环路热管研究

北京航空航天大学2014－2015学年第一学期现代飞行器环境控制新技术班级 SY*****班学号 SY*******姓名_ _武飞_ _成绩 ____ ___航空科学与工程学院二零一五年一月二十六日环路热管1. 基础知识 (3)1.1 传统热管简介 (3)1.1.1 传统热管的工作原理 (3)1.1.2传统热管的优点与局限 (4)1.2 环路热管简介 (5)1.2.1 系统构成与工作原理 (5)1.2.2 部件介绍 (7)1.2.3 工质选择 (9)2. 国内外研究现状 (10)2.1 环路热管的实验研究 (10)2.2 环路热管的理论建模 (12)3. 关键技术 (13)4. 主要研究内容 (15)5. 结论 (15)6. 参考文献 (17)环路热管1. 基础知识1.1 传统热管简介1.1.1 传统热管的工作原理图1.1给出传统热管的结构示意图，沿管长方向依次为蒸发段、绝热段和冷凝段。

传统热管利用工质的蒸发和凝结来传递热量，液体工质在蒸发段吸热蒸发，产生的蒸气沿热管中心蒸气通道经绝热段流至冷凝段冷凝放热，凝结的液体在毛细芯产生的毛细压力作用下经毛细芯从冷凝段回流至蒸发段，如此循环，实现热量从热源至热沉的高效传输，而无需外加动力。

图1.1 传统热管示意图 图1.2 毛细压力驱动工质循环 毛细压力是热管内工质循环的驱动力。

如图1.2所示，在热管的蒸发段，液体不断从毛细芯表面蒸发变成蒸气，致使气液界面的曲率半径逐渐减小，气液界面两侧的压差e p ∆相应增大；而在冷凝段，蒸气不断在毛细芯表面凝结变成液体，致使毛细孔内的气液界面趋于一个平面，曲率半径c R 不断增大，气液界面两侧的压差c p ∆相应减小。

毛细芯提供的毛细压力capp ∆可表示为： r r R R p p p c e c e c e cap θσθσσσcos 2cos 222-=-=∆-∆=∆ （1.1） 工质在热管内循环的压降主要包括蒸气从蒸发段流向冷凝段的压降v p ∆，液体从冷凝段回流至蒸发段的压降l p ∆以及重力对液体流动引起的压降g p ∆（蒸发器位于冷凝器下端蒸 气 流 向 回流方向 热源 热沉蒸发段绝热段 冷凝段时，重力辅助液体回流，此项为负值；蒸发器位于冷凝器上端时，重力阻碍液体回流，此项为正值）。

热管的正常运行要求毛细芯提供的毛细压力与工质循环的总压降相平衡，如式（1.2）所示：g l v cap p p p p ∆+∆+∆=∆ （1.2）工质在毛细芯内的接触角具有自调节功能，根据式（1.1），毛细芯提供的毛细压力随着接触角的变化而改变，从而保证式（1.2）一直成立。

当蒸发段毛细芯内接触角θe 为零度，冷凝段毛细芯内接触角θc 为90度时，毛细芯提供的毛细压力达到最大值：r r r p p p c e c e cap σθσθσ2cos 2cos 2)(max =-=∆-∆=∆ （1.3）当热管内工质循环的总压降等于毛细芯所能提供的最大毛细压力时，热管的传热能力达到最大，即达到了毛细限。

继续增大热载荷，毛细芯无法提供足够的驱动力，热管将无法正常运行。

1.1.2传统热管的优点与局限热管作为一种具有超高导热性能的传热元件在业界已广为人知，在军用和民用领域均得到了广泛应用，如将热管应用于航天器热控制、电子器件冷却以及工业余热回收等。

与其它传热元件相比，热管具有很多优点：(1) 热管具有极高的传热性能，能以很小的温差远距离传输较大的热量；(2) 热管具有优良的等温性，蒸发段与冷凝段壁面温度分别接近蒸发温度和冷凝温度，具有良好的温度一致性；(3) 热管内工质的循环由毛细芯产生的毛细压力驱动，无需外加动力；(4) 热管具有良好的启动性能，蒸发段与冷凝段两者存在很小温差时，热管便能迅速启动，实现热量的高效传输；(5) 对于水平放置的有芯热管，热量传输方向具有可逆性，而对于重力热管，具有热二极管（单向传热）的特性；(6) 热管具有良好的环境适应性，可根据热源和热沉的结构形式对热管结构进行一定的改变，如设置多个蒸发段或冷凝段，制成平板热管或分离式热管等。

然而，传统热管也存在一些固有的缺陷，限制了它的传热能力以及广泛应用，主要包括如下几个方面：首先，传统热管受到使用方位和长度的限制。

如图1.3所示，在重力场中，当蒸发段位于冷凝段上方会对热管运行产生不利影响，因为毛细芯可能无法提供足够的毛细压力去克服重力而使冷凝液体回流至蒸发段，即传统热管的反重力能力非常差，尤其对于槽道热管，这是使用方位对传统热管的限制。

虽然根据式（1.3）可得，毛细压力随着毛细孔孔径的减小而增大， 可采用减小毛细孔孔径的办法来增大毛细压力，但是减小毛细孔孔径的同时会使得液体经毛细芯回流的阻力显著增加，甚至抵偿或超过毛细压力增大的部分，因此，减小毛细孔孔径无法彻底解决使用方位的限制。

此外，对应一定的热载荷，热管的传热距离存在一定限制，这是因为液体回流阻力随热管长度的增加而增大，工质循环的总压降可能超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，造成蒸发段因供液不足而烧干，热管无法正常运行，这是长度的限制。

图1.3 传统热管反重力运行的情形其次，传统热管内有携带现象发生。

由于热管内蒸气和液体直接接触且流向相反，导致蒸气对毛细芯内的回流液体施加剪切力。

当蒸气流速较高时，可能将气液界面的液体以微滴形式携带回冷凝段，同时液体回流受阻。

携带导致所需的工质循环量增大，当液体回流不能满足循环量增加时，蒸发段就会烧干。

携带现象是限制传统热管传热能力的因素之一。

最后，传统热管安装不够灵活方便。

传统热管的管壳通常是铜、铝合金、不锈钢等金属材料，只允许一定程度的弯曲，在一些复杂的安装场合应用往往受到限制。

1.2 环路热管简介1.2.1 系统构成与工作原理环路热管（Loop Heat Pipe ，LHP ）一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。

图1.4给出目前LHP 典型的结构形式，与早期结构的显著区别是将液体回流管线引入到蒸发器中心，这段回流管线称为液体引管。

回流方向热沉 热源图1.4 LHP 结构示意图LHP 的工作原理：对蒸发器施加热载荷，工质在蒸发器毛细芯外表面蒸发，产生的蒸气从蒸气槽道流出进入蒸气管线，继而进入冷凝器冷凝成液体并过冷，回流液体经液体管线进入液体干道对蒸发器毛细芯进行补给，如此循环，而工质的循环由蒸发器毛细芯所产生的毛细压力驱动，无需外加动力。

LHP 的正常运行要求毛细芯产生的毛细压力必须与工质在回路内循环的总压降相平衡，这些压降主要包括工质在蒸气槽道、蒸气管线、冷凝器、液体管线以及毛细芯内流动产生的摩擦压降以及反重力运行时液体回流所需克服的重力压降，如式（1.4）所示：cap vg vl c ll wi g p p p p p p p ∆=∆+∆+∆+∆+∆+∆ （1.4）若工质在回路内循环的总压降超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，蒸气将击穿毛细芯进入液体干道，工质的正常循环无法维持，LHP 将无法正常运行。

LHP 在传统热管的基础上发展而来，它继承了传统热管的优点，同时克服了传统热管的固有缺陷和不足。

LHP 与传统热管最显著的区别为毛细结构的局部化设置，它只在蒸发器吸热区域布置毛细芯，将传统热管毛细芯的毛细抽吸功能与液体回流功能分离。

对于LHP ，液体经过光滑内壁管线回流，流动压降显著降低，因而可采用能提供很高毛细压力的微米级孔径毛细芯来克服重力的影响，同时不会产生增加液体回流阻力的负面影响。

因此，LHP 传热距离远，反重力能力强，解决了传统热管受到使用方位和长度限制的问题。

此外，LHP 将蒸气通道和液体通道分离，蒸气和液体分别在各自的管线内传输，从而杜绝了携带现象的发生。

值得一提的是，蒸气管线和液体管线的分离使得LHP 的安装变得灵活方便，不再受限于热源与热沉的方位和距离，这是相对传统热管的又一优势。

吸热1.2.2 部件介绍◇蒸发器蒸发器是LHP的核心部件，它具有从热源吸收热量以及提供工质循环动力两项重要功能。

经过数十年的改进和发展，目前较为普遍的结构形式如图1.5所示，蒸发器本体主要包括蒸发器壳体、毛细芯和液体引管。

毛细芯外侧的轴向槽道称为蒸气槽道（Vapor groove），毛细芯内侧为液体干道（Liquid core 或Evaporator core）。

毛细芯是蒸发器的核心元件，它提供工质循环动力、提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时阻隔毛细芯外侧产生的蒸气进入储液器。

目前常用的毛细芯结构如图1.6所示（俄罗斯国家科学院热物理研究所样品）。

毛细芯一般是将微米量级的金属粉末通过压制、烧结等工艺成型，形成微米量级的孔径，图1.7给出毛细芯在电镜下的多孔结构图。

储液器蒸发器毛细芯液体干道液体引管蒸气槽道图1.5 蒸发器和储液器的结构图10 m图1.6 毛细芯的结构形式图1.7 电镜下的毛细芯多孔结构毛细芯内液体干道的设置是为了使液体能够沿轴向均匀地对毛细芯进行供液。

否则，液体从储液器沿轴向向毛细芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，导致毛细芯产生轴向温差，甚至出现局部烧干现象。

设置液体引管将回流的过冷液体直接引入到蒸发器中心，一方面，回流液体携带的冷量可用来平衡蒸发器透过毛细芯的径向漏热；另一方面，当液体干道内由于蒸发器的漏热产生了气泡或积聚了不凝性气体，从液体引管流出的过冷液体可以依靠自身携带的冷量对气泡进行冷却和消除，同时依靠自身的流动将这些不凝性气体或气泡推出液体干道，防止毛细芯内表面发生气塞现象，提高蒸发器的运行稳定性。

◇ 冷凝器LHP 系统的热导很大程度上取决于冷凝器与热沉之间的换热性能。

早期对LHP 的研究大多针对空间应用背景，冷凝器主要以辐射的形式向空间热沉释放热量，因而普遍采用将冷凝器管线嵌入冷凝器板的结构形式，如图1.8所示。

地面实验中亦可采用简单的套管式冷凝器，如图1.9所示，使用恒温槽模拟热沉，泵驱动冷媒介质（如水、乙醇等）在套管内循环流动对冷凝器进行冷却。

图1.8 平板式冷凝器图1.9 套管式冷凝器 ◇ 传输管线 传输管线包括蒸气管线和液体管线。

传输管线一般为细长的光滑内壁管（管径范围1-5mm ），起到连接蒸发器和冷凝器的作用，从而构成工质循环流动的回路。

工质在光滑内壁管内流动阻力小，且管线柔韧易于弯曲，对复杂应用场合具有良好的适应性。

传输管线管径过小会造成工质流动阻力的增大，降低LHP 的传热能力；而管径过大会导致回路中的工质充装量以及储液器体积的增大，同时管线的柔韧性变差。

因此，应根据实际应用情况对传输管线的管径进行合理的选择。

◇ 储液器同传统热管相比，LHP 在结构上增设了储液器。

储液器位于蒸发器一端且两者直接相连，结构紧凑，如图1.5所示。

储液器的设置对LHP 具有重要作用：1、通过工质充装量与储液器容积的匹配设计，保证LHP 蒸发器毛细芯一直被液体工质所浸润，启动前无需进行任何预处理，可直接对蒸发器施加热载荷来启动LHP ；2、LHP 运行过程中保证对蒸发器毛细芯的液体储备与供给；3、适应启动或变工况运行过程LHP回路内气液分布的变化与冷凝器板冷凝器管线调整，实现工质在传输管线、冷凝器与储液器间的自由转移；4、可容纳蒸发器液体干道内产生的蒸气或回路内存在的不凝性气体，防止液体干道内发生气塞现象而妨碍对蒸发器毛细芯的正常供液；5、通过对储液器施加一定的功率（加热或冷却），可实现对LHP 运行温度的精确控制。