環路熱管蒸發器優化設計及分析研究

王領華 劉 欣

環路熱管蒸發器優化設計及分析研究

王領華 劉 欣

（中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京 100076）

為推動環路熱管優化方法研究，分析了常用的圓柱形環路熱管蒸發器長度變化對環路熱管的影響，研究了環路熱管蒸發器尺寸的優化及仿真分析技術。建立了環路熱管蒸發器長度與管內壓力、溫度分布間的數學模型，并利用SINAPS軟件建立起了環路熱管熱/流仿真模型，包括各部件相關的仿真程序，實現了對某環路熱管系統三種不同蒸發器長度狀態下各部件溫度及壓力變化的仿真分析，仿真結果表明：應用這一熱/流模型可以十分快速地評估環路熱管蒸發器尺寸變化對各部件的溫度及管內壓力的影響，為蒸發器尺寸的優化設計提供方向。該熱/流模型還可用于對環路熱管系統優化設計及工程應用進行指導，以便開展進一步的研究。

環路熱管；蒸發器；熱/流模型；優化；仿真

1 引言

“環路熱管”的概念由前蘇聯烏拉爾工藝研究所的科學家Y. F. Gerasimov和Y. F. Maydanik第一次提出，并成功設計了第一套實驗室環路熱管[1，2]。1990年，環路熱管在國際上公開后，作為一種極具價值的熱控/管理技術受到了人們的高度重視，其發展也在隨后的十幾年內異軍突起[3]。

目前，環路熱管技術在國外的X-37B、阿爾法磁譜儀等航天器熱控系統中獲得了成功應用[4]；國內也針對環路熱管系統在不同運行條件下的運行特性開展了相關研究及大量的地面試驗，并進行了飛行搭載試驗，獲得了眾多寶貴經驗數據。隨著電子設備向著微型化、高集成度、高功率方向發展，環路熱管技術越來越得到人們的重視[5]。

環路熱管是一種利用流體工質的蒸發和冷凝過程傳熱，以毛細力驅動流體循環和長距離定向傳輸熱量，自驅動和魯棒性控制的先進熱控/熱管理技術。一個典型的環路熱管由蒸發器、冷凝器、儲液器、蒸汽管路和液體管路等五部分構成。然而，大量研究及地面試驗更多的是針對環路熱管整套系統及蒸發器毛細芯相關參數，對環路熱管蒸發器尺寸的研究相對較少。

環路熱管作為一種先進的兩相傳熱技術，具有高傳熱性能、遠距離傳輸熱量、安裝靈活方便、無需外加動力、運行可靠性高以及反重力強等諸多優點，在航天器熱控/管理方面具有廣闊的應用前景。蒸發器作為環路熱管的核心部件，其尺寸變化對環路熱管傳熱性能影響較大。重點分析了環路熱管蒸發器長度變化對傳熱的影響，并利用節點網絡法建立環路熱管數學模型，對蒸發器尺寸優化方法和仿真分析技術開展深入研究。

2 環路熱管系統簡介

圖1 某航天器環路熱管系統示意圖

環路熱管是一種高效傳熱裝置，利用毛細芯產生的毛細力作為驅動力，利用工質的蒸發和冷凝實現熱量傳遞，能夠實現小溫差、長距離熱量傳輸，具有重要的工程應用價值。針對某航天器艙內設備而設計的環路熱管系統如圖1所示。航天器在軌運行過程中外表面包裹防熱結構散熱困難，艙內設備產生的熱量只能通過輻射器排散至外部空間，而設備距離散熱輻射器較遠，因此環路熱管是將設備熱量傳輸至輻射器的最好選擇。

表1 環路熱管系統結構參數

環路熱管技術重量輕、傳輸距離遠、傳熱功率大、布置靈活，不受設備具體位置的影響，可有效解決這些問題。該環路熱管系統各部件參數見表1。

3 蒸發器數學模型

蒸發器作為環路熱管的核心部件，主要由進液管、毛細芯、蒸汽槽和內置凹槽的管殼四部分構成，它決定著環路熱管系統的運行性能，并主要影響環路熱管各部件的溫度水平和管路內壓力變化。蒸發器結構示意圖如圖2所示。重點分析蒸發器長度變化的影響，為蒸發器尺寸優化提供指導。分析蒸發器長度變化對各部件溫度及管內壓力的影響，并建立相關數學模型。

圖2 蒸發器結構示意圖

3.1 壓力變化模型

在蒸發器直徑一定的情況下，改變蒸發器長度，將對蒸發器的流阻有較大影響，而毛細抽吸極限不變，從而影響管路內工質的質量流量，繼而影響著整個環路熱管系統的壓力變化。以下對環路熱管蒸發器內各部分壓力分別進行介紹。

環路熱管毛細抽吸極限計算公式為：

Δcap=2cos/（1）

式中，為液體工質表面張力；為毛細芯表面的有效毛細半徑；為工質液體與毛細芯的接觸角。表面張力系數可查表得到，極限情況下假定液氨與鎳芯是完全浸潤的，接觸角常取0。

其中，蒸發器內壓降主要包括蒸汽槽道內壓降和毛細結構內壓降兩部分。

a. 蒸汽槽道內流動壓降

溝槽內蒸汽壓力的變化主要是沿蒸汽流道粘性阻力所產生的壓降造成的，是軸向位置的函數，蒸發區存在粘性壓降，同時也存在使蒸汽分子脫離液面的動量變化，使得蒸汽壓力減小。蒸汽槽道內的流動壓降為

式中，μ為動力粘度；為蒸發器長度；m為質量流量，為蒸汽槽道數，D為當量直徑，ρ為蒸汽密度；為槽道截面積。

b. 毛細結構內流動壓降

在計算毛細結構內流動壓降時，常假定環路熱管中工質是不可壓縮、層流狀態，且忽略兩相混合所產生的壓降與慣性力，根據達西定理，毛細結構內流動壓降計算公式為

式中，參數1是工質流體粘度，m是質量流率，是毛細結構的厚度，1是工質流體密度，是毛細結構截面區域的面積，是毛細結構的滲透率，不同結構參數的取值如表2所示。

表2 常用毛細結構的滲透度

因此，對于燒結粉末，壓降計算公式化簡為：

其中，為空隙率，r為粉末半徑，一般取2.5～5μm。

由上述分析知，蒸發器長度的變化可以引起環路熱管系統內壓力的變化，導致蒸汽槽道內壓降增大，不利于環路熱管系統的運行。

3.2 傳熱模型

在設備熱耗（即環路熱管熱載）一定的情況下，環路熱管蒸發器的尺寸與其面熱流密度相關，熱流密度的大小又決定著蒸發器外壁面及設備的溫度水平。

環路熱管蒸發器構成較為復雜，分為平板式和圓柱式，目前用的較多的為圓柱式，分析圓柱形蒸發器，其結構示意圖見圖3，蒸發器主要由液體引管、毛細芯、蒸汽槽道和蒸發器壁面等結構組成，并且兩端分別與儲液器和蒸汽管路相連，因此蒸發器的換熱關系主要包括與儲液器之間的傳導換熱（又稱漏熱）、蒸發器壁面與氣液界面的對流換熱、蒸發器與蒸汽管路間的傳導換熱、蒸發器與液體管路間傳導換熱等。各部分換熱關系如下。

蒸發器與儲液器間傳導換熱計算公式為：

式中，表示換熱量，W；為材料的熱導率，W/(m·K)；為傳熱距離，m；為傳導換熱系數；Δ為兩者之間的溫差，℃。建模時一般只給出傳熱系數即可，因為Δ為一變化量，求解過程中隨時間不斷變化。

蒸發器與蒸汽管路間的傳導換熱和蒸發器與液體管路間的傳導換熱均可由式（5）求得，此處不再贅述。

蒸發器壁面與氣液界面的對流換熱計算公式為：

=Δ=evapπowickevapΔ（6）

式中，evap為蒸發傳熱系數，一般不低于6000W/(m2·℃)；owick為毛細芯外徑，m；evap為蒸發器長度，m。

由傳熱模型的分析可知，蒸發器長度的增加可以有效降低蒸發器表面的熱流密度，同時對增大蒸發器壁面與氣液界面的對流換熱有利，因此增大蒸發器長度對減小環路熱管系統部件溫度有利。

綜上所述，環路熱管蒸發器尺寸的變化對環路熱管系統內壓力分布及溫度分布均有較大影響，增大蒸發器長度將會增大系統內壓降，減小系統內部件溫度，并會帶來系統重量的增加及毛細芯加工工藝難度的提高。因此，在環路熱管蒸發器優化設計時，需要綜合對比蒸發器尺寸變化對壓降、溫度及系統重量的影響，得出最優設計尺寸。重點通過仿真方法優化分析環路熱管蒸發器尺寸。

4 仿真結果及分析

仿真技術可以有效縮短研制周期，降低研制成本，實現方案優化設計等，對環路熱管技術研究具有重要意義。然而環路熱管仿真技術中包括流體模型和換熱模型，涉及工質溫度、相態、質量和流量等參數隨時間的變化以及流體與管殼間對流換熱、管殼與環境間的輻射換熱、管殼與輻射器間傳導換熱等多種換熱形式相互耦合，仿真技術難度較大，因此現有的仿真手段大都是簡化環路熱管數學模型，通過編程實現，與實際情況存在較大差別。

本文利用SINAPS軟件建立了環路熱管節點網絡熱分析模型[6，7]，見圖4。

圖4 環路熱管熱分析模型

流體模型中，儲液器和蒸汽槽道用體積可變的流團Tanks建模，該流團內質量流量和能量都會隨時間逐漸變化，其他流動部分用零體積的流團Junctions建模，該流團內質量和流量不能積累，進出能量時刻保持平衡。蒸發器和儲液器中氣液兩相并存的模型較為復雜，在流體模型中將儲液器定義為一組流團（Twinned Tank），默認每一個流團都處于熱力學平衡狀態，因此在一個兩相控制體中的氣體和液體都被認為具有不同的溫度和壓力。

表3 三種工況下環路熱管系統各部分參數

為了研究蒸發器長度對環路熱管系統的影響，選取了三種長度工況，分析蒸發器長度變化，長度分別為5.7cm、8.8cm、12cm，模型中環路熱管環境取283K，輻射器熱沉溫度取255K，且仿真時不考慮儲液器的控溫設計。通過仿真分析，三種不同長度工況條件下，蒸發器表面熱流密度、熱載溫度、回路壓降、儲液器溫度和蒸發器溫度統計如表3所示。

通過對環路熱管蒸發器三種不同長度的仿真分析，可以看出：

a. 該仿真方法可以較好地顯示出環路熱管系統中各部件的溫度分布和壓力分布，能夠很好地實現環路熱管優化設計；

b. 蒸發器尺寸的變化對蒸發器表面熱流密度、熱載溫度、回路壓降、儲液器溫度和蒸發器溫度等參數均有較大影響。隨著蒸發器長度增大，蒸發器表面熱流密度變大，引起熱載溫度升高，整個系統的回路壓降增大，儲液器和蒸發器溫度均有所降低；

c. 當蒸發器長度為5.7cm時，蒸發器表面熱流密度達3.05W/cm2，熱載溫度高達60℃，超出一般設備的正常工作溫度范圍，因此在蒸發器設計時，盡量保證壁面熱流密度不超過3.0W/cm2；

d. 環路熱管蒸發器尺寸優化設計時，在確保回路壓降滿足毛細抽吸極限及系統設計滿足質量要求的前提下，盡量增加蒸發器長度，這樣可以有效減小熱載溫度水平，確保儀器設備滿足控溫要求。

5 結束語

為研制出性能更優的環路熱管系統，并將其應用于航天器熱控系統設計中，本文重點對環路熱管優化設計及分析技術進行了研究，根據環路熱管兩相換熱特性建立了蒸發器內部壓力變化模型、傳熱模型等數學模型，并依據數學模型采用SINAPS軟件進行兩相換熱程序開發，實現了環路熱管換熱和流動仿真計算。

采用該分析模型完成航天器環路熱管不同蒸發器長度條件下管內溫度分布和壓力分布計算，獲取了最優蒸發器設計長度，實現環路熱管蒸發器優化設計。仿真結果表明：該熱/流模型可以計算環路熱管內部溫度分布和壓力分布，并能夠十分快速地評估環路熱管蒸發器尺寸變化對各部件的溫度及管內壓力的影響，對環路熱管優化設計具有十分重要的參考意義。

1 Gerasimov Y F, Maydanik Y F, Dolgirev Y Y, et al. Some results of investigation of low-temperature heat pipes operating against gravity field[J]. Eng. Phys. J., 1976(4): 581～586

2 Maydanik Y F, Vershinin S, Kholodov V. et al. Heat transfer apparatus[J]. US Patent No. 4515209, 1985(5): 13～20

3 Maydanik Y F. Loop heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2005(25): 5～6, 635～657

4 Wang Naihua, Joseph Burger, Luo Feng, et al. Operation characteristics of AMS-02 loop heat pipe with bypass valve[J]. Sci China Tech Sci, 2011(54): 1813～1819

5 Zhang Jiaxun. The state-of-the-art of loop heat pipe[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004(4): 682～684

6 C&R technologies, Sinda/Fluint ver5.5 user’s manual[D]. C&R Technologies, Boulder Colorado, 2012

7 C&R technologies, loop heat pipe prebuilt model[D]. C&R Technologies, Boulder Colorado, 2004

Study on Optimization Design and Analysis of Loop Heat Pipe Evaporator

Wang Linghua Liu Xin

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to investigate the design optimization of the loop heat pipe (LHP), the influence to the heat transfer performance of cylindrical LHP was analyzed when the length of evaporator changed. The optimization of size design and simulation analysis of the LHP evaporator were studied. The mathematical model between the length, the pressure and the temperature distribution of the LHP evaporator was developed. The thermal/fluid simulation model was established by SINAPS software, which could simulate the temperature and pressure change of the LHP in different lengths of the evaporator. The simulation results show that the thermal/fluid model could rapidly evaluate the impact of the size change of the evaporator on the temperature and pressure of all components of LHP, which offered the method for the evaporator optimization in size design. The thermal/fluid model could also be used for the optimization of the whole LHP system to guide the design and engineering application for further research of the LHP.

loop heat pipe；evaporator；thermal/fluid model；optimization；simulation

國家某863重大項目資助（2015AA7060211）。

王領華（1987），工程師，機械設計制造及自動化專業；研究方向：航天器熱控系統總體方案設計、仿真及試驗。

2018-07-31