劉成志 楊 帆 董德平 陸 燕

(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引言

自20世紀(jì)70年代發(fā)明以來，作為一種導(dǎo)熱性能極佳的“復(fù)合材料”，回路熱管以其傳遞熱量大、傳熱溫差小、傳熱距離長(zhǎng)、能夠有效地隔離振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用到航空航天領(lǐng)域［1－2］。而隨著空間制冷和探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工程任務(wù)需要工作在200 K左右的低溫回路熱管進(jìn)行探測(cè)儀器負(fù)載上廢熱的收集、傳輸與排散［3］。

針對(duì)低溫回路熱管(Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP)，目前的研究多以實(shí)驗(yàn)為主，但是低溫實(shí)驗(yàn)通常成本高、周期長(zhǎng)，而且結(jié)果易受外界因素的影響，為此通過開展仿真計(jì)算來探清CLHP的運(yùn)行機(jī)制并指導(dǎo)未來的實(shí)驗(yàn)工作已成為CLHP研究的一個(gè)重點(diǎn)。以此為出發(fā)點(diǎn)，本文采用熱流分析軟件 SINDA/FLUINT對(duì)CLHP進(jìn)行了一維穩(wěn)態(tài)建模，研究了CLHP壓降、漏熱等工作特征隨熱負(fù)荷的變化趨勢(shì)，并將CLHP工作溫度的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比，證實(shí)了仿真模型在一定熱負(fù)載范圍內(nèi)的可靠性，最后給出了特定工況下CLHP內(nèi)部工質(zhì)溫度、壓力和干度隨流動(dòng)距離的變化情況。

2 CLHP及其仿真模型

圖1 低溫回路熱管的模型及實(shí)物圖Fig.1 Model and picture of CLHP

圖1為CLHP的模型和實(shí)物圖，該CLHP沒有使用次蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是利用冷凝器內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在CLHP中流動(dòng)［4］。實(shí)驗(yàn)中采用高純乙烷(體積分?jǐn)?shù)＞99.99%)作為工質(zhì)，設(shè)計(jì)工作溫度為190 K，蒸發(fā)器補(bǔ)償器單元的殼體材料采用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，毛細(xì)芯為不銹鋼金屬燒結(jié)而成的多孔結(jié)構(gòu)，所有傳輸管線均為外徑3 mm、內(nèi)徑2 mm的不銹鋼管，冷凝器由紫銅塊加工而成，采用矩形平板式結(jié)構(gòu)，以方便與制冷機(jī)冷指耦合，內(nèi)部刻有一定長(zhǎng)度的工質(zhì)流通槽道，蒸發(fā)器與冷凝器之間的傳熱距離為0.61 m。

基于上述結(jié)構(gòu)的CLHP樣機(jī)，建立了SINDA/FLUINT仿真模型，如圖2所示。其中共有44個(gè)熱節(jié)點(diǎn)和42個(gè)流體塊，熱節(jié)點(diǎn)與流體塊之間通過熱連接相連，以描述工質(zhì)流體與壁面之間的傳熱關(guān)系。模型中忽略了氣體管線和補(bǔ)償器與環(huán)境之間的換熱，認(rèn)為補(bǔ)償器始終處于氣液兩相狀態(tài)并控制著熱管的工作溫度，因此通過求解補(bǔ)償器流體塊的守恒方程即可得到CLHP在特定工況下的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 低溫回路熱管的仿真模型圖Fig.2 Simulation model of CLHP

根據(jù)圖2，對(duì)代表補(bǔ)償器的流體塊27列出能量平衡方程，由于模型中相界面和Null型通道不發(fā)生熱量的傳遞，因此回流液體的過冷度Qsub將全部用來平衡蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱Qhl以及補(bǔ)償器內(nèi)部流體與壁面之間的換熱 Qcc－w，有:

3 結(jié)果分析與對(duì)比

對(duì)于CLHP的仿真模型，進(jìn)行參數(shù)掃描計(jì)算，控制變量為加載在蒸發(fā)器上的熱負(fù)荷，即保持熱沉溫度Tsink和環(huán)境溫度TA別為190 K和300 K不變，在蒸發(fā)器上施加2 W的加熱功率，之后以2 W的幅度不斷提高加熱功率直至16 W，觀察在這個(gè)過程中CLHP工作溫度的變化情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 理論與實(shí)驗(yàn)工作溫度對(duì)比Fig.3 Comparison of working temperature between theoretical and experimental results

從圖3中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)器上熱負(fù)載小于10 W時(shí)，理論與實(shí)驗(yàn)值吻合的較好，大于10 W時(shí)，兩者有一定的差別。主要原因在于仿真模型對(duì)蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱采用沿主芯的一維徑向假設(shè)，該假定在CLHP進(jìn)行大冷量傳遞時(shí)與實(shí)際差別較大，使模型對(duì)漏熱的計(jì)算值偏小，因此得到的工作溫度值偏低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，CLHP在傳遞9 W熱量時(shí)的傳熱熱阻最小，所以CLHP在熱負(fù)載小于10 W時(shí)的相關(guān)工作特性是值得特別關(guān)注的，此時(shí)許多實(shí)驗(yàn)不易直接測(cè)得的量，如各組件內(nèi)部流動(dòng)壓降、蒸發(fā)器向補(bǔ)償器漏熱等，可通過對(duì)仿真模型的計(jì)算得到。

圖4為CLHP各部件內(nèi)部的流動(dòng)壓降隨熱負(fù)載變化的仿真計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯谡麄€(gè)回路總壓降中，吸液芯內(nèi)部工質(zhì)液體的流動(dòng)壓降占據(jù)了80%—90%，而外回路的總壓降在整個(gè)熱負(fù)載變化過程中最高只有幾百帕，說明當(dāng)CLHP蒸發(fā)器和補(bǔ)償器內(nèi)部的工質(zhì)都處于飽和兩相狀態(tài)時(shí)，它們之間由于外回路工質(zhì)流動(dòng)引起的溫差非常小。

圖4 低溫回路熱管中各部件壓降隨熱負(fù)載的變化Fig.4 Effect of heat load on component pressure drops in CLHP

圖5為沿吸液芯徑向蒸發(fā)器向補(bǔ)償器的漏熱隨熱負(fù)載變化的仿真計(jì)算結(jié)果。當(dāng)熱負(fù)載小于6 W時(shí)，漏熱變化較為緩慢，主要是因?yàn)榇藭r(shí)主吸液芯內(nèi)工質(zhì)的流量比較小。隨著熱負(fù)載的增大，工質(zhì)流動(dòng)速度的提高，特別是工質(zhì)在管線中的流型發(fā)生變化后，更多的過冷液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入到主吸液芯中，帶來了沿主芯漏熱的快速升高，但是觀察發(fā)現(xiàn)，此時(shí)漏熱總量仍然很小，占總熱負(fù)載的比例不足1%。

圖5 低溫回路熱管中漏熱隨熱負(fù)載的變化Fig.5 Effect of heat load on heat leak in CLHP

由于實(shí)驗(yàn)中，工質(zhì)流體在各部件中的溫度只能通過測(cè)試相關(guān)的壁面溫度來近似，因此無法了解流體溫度的真實(shí)變化情況，有時(shí)甚至?xí)嬖诤艽蟮牟町悾杂斜匾ㄟ^仿真計(jì)算結(jié)果來觀察低溫回路熱管穩(wěn)態(tài)工作條件下各部件內(nèi)部流體的真實(shí)狀態(tài)，圖6給出了蒸發(fā)器上加熱功率為8 W、環(huán)境和熱沉溫度分別為300 K和190 K時(shí)低溫回路熱管中工質(zhì)溫度、壓力和干度隨流動(dòng)距離的變化情況。

圖6 低溫回路熱管溫度、壓力、干度隨流動(dòng)距離的變化Fig.6 Temperature，pressure and vapor quality of fluid flow along loop

圖6中的工質(zhì)流動(dòng)開始于吸液芯外表面蒸發(fā)氣液相界面的氣相端，結(jié)束于蒸發(fā)器核心處，由于吸液芯徑向尺寸很小，圖中并未標(biāo)出?？梢钥闯觯蜏鼗芈窡峁茉? W時(shí)工作溫度為198 K，氣體槽道、冷凝器兩相區(qū)、蒸發(fā)器核心三者的溫度幾乎是一致的，差別不到0.05 K，因此可將三者中任一個(gè)的溫度視為低溫回路熱管的工作溫度。

4 結(jié)論

基于熱流分析軟件SINDA/FLUINT對(duì)低溫回路熱管進(jìn)行了仿真建模，通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，得到以下結(jié)論:

(1)模型在低于10 W的熱負(fù)載下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明大功率下模型的一維徑向漏熱假設(shè)與實(shí)際存在較大的差別。

(2)根據(jù)模型計(jì)算了CLHP在傳遞熱量小于10 W時(shí)的壓降和漏熱，發(fā)現(xiàn)主吸液芯的壓降是回路總壓降的主要部分，所占比例約為80%—90%;而沿主芯的漏熱會(huì)隨工質(zhì)流量的增加而增大，但占蒸發(fā)器上總熱負(fù)載的比例不足1%。

(3)根據(jù)仿真模型得到了特定工況下工質(zhì)在熱管內(nèi)流動(dòng)的溫度、壓力和干度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CLHP穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，氣體槽道、冷凝器兩相區(qū)和蒸發(fā)器核心中的流體溫度差別不大，均可近似看作CLHP的工作溫度。

1 Ku J.Operation characteristics of loop heat pipes［C］.29th international conference on environmental system，Denver，Colorado:July12－15，1999.

2 Kaya T，Ku J.Ground testing of loop heat pipes for spacecraft thermal control［C］.33rd Thermophysics Conference，Norfolk，VA，1999.

3 Bugby D，Stouffer C，Garzon J，et al.Advanced devices for cryogenic thermal management［C］.Advances in Cryogenic Engineering，America Institute of Physics，2006:1790－1798.

4 楊 帆.液氮溫區(qū)高效冷量傳輸器件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［D］.上海:上海技術(shù)物理研究所，2011.