重力與加速度場中環(huán)路熱管運行性能實驗研究

劉思遠 謝永奇

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院 北京 100191）

雙儲液器環(huán)路熱管（Dual Compensation Chamber Loop Heat Pipe，簡稱DCCLHP）是一種高效的相變換熱設(shè)備，其工作原理是通過毛細泵驅(qū)動流體在蒸發(fā)器和熱沉之間相變換熱實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。環(huán)路熱管傳熱高效、輸熱距離遠、結(jié)構(gòu)靈活多變，眾多專家學(xué)者對環(huán)路熱管開展了相應(yīng)的實驗研究。實驗內(nèi)容包括環(huán)路熱管的啟動性能、穩(wěn)態(tài)性能、加熱功率大小及溫度振蕩等的分析研究。

DCCLHP屬于高度集成的密閉結(jié)構(gòu)，因此，其加工難度大，加工成本高。目前，對環(huán)路熱管運行性能的研究尚處在發(fā)展階段，仍有很多實驗現(xiàn)象需要進一步總結(jié)和解釋。

從實際應(yīng)用來看，環(huán)路熱管可應(yīng)用于飛行器機載電子設(shè)備冷卻和溫控場景，而由于任務(wù)需要，飛行器時常會進行過載機動動作，產(chǎn)生瞬時加速度，這會不可避免地影響到環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)的流動與換熱效果，而這種影響值得被研究。

本文以一套DCCLHP 為研究對象，進行了重力場與3g加速度場啟動和穩(wěn)態(tài)運行性能實驗，加熱功率為100～300W。通過實驗數(shù)據(jù)對比和性能表現(xiàn)分析，研究了DCCLHP的運行性能。

1 實驗裝置

為了提高DCCLHP 的運行性能，工質(zhì)選用高純度氨。毛細芯采用鎳粉燒結(jié)而成，孔徑為1.5μm，孔隙率為55%，滲透率不低于5.0×10m，所有管線均為外徑3mm、內(nèi)徑2mm的316L不銹鋼材料。DCCLHP 蒸汽管線和液體管線長度分別為110mm 和400mm。冷凝管線長2530mm，并通過冷板與循環(huán)冷卻水進行換熱。實驗時，采用pt100 溫度傳感器測溫，布置12 個測點，用來測量蒸發(fā)器（EVA）、雙儲液器（CC-1和CC-2）、蒸汽管線（VL）、冷凝管線（CON1～CON5）、液體管線（LL）和冷卻水進出口（COLD_IN 和COLD_OUT）。實驗件結(jié)構(gòu)布局、各溫度測點及所受加速度方向如圖1所示。

圖1 DCCLHP結(jié)構(gòu)和測點布置示意圖

所搭建的環(huán)路熱管性能實驗臺包括恒溫水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及加速度模擬與控制系統(tǒng)。針對重力和3g 加速度下DCCLHP，進行性能測試和對比實驗。實驗中，加熱功率分別為100W、150W、200W、250W 及300W，所有工況下冷卻水進口溫度保持為19～21℃，環(huán)境溫度控制為20～22℃。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 重力場

圖2 給出了DCCLHP 在重力場100W 加熱功率下各測點溫度變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，實驗件可成功啟動，啟動用時為235s。不過，隨著加熱功率的繼續(xù)施加，環(huán)路熱管均出現(xiàn)了溫度不斷攀升的現(xiàn)象。啟動后，冷凝管線中均為氨蒸氣。根據(jù)溫度曲線可知，氣液界面位于CON5和LL_IN測點之間。隨著時間的推移，氣液界面后退，依次經(jīng)過CON4、CON3 和CON2 后，停在了CON1 和CON2 之間。這表明冷凝管線并未被完全激活，仍有大部分為液相區(qū)。DCCLHP-1 此時處在可變熱導(dǎo)區(qū)，此時，由液體管線回流至儲液器中的液體過冷量較大，導(dǎo)致儲液器溫度下降，蒸發(fā)器與儲液器溫差增大，故寄生漏熱增加，使得儲液器熱平衡被打破，系統(tǒng)很難達到穩(wěn)態(tài)。故在較小的加熱功率下環(huán)路熱管很容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

圖2 重力場100W 下DC C LH P 的溫度曲線

圖3 給出了DCCLHP 在300W 加熱功率下各測點的溫度變化曲線。在環(huán)路熱管成功啟動后，各測點溫度逐漸升高并將趨于平衡，此時，氣液界面位于CON5和LL之間。DCCLHP 很快便達到了穩(wěn)態(tài)，工作溫度為43.1℃。

圖3 重力場300 W 下DC C LH P 的溫度曲線

2.2 加速度場

圖4 給出了3g 加速度和300W 加熱功率下各測點的溫度變化曲線。可以看出，DCCLHP 可以啟動并能達到穩(wěn)定狀態(tài)，且未出現(xiàn)溫度振蕩現(xiàn)象。考慮到加速度可提高液體回流的壓頭，促進工質(zhì)循環(huán)流動，在施加加熱功率后，DCCLHP 啟動迅速，溫度最終穩(wěn)定在43.5℃，用時約1100s，穩(wěn)定時間較短，冷凝管線中氣液界面位于CON5 附近。上述結(jié)果表明，當(dāng)加速度方向與液體回流方向相同時，有利于環(huán)路熱管的運行。

圖4 3g 和300W 下DC C LH P 的溫度曲線

為了探究加速度對DCCLHP運行性能的影響，圖5給出了3g加速度下DCCLHP在100～300W時各測點溫度變化。由于環(huán)路熱管存在可變熱導(dǎo)區(qū)和固定熱導(dǎo)區(qū)，故工作溫度出現(xiàn)了典型的先下降后上升的“V”型曲線。由于加速度提高了工質(zhì)的流動能力，故在所有實驗工況下均可以達到穩(wěn)態(tài)。測溫點的溫度轉(zhuǎn)折點在150W 附近，在100W 工況時，運行溫度最高為50.3℃。在所有工況下，由于CC2 內(nèi)部工質(zhì)會受到回流液體的冷卻作用，因此溫度較CC1低；而液體管線中為過冷工質(zhì)，故溫度最低。

圖5 3g 加速度下DC C LH P 在不同加熱功率下各測點溫度變化

3 結(jié)語

實驗中DCCLHP 可以在100～300W 加熱功率下成功啟動。在較小加熱功率時，環(huán)路熱管處在可變熱導(dǎo)區(qū)，很容易發(fā)生超溫現(xiàn)象。而在較大加熱功率下，DCCLHP 可在短時間內(nèi)穩(wěn)定運行。在3g 加速度場中，DCCLHP 均可以工作至穩(wěn)定狀態(tài)，這表明與工質(zhì)回流方向相同的加速度可以提高DCCLHP 運行性能，促進其達到穩(wěn)態(tài)。隨著加熱功率的增加，工作溫度先下降后上升。