并联蒸发器环路热管实验研究_向艳超
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小型平板式环路热管的实验研究及蒸发器内部介观模拟
小型平板式环路热管的实验研究及蒸发器内部介观模拟环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)是一种利用工质相变传递热量的高效被动散热装置,具有传热能力强、传热热阻低、传输距离长、等温性好、无运动部件等优点,在高热流密度电子器件散热和航天器热控等方面具有广阔的应用前景。
本文首先介绍LHP的工作原理与工作特性,并分析蒸发器内的传热过程,阐述“背向导热”和“侧壁导热”造成的热漏对系统运行的影响。
为了减少“侧壁导热”对系统性能的影响,将蒸发器从原来的O型圈密封改变为焊接密封,系统的运行性能得到提高。
实验结果表明,在蒸发器壁面温度不超过85℃的条件下,系统最大运行热负荷从140W提高到240W。
为了降低“侧壁导热”和改善系统的启动性能,本文提出一种新型的双毛细芯蒸发器LHP系统。
基于此,设计蒸发器分别采用O型圈和焊接密封的两套实验系统,研究不同充灌率、热沉温度、工质和重力辅助倾角下的运行特征,并对系统的温度波动现象进行机理分析。
实验结果表明,双毛细芯蒸发器LHP系统能在10W的低热负荷下成功启动,运行中充灌率对系统运行模式的转变有着重要影响。
在重力辅助作用下,存在重力控制和毛细控制两种运行模式。
此外,在双毛细芯LHP系统的实验中还得到不同于以往系统的温度分布趋势。
通过实验分析得出,蒸发器背面毛细芯对系统运行的影响与加载的热负荷大小以及热负荷的加载方式有关。
为了解决多热源的散热问题,本文还设计和研制出一套并联式双蒸发器LHP系统,对其启动、变热负荷以及热分享等性能进行实验研究。
系统在两个蒸发器均施加热负荷的工况下,都能启动成功,并能在低热负荷下由波动运行转变为平稳运行。
高低热负荷搭配启动运行也展现出并联双蒸发器LHP系统的优势。
增加系统的充灌率,能够改善系统的启动性能。
系统内回流液的流向影响着系统的热分享性能。
本文通过实验烧结出具有高孔隙率和高渗透率的双孔径毛细芯,应用于LHP实验系统展现出良好的工作性能。
平板式小型环路热管的实验研究
ｒ ｓｓａ ｅ ｏ ｈ ｅ ｉｔｎｃ ｆｔ ｅ ｗｈｏｅ ｈｅ ｔｐ ｐ ｉｓ ｂ ｔ ｅ ５ ℃ ／Ｗ ｎ ４ ℃ ／Ｗ ｏ ａ ｏ ｄｓｉ ｈ ａ ｇ ｆ２０ Ｗ ｔ ４ ． ｌ ａ ｉ ｅ ｌｅ ｅ ｗｅ ｎ ２． ８ ａ ｄ ０． ４ ｆｒｈｅ ｔｌａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ｅ ｏ ｏ１ ０ Ｗ
第３ ２卷 第 ４期
２１ ０ １年 ４月
宇 航 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｓｒ ｎ ｕ ｉｓ ｏ ｒ ａ ｔｏ ａ ｔ ｏ ｃ
Ｖｏ ． ２ １ ３ Ｎｏ． ４
Ａｐｒｌ ｉ
２０１ １
平 板 式 小 型 环 路 热 管 的 实 验 研 究
陈 彬 彬 ，刘 伟 ，刘 志春 ，杨 金 国 ，李 欢
Ｅｘ ｅ ｉ ｅ ｔ ｌ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｉ ｉ ｔ ｅ Ｌｏ ｐ Ｈ ｅ ｔ Ｐｉ ｔ ｐ ｒ ｍ ｎ ａ ｔ ｄ ｎ Ｍ ｎ ａ ｕｒ ｏ ａ ｐｅ ｗｉｈ
Ｆｌ ｔＰｌ ｔ ａ ｏ ａ ｏ ａ － ａ ｅ Ｅｖ ｐ ｒ ｔ ｒ
ＣＨＥＮ ｎ— ｎ， Ｌ Ｕ ｉ Ｂｉ ｂｉ Ｉ ｗｅ ，ＬＩ Ｚｈ — ｈ ｎ，ＹＡＮＧ ｉ ｇ ｏ， Ｌ ａ Ｕ ｉｃ ｒ ｏ ｐ ＨｅｔＰｐ ｍＬ ｓｒ ｃ ： ｎａｕｅＬ ｏ ａ ｉｅ（ ＨＰ）ｗｉ ａ ｄｓ ｈ ｐ ｄｅ ａ ｏａｏ ｉ ｉ ｎｉｎｏ ４ｍｍ ｉ ｉｍｅｅ ｔ ｆ ｔ ｉｋｓ ａ ｅ ｖ ｐ ｒｔｒｗ ｔ ｄｍｅ ｓｏ ｆ７ ｎｄａ ｔｒ ｈｉ ｈ
重力 辅 助 启 动 时 的壁 面温 度 。 在 保 证 系 统 启 动 的工 质 裕 量 前 提 下 ， 少 工 质 充 灌 量 有 利 于 降 低 蒸 发 器 壁 面 温 度 。 减 ｍ Ｈ Ｌ Ｐ运行 存 在 低 热 负 荷 区 和 高热 负 荷 区 ， 低 热 负 荷 区 ， 发 器 和 补 偿 腔 温 度 随 着 热 负 荷 的 增 加 降低 ； 高 热 负 荷 在 蒸 在 区 ， 发 器 和补 偿 腔 温 度 随着 热 负 荷 的 增 加 升 高 。 蒸 关键 词 ：环路 热 管 ；平 板 式 蒸 发 器 ；启 动 ；热 阻 ；充 灌 率
2012年中国工程热物理学会传热传质分会年会口头报告清单
真空条件下有限小空间内沸腾 -凝结共存相变传热的实验研 北京工业大学环境与能源工程学院 究 中山大学化学与化学工程学院 华南理工大学 上海交通大学制冷与低温工程所 华南理工大学
莫冬传,邹冠生,潘亚宏,吕树申 双通道平板环路热管的传热特性 秦朋,凌子夜,徐涛,张正国,高学 R407C 在花瓣型翅片管与低肋管外的冷凝传热性能对比 农 丁国良,彭浩,胡海涛,庄大伟 含油纳米制冷剂沸腾中碳纳米管的相间迁移机制 汪双凤,饶中浩,洪思慧,巫茂春, 电动汽车动力电池热管理实验与数值分析 李复活
沈胜强,毕菲菲,郭亚丽,杨勇,崔 液滴撞击固体斜面的三维 VOF 模拟 艳艳 毕明树,任婧杰,胡洪,宋震,蒋哲 液化气体储罐受热的应力分析及失效预测 昊 沸腾汽泡微液层变化规律的实验研究 适用于金属材料的热质两步模型及普适导热定律 填料分布状态对复合材料热导率的影响 分形理论在 AIN/PFA 导热材料中的应用 适用于寻源导热反问题的改进蚁群系统 脉冲激励下红外无损检测的数值模拟及其可视化 炉子内壁不规则几何形状的模糊反演 利用二维导热反问题预测钢坯温度分布
薛艳芳,魏进家,赵建福,张永海, 微重力下方柱微结构表面上核态池沸腾的气泡动力行为和 西安交通大学动力工程多相流国家 龙延,齐宝金 传热特性研究 重点实验室 董丽宁,全晓军,郑平 微结构疏水硅芯片表面上池沸腾换热的实验研究 上海交通大学机械与动力工程学院 南昌大学 山东大学热科学与工程研究中心 张莹 周志磊 贾国瑞 马强 韩 半固态锌合金温度场与固相率分布研究 婧潇 王鑫煜,辛公明,张鲁生,程林 张广孟,刘中良,王晨 内螺纹重力热管变功率运行特性
二维梯度折射率介质内各向异性散射辐射传递的积分矩方 北京航空航天大学航空科学与工程学院 法 光学窗口材料半透明性对测试腔的热影响 求解辐射导热耦合换热的自然单元法 基于 Abel 变换反演圆柱介质内红外辐射强度 基于蚁群算法的半透明介质物质性参数反演 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 哈尔滨工业大学能源学院 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院 456 信箱 动力楼 J544 哈尔滨工业大学能源学院 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学能源学院 哈尔滨工业大学 上海理工大学能源与动力工程学院 上理工大学新能源科学与工程研究所 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室
《中国空间科学技术》第26卷(2006年)总目次
空 间 Ｉｔｒｅ 的安 全体 系结构 … …… …… …… …… …… …… … ……… 王 剑 ，张权 ，唐 朝 京 （Ｏ ｎｅｎ ｔ ４） 空 间 目标 纯测 角相 对定 位方 法 … …… …… …… …… …… …… … …… 刘元 ，谢 京稳 ，吴 正客 （８ ４）
Ｇ ｓ ｓＮ Ｐ ／ Ｉ ｓ全组合导航系统的姿态组合算法
第１ 期 椭 圆轨道 编 队 的构 形 变化 控制 方 法 …… … …… …… …… …… …… …… … …… 于萍 ，张 洪华 （ ） １
航 天器交 会 飞行 设计 方 法研究 … …… … ……… … …… …… …… … 朱仁 璋 ，汤 溢 ，李 颐黎 等 （ ） ９ 基 于积分 域 匹配 滤波 的 系统误 差 检测 … …… …… …… … ……… … 段 晓 君 ，朱 炬波 ，王光 新 （７ １） 轨 道方 程计算 中 ＡｄｍｓＣ ｗｅｌ ａ — ｏ ｌ方法 的外 推改 进 …… … ……… … …… … …… 付 兆萍 ，李 红 （２ ２）
一
类 由星 下点 反算卫 星 近圆 回归轨 道 的方法 … …… … …… …… …… …… …… 段 方 ，刘建 业 （８ ３） 种 新式 宽带 宽方 向图 圆极化 双环 天线 … …… …… … …… ……… … …… …… 董 涛 ，郭 文 嘉 （４ ４）
太 阳帆 飞行 器轨 道 动力学 分 析 …… …… …… …… … …… …… …… … 王松 霞 ，徐世 杰 ，陈统 （ Ｏ ３）
基 于 电压 空间矢 量 控制 的卫 星天 线伺 服 系统 … …… …… …… …… 齐蓉 ，周 素 莹，林 辉 等 （ ８ ３）
定 容式 流导 法微 流量 校 准装 置 的设计 …… …… …… …… …… … 张涤 新 ，郭 美如 ，赵 澜 等 （４ ４） 太 阳翼 联 动装置 预 置张 力设 计及 分 析 …… …… …… …… …… … …… …… … …… …… 李委 托 （２ ５） 毛 细泵 环路 系统 运 行特性 的数值 研究 …… …… …… …… … …… …… 钱 吉裕 ，李 强 ， 宣益 民 （８ ５） 软 硬件 协 同设计 在 远置 终端 系统 设计 中的应 用 … ……… … ……… … … 卢锋 ，安 凯 ， 隋志光 （ ５ ６） 《 中国空 间科学 技 术 》征 稿简则 … …… …… …… …… …… …… … …… …… … …… … …… （ 封三 ） 《 中国空 间科 学技 术 》编 辑委 员会 …… …… …… …… … ……… … …… …… … …… … …… （ 封底 ）
并联蒸发器环路热管实验研究
本实 验包括 Ｌ ＨＰ的启 动性 能研 究 、Ｌ ＨＰ的控 温 性 能研 究 。Ｌ ＨＰ启 动 性 能研 究 包 括 单个 蒸 发 器 的启动 ，同时加 相 等热 负荷下 两 个 蒸 发 器 同 时启 动 、同时 加 不 等 热 负 荷 时两 个 蒸 发 器 同时启 动 等 。Ｌ ＨＰ的控 温特性 （ 有 主动 控温 ） 究 ，包括 总 热 负荷 不 变 ，在 两 个蒸 发 器 上 分 配 不 同时 的控 没 研 温特 性 、单个 蒸 发器运 行 时的控 温特 性等 。
用 来 安放 仪器设 备 的地 方 ，仪 器设 备 产生 的废 热通 过 仪 器安 装 中 的预 埋 热 管 收集 到 Ｌ ＨＰ蒸 发 器
上 ，然后 热量 通过 Ｌ ＨＰ传 递到 辐射 器上 ，最 后通 过辐 射器 散到 冷环 境 中 。
收稿 日期 ：２ ０ —３０ 。 收修 改稿 日期 ：２ ０ —６１ ０ ５０— ７ ０ ５０ —３
利用 工质 的蒸 发 和冷凝 来传 递热 量 的 、两 相 的高 效传 热 装置 ［ 。 目前 ，大多 数 Ｌ １ ］ ＨＰ是包 括 单 蒸 发 器 、串连 冷凝 器 的 Ｌ 。这 种 Ｌ ＨＰ ＨＰ的蒸 发器 和液 体补偿 器集 成在 一起 ，中间通 过 副芯连 接 ，使 蒸 发器 在任 何情 况下 都有 液体 工质 供应 ，从 而保 证 了 Ｌ ＨＰ的稳定 工 作 。液体 补偿 器 一 般 处 于汽 一液
维普资讯
± 垦窒
兰垫
生 星
实验时采用电加热片模拟仪器发热，并联冷凝管辐射器采用冷风强迫对流散热。实验系统共布
置４ ５个热 电偶 用 于测 量各 点 的温度 ，其 中仪 器 安装板 上 布置 １ ，辐 射器 上 布置 １ ０个 ５个 ，Ｌ ＨＰ系
用 来 安放 仪器设 备 的地 方 ，仪 器设 备 产生 的废 热通 过 仪 器安 装 中 的预 埋 热 管 收集 到 Ｌ ＨＰ蒸 发 器
上 ，然后 热量 通过 Ｌ ＨＰ传 递到 辐射 器上 ，最 后通 过辐 射器 散到 冷环 境 中 。
收稿 日期 ：２ ０ —３０ 。 收修 改稿 日期 ：２ ０ —６１ ０ ５０— ７ ０ ５０ —３
利用 工质 的蒸 发 和冷凝 来传 递热 量 的 、两 相 的高 效传 热 装置 ［ 。 目前 ，大多 数 Ｌ １ ］ ＨＰ是包 括 单 蒸 发 器 、串连 冷凝 器 的 Ｌ 。这 种 Ｌ ＨＰ ＨＰ的蒸 发器 和液 体补偿 器集 成在 一起 ，中间通 过 副芯连 接 ，使 蒸 发器 在任 何情 况下 都有 液体 工质 供应 ，从 而保 证 了 Ｌ ＨＰ的稳定 工 作 。液体 补偿 器 一 般 处 于汽 一液
维普资讯
± 垦窒
兰垫
生 星
实验时采用电加热片模拟仪器发热，并联冷凝管辐射器采用冷风强迫对流散热。实验系统共布
置４ ５个热 电偶 用 于测 量各 点 的温度 ，其 中仪 器 安装板 上 布置 １ ，辐 射器 上 布置 １ ０个 ５个 ，Ｌ ＨＰ系
环路热管蒸发器毛细结构优化及其性能研究
环路热管蒸发器毛细结构优化及其性能研究随着现代电子科技产品更新换代速度的加快,电子产品的高效散热问题成为国内外许多科研人员的研究热点。
鉴于传统的单相流体对流散热方法已无法满足电子产品越来越高的散热要求,以热管(Heat Pipe, HP)为典型例子的相变换热技术逐渐登上舞台。
环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)则是一种基于分离式热管技术而逐渐发展起来的新型热控技术。
蒸发器是LHP最重要的部件,而其中的多孔毛细结构(毛细芯)又是蒸发器的核心组成部分,LHP蒸发器中的毛细芯既是提供工质循环动力的重要来源又是组织整个LHP系统内部传热传质过程高效稳定进行的最为关键的部位,LHP蒸发器中的毛细芯结构也因此被视为整个传热系统的心脏结构。
本文从LHP蒸发器毛细结构的制备研究及性能改进入手,研究了毛细芯传热传质性能与LHP系统整体性能改善之间的关系。
文章首先通过结合粉末冶金技术及多孔材料制备技术,研究出一种通过添加可溶性盐为造孔剂的烧结毛细芯制备技术,并分析造孔剂与毛细芯的孔隙率、孔径及其分布等结构参数之间的影响关系；然后,研究了毛细芯孔隙率、孔径及其分布与其毛细抽吸性能、热物性参数之间的关系。
研究发现,采用溶盐造孔法成功制备出具有间隙孔和生成孔相互贯通的双孔隙形貌的LHP毛细芯；通过增加溶盐添加量可使毛细芯的孔隙率趋于线性增长,通过降低溶盐的粒度可获得孔径分布更为集中且平均孔径较小的毛细芯,使得毛细芯孔径正态分布曲线中的中值移向数值较小的一侧,但是毛细芯的开孔孔隙率基本不受可溶性盐颗粒粒度的影响；影响多孔毛细芯抽吸性能的不仅仅是孔隙率大小,孔径尺寸及其分布也是影响毛细抽吸性能的重要因素。
其中孔隙率越大,孔径越小且分布越集中,毛细芯的毛细抽吸性能则越优异。
另外,毛细芯的热物性不仅受孔隙率大小的影响,同样受孔径尺寸及其分布状态的影响。
其中导热系数随孔隙率的增加而降低。
相同孔隙率条件下,孔径较小且分布更加集中的毛细芯的导热系数值更小；毛细芯的热扩散率随着孔隙率的增加先增大后降低,随着孔径尺寸的减小以及分布状态更加集中,热扩散率则逐渐减小；毛细芯的干、湿状态同样影响其热物性参数,湿态毛细芯的导热系数值大于干态毛细芯所对应的数值,而热扩散率值所表现的规律则正好相反。
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。 图 2 是蒸发器 I 在热负荷 60W 时的启动曲线。在
加热负荷后约 3m in, 蒸发器 I 的蒸汽出口温度 T C33 迅 速升高, 同时蒸发器壳体温度 T C15 突降, 而后又升高 表明蒸发器 I 已经启动。蒸发器 I 启动后 , 蒸发器 II 的蒸汽出口温度 T C7 、蒸发器 壳体温度 T C5 也升高到 与蒸发器 I 的饱和蒸汽相同的温度, 说明有蒸汽沿着 蒸汽传输管流到蒸发器 II, 此时蒸发器 II 实际上起到了冷凝器的作用。 图 3 是蒸发器热负荷 P I / P Ⅱ 为 30W/ 30W 时的启 动曲线 , 在给蒸发器加热负荷后约 6m in 时 , 图中蒸 发器 I 壳体 温度 T C15 降低、蒸发 器 I 蒸 汽出 口温 度 T C33 升高、蒸发器 I 液体进口温度 T C11 温度先升高后 降低标志蒸发器 I 已经启动并开始运行。但是蒸发器 II 壳体温度 T C5 继续升高, 直到约 20min 后, 蒸发器 II 的壳体温度 T C5 降低, 蒸发器 II 蒸汽出口温度降至 与蒸发器 II 的壳体相接近的温 度, 蒸发器 II 液体进
图1
LH P 实验系统布置简图
注 : 图中数字表示热电偶编号
3
实验结果与讨论
本实验包括 LH P 的启动性能研究、 L H P 的控温性能研究。 L H P 启动性能研究包括单个蒸发
器的启动 , 同时加相等热负荷下两个蒸发器同时启动、同时加不等热负荷时两个蒸发器同时启动 等。 LH P 的控温特性 ( 没有主动控温 ) 研究, 包括总热负荷不变 , 在两个蒸发器上分配不同时的控 温特性、单个蒸发器运行时的控温特性等。 3 1 L H P 的启动特性 启动过程是 LH P 运行过程中最复杂的瞬态过程 , 也是 LH P 工程化过程中必须解决的首要问 题。 LH P 的启动与输入功率、 L H P 回路的初始状态、外界条件、 L H P 回路的放置方式等具有直 接的联系。对于单蒸发器的 LH P, 根据蒸发器内 的汽 - 液 分布状态 , 可能出现的启 动情形有 4 种[ 3, 4] 。在本实验系统中, 由于采用了两个蒸发器并联结构, 启动情形会更复杂。在 LH P 集成系 统的实验研究过程中 , 对并联蒸发器的 L H P 系统的启动过程做了大量的实验, 包括不同热负荷下
立了包括热量收集、 传递与排散的环路热管 ( L H P ) 集 成试验系统, 并进行了实验研 究。 实验结果表明: 在并联蒸发器 L H P 系统中 , 蒸发器按顺序先后启动是其稳 定的启动方 式; 在 LH P 运行过程中 , 当 LH P 工作在可变热导模式下, 只有一个液体补偿器中保持 汽液两相状态, 并控制着 LH P 的运行温度 , 另一个液体补偿器则被充满液体 , 且处于过 冷状态; 在总热负荷不变的情况下 , 随着热负荷在蒸发器之间的分配不同, L H P 的运行 温度改变。 当 L H P 工作在固定热导模式下 , L H P 的运行温度只与总热负荷有关, 而与热 负荷的分配情况无关 。 主题词 热管 蒸发器 冷凝器 热分析 航天器 实验
2006 年 6 月
中 国空 间科 学 技术
31
具有大热负荷的蒸发器具有较大液体回流量, 液体具有较大的过冷度, 因此它的液体补偿器被充 满, 具有较小热负荷的蒸发器的液体补偿器控制回路的运行温度。当回流液体高于环境温度时, 回 流液体会向环境散热 , 由于具有大热负荷的蒸发器具有较大液体回流量, 单位回流液体向环境的散 热较少, 回流液体的温度相应 的较高, 因 此它的液 体补偿器将控制 L H P 的运行温度 , 另一个液体补偿 器被充满液体。当并联蒸发器 L H P 系统工作在固定 热导模式下时, 两个液体补偿器都充满液体 , 并处于 过冷状态 , 在总热负荷不变的情况下, 运行温度与热 负荷在两个蒸发器之间的分配没有关系。 另外 , 在 L H P 集成系统的实验过程中发现充满 液体的液体补偿器具有保持充满状态的趋势。如图 8 所示 , 在初始启动时液体补偿器 II 控制着 L H P 系统 的运行温度, 液体补偿器 I 则充满液体 , 随着蒸发器 I 的热负荷从 20W 增大到 50W, 仍然是液体补偿器 II 控制 L H P 的运行温度。这是因为充满液体的液体 补偿器要有一定的过热度才能产生蒸汽 , 同时, 另一个液体补偿器必须有足够的过冷量才能完全冷 凝蒸汽, 这样促使 L H P 的温度控制权才能转移。
2006 年 6 月 第 3 期
中国空间科学技术
CH INESE SP ACE SCIENCE AND T ECH NOL OGY
27
并联蒸发器环路热管实验研究
向艳超 李劲东 张加迅
( 中国空间技术研究院 , 北京 100094)
摘要
采用并联蒸发器环路热管作为传热元件, 并联冷却管辐射器作为散热部件, 建
图 3 热负荷为 30W/ 30W 时的启动曲线 图 2 热负荷为 60W/ 0W 时的启动曲线
口温度开始降低 , 这标志着蒸发器 II 已启动。 图 4 是蒸发器热负荷 P I / P Ⅱ 分别为 40W/ 60W 时
的启动曲线。从图中可以看出 , 虽然两个蒸发器的热负荷不同, 但是两个蒸发器却同时启动。图 5 是在蒸发器 I 运行过程中, 启动蒸发器 II 在热负荷为 30W 的启动曲线。
图 4 热负荷为 40W / 60W 时的启动曲线
图 5 在蒸发器Ⅰ 运行程中蒸发器Ⅱ在热负荷 30W 时 的启动曲线
30
中 国空 间科 学 技术
2006 年 6 月
从图中发现 , 蒸发器 II 的启动相当容易, 启动温升只有 1 5
左右。在加热负荷后 , 蒸发器 II
的液体进口温度迅速下降 , 蒸汽出口温度升高, 表明蒸发器 II 已经启动。其原因是在蒸发器 I 运行 过程中 , 蒸发器 II 充当它的冷凝器, 即蒸汽在蒸发器 II 的蒸汽槽道内冷凝 , 液体通过液体传输管 回流到液体补偿器 I 中。蒸发器 I 经过一段时间运行后, 造成蒸发器 II 的液体干道内充满液体, 而 蒸汽槽道充满蒸汽, 蒸发器 II 中这种典型的汽 - 液分布状态是最容易启动状态, 因此蒸发器 II 在 加热负荷后能够立即启动。 通过上述对 LH P 启动性能的研究发现 , 相对于单蒸发器 L H P, 并联蒸发器 L H P 系统, 其启 动特性不仅受到蒸发器内汽- 液分布状态的影响 , 而且还受到蒸发器之间的连接结构的影响。当两 个蒸发器同时启动时 , 由于工质传输管中的工质流动的相互影响 , 容易引起回流液体的温度波动, 严重时会使启动失败。当两个蒸发器先后启动时 , 由于先启动蒸发器的运行会为后一蒸发器的启动 创造良好的汽- 液状态, 因此后一个蒸发器能够顺利启动 , 不会干扰系统的运行的稳定性。在并联 蒸发器 LH P 系统中 , 蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式。 3 2 L H P 的控温特性 图 6 是在总热负荷不变, 两个蒸发器上分配不同时 LH P 的运行温度曲线。从图中可以看出, 在整个运行过程中 , 当 总热负荷 80W 保持不变 , 在蒸发器 I 、 II 上分配的 热负荷 P I / P Ⅱ 分 别为 50W/ 30W, 40W/ 40W, 30W/ 50W, 20W/ 60W, 30W/ 50W 时 , 液体补偿 器 II 一直控 制着 L H P 的运行温度, 液体补偿器 I 被充满液体, 并处于过冷状态。随着 P Ⅱ 的增大 , 回流液体的过冷量增 大, 液体补偿器 II 的温度降低, 相应的 LH P 的运行温度降低。 图 7 也是在总热负荷不变 , 在两个蒸发器上分配不同时 L H P 的运行温度曲线, 只是 LH P 系 统工作在固定热导模式, 液体补偿器不再控制 L H P 的运行温度。从图中可以看出 , 在蒸发器 I 、 II 的热负荷 P I / P Ⅱ 分别为 90W/ 30W, 80W/ 40W, 70W/ 50W, 60W/ 60W 时 , L H P 的运行温度基本 不变 , 液体补偿器 I 、II 都被充满液体, 并处于过冷状态。
图 8 热负荷分配不 同时 L HP 的运行温度曲线
4
结论
LH P 是一种传热性能良好新型热控制技术 , 目前已开始在我国的航天器上应用。本文对并联
蒸发器 LH P 的研究将促进 L H P 的更广泛地应用。通过本文的实验与分析, 可以得出以下结论 : 1) 在并联蒸发器 L H P 系统中, 蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式。 2) 当 L H P 工作在可变热导模式下, 只有一个液体补偿器中保持汽 - 液两相状态, 并控制着 LH P 的运行温度 , 另一个液体补偿器则被充满液体, 且处于过冷状态 ; 在总热负荷不变的情况下, 随着热负荷在蒸发器之间的分配不同, L H P 的运行改变。 3) 当 L H P 工作在固定热导模式下 , L H P 的运行温度只与总热负荷有关 , 而与热负荷的分配 情况无关。 参
通过图 6、7 的实验说明 : 当并联蒸发器 LH P 系统工作在可变热导模式下时 , 只有其中一个 液体补偿器中存在汽 - 液两相状态 , 这个液体补偿器控制 L H P 的运行温度, 另一个液体补偿器充 满液体, 并处于过冷状态 ; 在总热负荷不变的情况下, L H P 的运行温度与热负荷在两个蒸发器之 间的分配有关。回流液体的过冷度决定了具体由哪个液体补偿器控制 LH P 的运行温度 , 通常由回 流液体过冷度较小的液体补偿器控制 L H P 的运行温度。回流液体的过冷度取决于质量流量, 或者 是热负荷的大小和环境温度。当回流液体的温度低于环境温度时, 回流液体会受到环境加热 , 由于
1
引言
环路热管( L oop H eat Pipe, L H P) 是一种利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行、
利用工质的蒸发和冷凝来传递热量的、两相的高效传热装置 。目前, 大多数 L H P 是包括单蒸发 器、串连冷凝器的 L H P。这种 L H P 的蒸发器和液体补偿器集成在一起, 中间通过副芯连接 , 使蒸 发器在任何情况下都有液体工质供应, 从而保证了 L H P 的稳定工作。液体补偿器一般处于汽 - 液 两相状态 , 并控制 L H P 的运行温度。 多蒸发器、并联冷凝器对于解决多热源、大功率仪器散热以及可展开式辐射器方面具有十分广 阔的应用前景[ 2] 。多蒸发器 LH P 与单蒸发器 L H P 的启动性能、控温性能等有着明显的差别。为 了研究多蒸发器 LH P 的性能 , 作者采用并联蒸发器 LH P 作为传热元件, 并联冷却管辐射器作为 散热部件 , 建立了包括热量收集、传递与排散的 LH P 集成试验系统 , 并进行了实验研究。本文给 出了部分实验研究的结果 , 并进行了分析。
。 图 2 是蒸发器 I 在热负荷 60W 时的启动曲线。在
加热负荷后约 3m in, 蒸发器 I 的蒸汽出口温度 T C33 迅 速升高, 同时蒸发器壳体温度 T C15 突降, 而后又升高 表明蒸发器 I 已经启动。蒸发器 I 启动后 , 蒸发器 II 的蒸汽出口温度 T C7 、蒸发器 壳体温度 T C5 也升高到 与蒸发器 I 的饱和蒸汽相同的温度, 说明有蒸汽沿着 蒸汽传输管流到蒸发器 II, 此时蒸发器 II 实际上起到了冷凝器的作用。 图 3 是蒸发器热负荷 P I / P Ⅱ 为 30W/ 30W 时的启 动曲线 , 在给蒸发器加热负荷后约 6m in 时 , 图中蒸 发器 I 壳体 温度 T C15 降低、蒸发 器 I 蒸 汽出 口温 度 T C33 升高、蒸发器 I 液体进口温度 T C11 温度先升高后 降低标志蒸发器 I 已经启动并开始运行。但是蒸发器 II 壳体温度 T C5 继续升高, 直到约 20min 后, 蒸发器 II 的壳体温度 T C5 降低, 蒸发器 II 蒸汽出口温度降至 与蒸发器 II 的壳体相接近的温 度, 蒸发器 II 液体进
图1
LH P 实验系统布置简图
注 : 图中数字表示热电偶编号
3
实验结果与讨论
本实验包括 LH P 的启动性能研究、 L H P 的控温性能研究。 L H P 启动性能研究包括单个蒸发
器的启动 , 同时加相等热负荷下两个蒸发器同时启动、同时加不等热负荷时两个蒸发器同时启动 等。 LH P 的控温特性 ( 没有主动控温 ) 研究, 包括总热负荷不变 , 在两个蒸发器上分配不同时的控 温特性、单个蒸发器运行时的控温特性等。 3 1 L H P 的启动特性 启动过程是 LH P 运行过程中最复杂的瞬态过程 , 也是 LH P 工程化过程中必须解决的首要问 题。 LH P 的启动与输入功率、 L H P 回路的初始状态、外界条件、 L H P 回路的放置方式等具有直 接的联系。对于单蒸发器的 LH P, 根据蒸发器内 的汽 - 液 分布状态 , 可能出现的启 动情形有 4 种[ 3, 4] 。在本实验系统中, 由于采用了两个蒸发器并联结构, 启动情形会更复杂。在 LH P 集成系 统的实验研究过程中 , 对并联蒸发器的 L H P 系统的启动过程做了大量的实验, 包括不同热负荷下
立了包括热量收集、 传递与排散的环路热管 ( L H P ) 集 成试验系统, 并进行了实验研 究。 实验结果表明: 在并联蒸发器 L H P 系统中 , 蒸发器按顺序先后启动是其稳 定的启动方 式; 在 LH P 运行过程中 , 当 LH P 工作在可变热导模式下, 只有一个液体补偿器中保持 汽液两相状态, 并控制着 LH P 的运行温度 , 另一个液体补偿器则被充满液体 , 且处于过 冷状态; 在总热负荷不变的情况下 , 随着热负荷在蒸发器之间的分配不同, L H P 的运行 温度改变。 当 L H P 工作在固定热导模式下 , L H P 的运行温度只与总热负荷有关, 而与热 负荷的分配情况无关 。 主题词 热管 蒸发器 冷凝器 热分析 航天器 实验
2006 年 6 月
中 国空 间科 学 技术
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具有大热负荷的蒸发器具有较大液体回流量, 液体具有较大的过冷度, 因此它的液体补偿器被充 满, 具有较小热负荷的蒸发器的液体补偿器控制回路的运行温度。当回流液体高于环境温度时, 回 流液体会向环境散热 , 由于具有大热负荷的蒸发器具有较大液体回流量, 单位回流液体向环境的散 热较少, 回流液体的温度相应 的较高, 因 此它的液 体补偿器将控制 L H P 的运行温度 , 另一个液体补偿 器被充满液体。当并联蒸发器 L H P 系统工作在固定 热导模式下时, 两个液体补偿器都充满液体 , 并处于 过冷状态 , 在总热负荷不变的情况下, 运行温度与热 负荷在两个蒸发器之间的分配没有关系。 另外 , 在 L H P 集成系统的实验过程中发现充满 液体的液体补偿器具有保持充满状态的趋势。如图 8 所示 , 在初始启动时液体补偿器 II 控制着 L H P 系统 的运行温度, 液体补偿器 I 则充满液体 , 随着蒸发器 I 的热负荷从 20W 增大到 50W, 仍然是液体补偿器 II 控制 L H P 的运行温度。这是因为充满液体的液体 补偿器要有一定的过热度才能产生蒸汽 , 同时, 另一个液体补偿器必须有足够的过冷量才能完全冷 凝蒸汽, 这样促使 L H P 的温度控制权才能转移。
2006 年 6 月 第 3 期
中国空间科学技术
CH INESE SP ACE SCIENCE AND T ECH NOL OGY
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并联蒸发器环路热管实验研究
向艳超 李劲东 张加迅
( 中国空间技术研究院 , 北京 100094)
摘要
采用并联蒸发器环路热管作为传热元件, 并联冷却管辐射器作为散热部件, 建
图 3 热负荷为 30W/ 30W 时的启动曲线 图 2 热负荷为 60W/ 0W 时的启动曲线
口温度开始降低 , 这标志着蒸发器 II 已启动。 图 4 是蒸发器热负荷 P I / P Ⅱ 分别为 40W/ 60W 时
的启动曲线。从图中可以看出 , 虽然两个蒸发器的热负荷不同, 但是两个蒸发器却同时启动。图 5 是在蒸发器 I 运行过程中, 启动蒸发器 II 在热负荷为 30W 的启动曲线。
图 4 热负荷为 40W / 60W 时的启动曲线
图 5 在蒸发器Ⅰ 运行程中蒸发器Ⅱ在热负荷 30W 时 的启动曲线
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中 国空 间科 学 技术
2006 年 6 月
从图中发现 , 蒸发器 II 的启动相当容易, 启动温升只有 1 5
左右。在加热负荷后 , 蒸发器 II
的液体进口温度迅速下降 , 蒸汽出口温度升高, 表明蒸发器 II 已经启动。其原因是在蒸发器 I 运行 过程中 , 蒸发器 II 充当它的冷凝器, 即蒸汽在蒸发器 II 的蒸汽槽道内冷凝 , 液体通过液体传输管 回流到液体补偿器 I 中。蒸发器 I 经过一段时间运行后, 造成蒸发器 II 的液体干道内充满液体, 而 蒸汽槽道充满蒸汽, 蒸发器 II 中这种典型的汽 - 液分布状态是最容易启动状态, 因此蒸发器 II 在 加热负荷后能够立即启动。 通过上述对 LH P 启动性能的研究发现 , 相对于单蒸发器 L H P, 并联蒸发器 L H P 系统, 其启 动特性不仅受到蒸发器内汽- 液分布状态的影响 , 而且还受到蒸发器之间的连接结构的影响。当两 个蒸发器同时启动时 , 由于工质传输管中的工质流动的相互影响 , 容易引起回流液体的温度波动, 严重时会使启动失败。当两个蒸发器先后启动时 , 由于先启动蒸发器的运行会为后一蒸发器的启动 创造良好的汽- 液状态, 因此后一个蒸发器能够顺利启动 , 不会干扰系统的运行的稳定性。在并联 蒸发器 LH P 系统中 , 蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式。 3 2 L H P 的控温特性 图 6 是在总热负荷不变, 两个蒸发器上分配不同时 LH P 的运行温度曲线。从图中可以看出, 在整个运行过程中 , 当 总热负荷 80W 保持不变 , 在蒸发器 I 、 II 上分配的 热负荷 P I / P Ⅱ 分 别为 50W/ 30W, 40W/ 40W, 30W/ 50W, 20W/ 60W, 30W/ 50W 时 , 液体补偿 器 II 一直控 制着 L H P 的运行温度, 液体补偿器 I 被充满液体, 并处于过冷状态。随着 P Ⅱ 的增大 , 回流液体的过冷量增 大, 液体补偿器 II 的温度降低, 相应的 LH P 的运行温度降低。 图 7 也是在总热负荷不变 , 在两个蒸发器上分配不同时 L H P 的运行温度曲线, 只是 LH P 系 统工作在固定热导模式, 液体补偿器不再控制 L H P 的运行温度。从图中可以看出 , 在蒸发器 I 、 II 的热负荷 P I / P Ⅱ 分别为 90W/ 30W, 80W/ 40W, 70W/ 50W, 60W/ 60W 时 , L H P 的运行温度基本 不变 , 液体补偿器 I 、II 都被充满液体, 并处于过冷状态。
图 8 热负荷分配不 同时 L HP 的运行温度曲线
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结论
LH P 是一种传热性能良好新型热控制技术 , 目前已开始在我国的航天器上应用。本文对并联
蒸发器 LH P 的研究将促进 L H P 的更广泛地应用。通过本文的实验与分析, 可以得出以下结论 : 1) 在并联蒸发器 L H P 系统中, 蒸发器按顺序先后启动是其稳定的启动方式。 2) 当 L H P 工作在可变热导模式下, 只有一个液体补偿器中保持汽 - 液两相状态, 并控制着 LH P 的运行温度 , 另一个液体补偿器则被充满液体, 且处于过冷状态 ; 在总热负荷不变的情况下, 随着热负荷在蒸发器之间的分配不同, L H P 的运行改变。 3) 当 L H P 工作在固定热导模式下 , L H P 的运行温度只与总热负荷有关 , 而与热负荷的分配 情况无关。 参
通过图 6、7 的实验说明 : 当并联蒸发器 LH P 系统工作在可变热导模式下时 , 只有其中一个 液体补偿器中存在汽 - 液两相状态 , 这个液体补偿器控制 L H P 的运行温度, 另一个液体补偿器充 满液体, 并处于过冷状态 ; 在总热负荷不变的情况下, L H P 的运行温度与热负荷在两个蒸发器之 间的分配有关。回流液体的过冷度决定了具体由哪个液体补偿器控制 LH P 的运行温度 , 通常由回 流液体过冷度较小的液体补偿器控制 L H P 的运行温度。回流液体的过冷度取决于质量流量, 或者 是热负荷的大小和环境温度。当回流液体的温度低于环境温度时, 回流液体会受到环境加热 , 由于
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引言
环路热管( L oop H eat Pipe, L H P) 是一种利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行、
利用工质的蒸发和冷凝来传递热量的、两相的高效传热装置 。目前, 大多数 L H P 是包括单蒸发 器、串连冷凝器的 L H P。这种 L H P 的蒸发器和液体补偿器集成在一起, 中间通过副芯连接 , 使蒸 发器在任何情况下都有液体工质供应, 从而保证了 L H P 的稳定工作。液体补偿器一般处于汽 - 液 两相状态 , 并控制 L H P 的运行温度。 多蒸发器、并联冷凝器对于解决多热源、大功率仪器散热以及可展开式辐射器方面具有十分广 阔的应用前景[ 2] 。多蒸发器 LH P 与单蒸发器 L H P 的启动性能、控温性能等有着明显的差别。为 了研究多蒸发器 LH P 的性能 , 作者采用并联蒸发器 LH P 作为传热元件, 并联冷却管辐射器作为 散热部件 , 建立了包括热量收集、传递与排散的 LH P 集成试验系统 , 并进行了实验研究。本文给 出了部分实验研究的结果 , 并进行了分析。