气囊1的内部压力、节流毛细管224的节流前后压力、相变气囊1的内部温度、节流毛细管 224的节流前后温度、热交换器225的壁面温度以及压缩机221的壁面温度、吸气温度和排气温度。根据这些压力数据和温度数据判断浮力调控系统工作的安全性和稳定性，若出现压力或温度异常时发出预警信息。
78.其中，s300中所述的根据所述目标体积控制所述换热装置对所述容置空间内的所述相变工质进行制热或制冷的同时还包括：根据所述目标体积控制变频器24调节循环风机23的转速。例如，当目标体积较大时，可控制变频器24增大循环风机23的转速，加速相变工质的相变速度，使相变气囊1能够在较短时间内调整到目标体积。
79.进一步地，步骤s200中所述的根据所述主气囊的内部压力和所述大气环境压力确定所述相变气囊的目标体积，包括：
80.s210，获取浮空器所处大气环境的昼夜温度并记录，生成历史温度变化数据，记录所述浮空器浮力调控系统的历史运行数据。
81.s220，根据所述历史温度变化数据和所述历史运行数据，确定相变气囊1的目标体积或将相变气囊1调节到所述目标体积所需的目标时间。
82.s230，基于所述目标体积或所述目标时间确定所述相变转换单元的运行参数，根据所述运行参数控制所述相变转换单元运行。
83.具体地，可通过上述实施例中的温度监测单元实时采集浮空器所处的大气环境温度数据，生成历史温度变化数据。记录浮空器浮力调控系统在不同温度工况下的运行数据(包括每一次对相变气囊1进行体积调节的相关运行参数)，建立历史温度变化数据与历史运行数据的对应关系。
84.在浮空器运行过程中，根据历史温度变化数据提前预判温度的变化，根据预判的温度以及历史温度变化数据和历史运行数据的对应关系，确定将要调节的相变气囊1的目标体积。根据该目标体积确定相变转换单元的运行参数，根据该运行参数控制相变转换单元运行。本实施例提供的浮空器浮力调控方法能够实现对主气囊浮力变化的提前预判、提前调控，实现对浮空器的浮力进行高效精准控制。
85.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。