（工程热物理专业论文）毛细抽吸两相环路（cpl）系统理论研究与实验设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 于茼晏 一一、一一 、 f 作为一种热控系统，f 毛细抽吸两相回路( c p l ) 因具有高效、可靠、节能等优点， 愈来愈被应用到航天飞行器热控，高密度电子设备的冷却等诸多领域。c p l 环路依靠 蒸发器毛细多孔芯孔隙中的液体所形成的弯液面所提供的毛细眶头驱动系统循环，通 过工质相变，在小温差下实现较大的热负荷传输。 c p l 系统的非稳态特性，将引起温度和压力的波动，这种波动带来的结果可能会 导致系统不能启动，造成热控系统运行失效。为克服这种不良因素的影响，我们考虑 设计种新型的试验台，即在冷凝器中加入多孔芯的办法来抑制或减缓不稳定所带来，一 的影响。基于这种思想，本文所做的工作是在前人对d 系统研究的基础上，系统了 多孔介质熟质传输的模型，把饱和多孔介质的理论引入到c p l 系统的研究中，考虑了 在蒸发器启动过程中的非稳态特性，模拟系统从启动到稳定运行的状态过程。对比了 在初始预热和不预热的情况下，蒸发器出e l 处的蒸汽出流的改善情况。动态模拟可以 预测系统承载的熟负荷的情况。对于加多孔芯的冷凝器的稳态计算，考虑了蒸汽入口 速度，外界环境过冷，冷负荷等因素的变化对冷凝器中冷凝过程液膜的分布影响。 对c p l 系统的研究结果表明：为增强系统的稳定性，启动初期的蒸发器宜采用较 小的热负荷，避免因负荷过大引起蒸发器多孔芯蒸干，缺乏毛细压头，造成系统的不 能启动。对于压力灌装的c p l 系统，启动初期加装热负荷有利于改善蒸发器的蒸汽的 出口条件，同时优化蒸发器的翅片设计，可以增强系统承载热负荷的能力。对冷凝器 的冷凝过程研究，蒸汽进入冷凝器的入口速度，影响气液分层界面的位置，可以控制 冷凝器的冷凝面积，毛细多孔芯的存在有利于冷凝器增强和外界的换热。同时，把饱 和多孔介质理论和非饱和多孔介质理论的模拟以蒸发器为例进行了对比，提出了系统 仿真的方案。 根据初步的计算结果，考虑在不同设备结构条件下的承载负荷的能力，优化设计 平板型试验台架，为保证蒸发器液体供应的均布特性，采用了交叉性的液体槽道设计。 试验设计中布置了系统参数的测试点，为今后完成参数测定和系统分析奠定基础。 关健词。c p l 系统，遁鬲薪嘉 多孔介质，热质迁移，( 试验设渺 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也h i g he f f i c i e n c y , h i g hd e p e n d a b i l i t y , a n de n e r g ys a v i n g t h ec a p i l l a r yp u m p e d l o o p ( c p l ) ，a sat w o - p h a s et h e r m o c o n t r o ls y s t e m ，i sa p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha s c o n 仃o l l i n gh e a tt r a n s f e ro ns p a c e c r a f t ，c o o l i n gh i g hp o w e rd e n s i t ye l e c t r o n i cd e v i c e n l e c p ld r i v e st h e w o r k i n g m e d i ac i r c u l a t i o nb yt h ec a p i l l a r yp r e s s u r ec r o s st h es u r f a c e t e n s i o nf o r m e da tt h e l i q u i d - v a p o ri n t e r f a c e ，t r a n s f e r r i n gt h eg r e a th e a tl c a d sw i t h1 0 w t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb yp h a s ec h a n g e 皿ec p l u n s t e a d yc h a r a c t e r i s t i cd i s p l a y st h ec o n t i n u a lo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c 刀 e n e g a t i v ee f f e c t ，w h e nt h el i q u i di nt h ew i c ki sd r yo u t ，a n dt h el i q u i di sn o td r a w nf r o mt h e b o t t o mo f t h ew i c ks t r u c t u r e ，i st oc a u s et h es y s t e m f i n a l l yo u to f c o n t r 0 1 i no r d e rt oa v o i d t h eb a d n e s ss i t u a t i o n ，w ed e s i g nan e wc p l e x p e r i m e n t a t i o ns y s t e mw i t hp o r o u sw i c ki n t h ec o n d e n s e rt or e d u c eo re l i m i n a t et h eu n s t e a d ye f f e c t b a s e do n t h ec o n s i d e r a t i o n 。i nt h i s p a p e r , t h ep o r o u sm e d i nt h e o r yi sa p p l i e di nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ra n a l y s i so ft h ec p l t h eu n s t e a d ys t a t es i m u l a t i o nd e s c 订b et h e p r o c e s sf r o mt h ei n i t i a ls t a r t - u pt oan e wb a l a n c e s t a t e ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ta l ec o m p a r e da td i f i e r e n te x t e r i o rc o n d i t i o n ：w i t ho rw i t h o u t w a r m - u pd e v i c e ，w h i c hu s e dt oh e a ta n dt u r nt h el i q u i di n t ov a p o r , a n di m p r o v et h ec u t e ! c o n d i t i o n so f v 印o rf l o w i n gi n t o 也eg r o o v e t h el i q u i dz o n ev a r i a t i o ni nt h ew i c kp r e d i c t s t h ea d a p t a b l el c a d st h ec p lu n d e r t a k e n t h ea n a l y s i so f c o n d e n s a t i o ni nt h eg r o o v e so fa c a p i l l a r yp u m p e dl o o p sc o n d e n s e rw i t hp o r o u sw i c ks h o w st h es i m u l a t i o nr e s u l t sw h i e ha r e g i v e na tv a r i o u sc o n d i t i o n ss u c ha st h ei n l e tv e l o c i t y , h e a tl o a d s ，s u p e r c o o l i n gd e g r e ee t c t h er e s u l t ss u g g e s tt h ed i s t r i b u t i o no f t h el i q u i dl a y e r t h er e s u l t si n d i c a t ea tt h ei n i t i a l i z a t i o no fs t a r t u pp r o c e s s t h el o wh e a tl c a de x e r t e d o nt h ee v a p o r a t o ri ss u g g e s t e di no r d e rt oa v o i dt h ed r y o u ts i t u a t i o ni nt h ep o r o u sw i c k a s 、v i j jc a u s et h ej o s so ft h ec a p i l l a r yp r e s s u r e w i t i lt h ew a r m u pd e v i c e ，t h ev a p o ro u a e t c o n d i t i o ni nt h ev a p o rg r o o v ew i l lb ei m p r o v e d ，a n dt h ep r o p e rs i z eo ft h ef i n ss h o u l db e o p t i m i z e dw h i c h w i l le n h a n c et h ec a r r y i n gl o a d s t h ea n a l y s i so fc o n d e n s e ro fc p l s y s t e m s h o wt h a tt h ei n l e tv e l o c i t yo ft h ev a p o rf l o w i n gi n t ot h ec o n d e n s e ra s s o c i a t ew i t ht h e l i q u i d - v a p o ri n t e r f a c e ，a n dt h ep e r o l l sm e d i a i nt h ec o n d e n s e rw i l le n h a n c et h eh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n tw i t ht h eo u t e rs p a p e t h es i m u l a t ea p p l i c a t i o ni so f f e r e dt h o u g ht h ec o m p a r a b l e c a l c u l a t i o nb ys a t u r a t eo ru n s a t u r a t e dm o d e l t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f f e rad i r e c t i o nt od e s i g na l lo p t i m i z e dc p l e x p e r i m e n t a t i o n s y s t e mu n d e rd i f f e r e n ts t r u c t u r e i no r d e r t oa t t a i nt h eu n i f o r i l l i t yo ft h el i q u i ds u p p l y , t h e c r o s s e dl i q u i d g r o o v e s a r ea d o p t e da tt h eb o r o mo ft h ee v a p o r a t o rc o v e rb o a r d t h e m e a s l l r ep o i n t sm a r k i n gt h ep a r a m e t e r so ft h ec p ls y s t e ma r ea l s o d i s p o s e d i nt h e e x p e r i m e n td e s i g n t h es y s t e md e v i c eo f f e r st h eb a s e m e n tt ot h ep a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t a n d s y s t e ma n a l y s i s k e y w o r d s ：c a p i l l a r yp u m p e dl o o p ，t h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n ，p o r o u sm e d i a ，h e a ta n d m a s s t r a n s f e r , e x p e r i m e n td e s i g n i l 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 热控技术及其应用 热控技术是控制系统内部及外部环境热交换过程，使其热平衡温度稳定于所要求 的温度范围内的技术。随着科学技术的进步，特别是在空间技术和计算机技术的带动 下，在现代军事或其它应用卫星上，使得一些大功率、高热流密度的电子设备或器件 的使用十分广泛，如微波功率放大器、各种仪器的电源、陀螺、相机等等。伴随电子 技术的迅速发展，电子设备的体积越做越小，单位体积的发热量不断增加，有效散热 面积相应减少。比如，在卫星上使用的高密度组装的电子设备中，能否把其散发的热 量及时排向外层空间，以维持卫星处于适宜的温度水平，是关系到卫星能否正常工作 的关键因素。计算机技术的发展，也使得高度集成的电子设备所产生的热流密度成倍 增加，将造成如c p u 、主板等部件的工作条件恶化，进而对计算机的稳定性构成威胁。 热控技术在解决逐类问题中得到了迅速发展，同时，热控技术还应用于热量的输送排 放、有效隔热、深冷环境中的低温维持等问题。 热控技术应用于航天领域，是实现在空间条件下对航天飞行器( 如卫星) 的有效 载荷或星载设备的工作温度进行精确控制。就卫星热控制技术种类来说，习惯上分为 被动热控制技术和主动热控制技术两类。其中被动热控制技术是一种开环控制。通常 选择具有一定热物理性能的结构材料、表面涂层、隔热材料、相变材料及热管等措施， 合理安排星体表面与空间环境之间及星体内部仪器部件之间的热传递，使卫星各部分 处于期望的温度范围内。其优点在于技术简单，运行可靠，工作寿命长及经济性能好； 主动热控制技术是一种闭环控制。在控制过程中，被控制对象的温度可反馈到热控制 机构上。在此类热控制系统中通常具有温度敏感器、控制器和执行器。热控百叶箱、 可控热管、电加热器及热开关等热控机构。 对于卫星设备或高功率密度器件的散热，主要采用被动热控制技术，在控制过程 中被控对象的温度无反馈作用。就不同的热量传递方式，可以采用如热传导、热辐射、 单相强迫对流和相变传热，或是几种方式的耦合。与液体单相对流相比，相变传热由 于利用了工质的气化潜热，具有极高的传热能力，故广泛地应用于地面热量传递设施。 在微重力条件下的空间换热场合，散热地点与排热空间均受到限制，采用什么样的相 华中科技大学硕士学位论文 变传热方式和相变工质，一直是人们关注的焦点，而近几十年发展起来的热管相变技 术受到了普遍重视。 由于卫星及其设备在结构、位置和方向上的特殊性，在热控制中采用热管或分离 式热管技术有如下几方丽的问题需要考虑： 一、热管单元自身的结构和材料。采用毛细芯热管、全毛细热管或特殊结构热管 等，选用铝管、铜管或不锈钢管等； 二、热管内的相变工质，要根据被冷却对象的结构特点和负荷要求，在不同的工 作温度范围内选用： 三、系统的运行效率和稳定性，无论是体化热管或分离式热管，当负荷工况发 生变化时，系统回路应能够根据温度和压力水平进行调节，并具有一定的自适应性， 保证其高效、可靠运行； 四、热管及其系统的寿命问题，不能因为材料和工质的相容性、热管单元或系统 的泄露等问题使卫星的热控系统失效。 目前的技术水平和发展趋势，对于高功率密度器件的散热，需要综合考虑各方面 的因素来设计热管及其系统，才能产生足够的相变能量和传热能力，以满足卫星热控 的要求。基于分离式热管和毛细虹吸概念发展起来的毛细泵抽吸环路( c a p i l l a r y p u m p e dl o o p c p l ) 或称为毛细抽吸两相环路就是热控技术中的一种控制系统，这 种系统与热管技术相似，靠自身的毛细结构驱动载热工质，但因其自身具有高效性、 可靠性、和节能型的特点，最适合应用于航天飞行器的热控系统中。 1 2 毛细抽吸两相环路系统 毛细抽吸两相环路( c p l ) 是以毛细泵驱动工质循环流动的两相流体环路。作为一 项重要的航天器流体循环热控系统，毛细抽吸两相环路始提出于6 0 年代，8 0 年代才 倍受重视的高效节能热控制技术。具有两相环路的突出优点：如温度均匀性好，易于 实现等温化设计：在相同的传输功率下，两相环路所需的质量流率与单相环路相比较 小，从而降低了驱动功率相装置的质量。 和传统的热管相比，毛细抽吸两相环路更具有高效性，可靠性和节能性的特点， 表现在能够在小的温差下长距离传输大的热负荷；系统本身无运动部件驱动工质，因 而减轻了系统质量和系统摩擦；系统无功率输入，传输的热量比相同条件下的热管高 华中科技大学硕士学位论文 出一个数量。这些优点使毛细抽吸两相流体环路在未来的大型、载人、长寿命的航天 器的热管理系统中成为发展目标。 1 2 1 毛细抽吸两相环路的基本组成 毛细抽吸两相环路( c p l ) 是由蒸发器、冷凝器以及它们之间的汽、液连管及储液 器等基本部件组成( 如图1 1 所示) ： 围1 - 1 毛细抽吸两相环路基本蛆成示意图 1 2 2 毛细抽吸两相环路的工作原理 如图卜l 所示，当毛细抽吸两相环路的外部热负荷加于蒸发器壁面时，热量通过 管壁或平板翅片传入到毛细芯内的液体工质中，工质受热蒸发，蒸汽通过蒸汽通道流 向冷凝器并在冷凝器中凝结，放出汽化潜热。放出的热量由冷凝器管壁或平板散热壁 面排散到外部环境空间，工质在冷凝器内凝结成液体后通过液体管道流回蒸发器。这 种环路系统与熟管类似，主要靠工质的相变和循环流动传输热量，系统运行的驱动力 是热流引起的系统压力和多孔介质中的毛细抽吸力。 1 2 3 毛细抽吸两相环路的分类 根据系统装置特点，c p l 系统通常可以分为五种类型：可变导热c p l ( v c c p l ) ， 固定导熟c p l ( c c c p l ) ，机械泵辅助c p l ( m p a c p l ) ，热动力环路( t p l ) 及环路热管 ( l h p ) 。 可变导热c p l ( v c c p l ) 是指带有储液器的毛细抽吸两相环路系统：固定导热c p l ( c c c p l ) 是不带储液器或储液器不起作用的毛细抽吸两相环路系统：机械泵辅助c p l ( m p a c p l ) 是在可变导热c p l 的液体环流管路中加装辅助机械泵的毛细抽吸两相环路 系统，可以消除可变导热c p l 系统中的不稳定特性和提高其熟传输能力。热动力环路 ( t p l ) 的特征是：t p l 蒸发器中的毛细芯起到将液相和气相隔开的二极管的作用， 华中科技大学硕士学位论文 冷凝器中也采用多孔芯，结构为平板型，系统中不设机械泵和储液器。环路热管( l h p ) 的温控能力比c p l 系统小，应用于小负荷的场合，l h p 系统对工质中所含有的不凝气 体的不敏感性有利于延长系统的使用寿命。 1 3 国内外研究及目前进展 1 3 1 国内外对c p l 系统的理论研究 国内外关于c p l 在空间技术中的理论研究己发展到了较高的水平，并应用到低温 范围”。就研究的方法来看，既有对系统作整体分析，又有对系统部件作局部建模； 既有采用简化模型的方法作分析求解，又有考虑诸多变量进行数值模拟，同时在对c p l 系统的研究中探索新的途径和思路。 最近，m u r a o k a 等“3 在对c p l 系统采用节点法做整体分析的基础上，并探索将常 规的管式冷凝器改变为多孔芯结构冷凝器，以期在冷凝器内形成稳定的汽液冷凝界 面，使得c p l 的汽液之间存在稳定的物理界面，从而减少甚至消除系统的压力振荡， 并获得更好的传热能力和更远的传输距离。由集总参数法建立数学模型，在研究中得 到的计算数据也由实验得以验证。f i g u s 等53 研究c p l 毛细芯蒸发器的运行状况时， 用网络结构模型代替传统的连续介质模型，考虑在非均质的多孔介质孔隙条件下的液 体工质的相变过程，以提高计算精度。c a o 等”3 研究了平板型毛细芯蒸发器，他们的 工作主要是与汽槽空间三维蒸汽流共轭的系统分析。对于微型热管( m h p ) ，s a r t r e 等”1 发展了组数学模型，研究m h p 中蒸发传热的界面现象，对接触角、润湿长度、 过热度、传热率等均作了计算。c h a n d r a t i l l e k e 等”1 对低温环路热管l h p 的应用作了 环顾，指出l h p 能在7 7 k 以下使用，但对不同的工作温度需充填不同的相变工质，如 7 0 e n i t r o g e n ，2 8 e - n e o n ，1 5 k - h y d r o g e n ，4 e h e lj u m 等。 我国正式对c p l 的研究工作始于1 9 8 8 年底，作为载人航天器对流换热研究 ( 2 0 5 8 1 ) 课题的一部分，研究任务由载人空间站系统及应用( 8 6 3 2 2 0 5 ) 专家组 下达。1 9 9 4 年4 月，8 6 3 - 2 - 4 专题组下达了毛细抽吸两相环路的研究课题，目前在国 内已形成了由中国空间技术所、中国工程热物理研究所，清华大学，中国科技大学， 中科院研究生院、浙江大学、哈尔滨工业大学等科研单位组成的c p l 研究队伍。在理 论研究、工程模型设计等方面意义重大的研究成果。”1 侯增祺o ，等对工作能力较强的毛细泵抽吸环路工程试验模型进行了性能试验，验 4 华中科技大学硕士学位论文 涯了c p l 模型豹热俦输及热控制性熊，能粕遂期浆工 筝“对c p l 技术应耀予窆阈设备 散热的爵行性避行了论述，其实验醋究数据辩理论分耩戏采对撼动c p l 技术戆发震起 到了促进俸熠。俞平等“”对c p l 系绕煞稳定性俸了安验磷究，认为因诺液器温度帮蒸 发嚣温度的相互作爝而鼯致的系统内溢壤压力的振荡是系统工佟不稳定翡主要嚣素， 提国了改善系统稳定性鹣其体方法。益艺等“对其裔多巍芯扮c p l 冷凝禚雨抟流动帮 换热特住作了理论私实验研究，认为多孔芯冷凝器怒解决c p l 系统隧力波动的有效方 法。李韵东等“对毛缅芯燕管内的流动和传燕问题建立了二维耩合数学模翟，笄用 s i m p l e 算法计算了热管内部的流场、温度溺和聪力场，由此，可对燕管的工作获况作 出评价。龚蹩虞“”对卫艇发射机的熟设计问题提出了一些可行的措施，除采用纯导热 和热辐射方式外，还将热管密装在微波功放盒体的底部，使微波功放产生的热量直接 传递给热管，达到了热设计的要求。对于散热量比较少的电子元器件，可以采用微墅 热管来散发热量。李亭寒等“”建立了微型热管的维稳态传热与流动模型，对几种截 颟形式的微型热管进行了实验测试，测试表明，在通讯广播卫星中使用的行波管放大 器，其微波辐射功率可达百瓦的量级，敞热藿可达数百瓦且散热相对集中，采用熟管 辐射器可能是唯一可行的方案。华诚生“”对热管辐射器的计算和优化理论作了探讨， 研制了蜂窝铝肋扳热篱辐射器单元，并在一定的温度范豳，对用不同的热管辐射器冷 却行波綮进行了试骏，发现试验值与计算值比较接近。为了适应换热面几何特憾的要 求，乎嚣热管具有戮形热管不可替代的优点“，工作压力不太商的小型平面热管是卫 星电子仪器或元器辨的理想散热设簧。对于为卫星的红外探测嚣提供冷量的复合制冷 系统，懿露体制冷器一热管一辐射制冷器、飒摄制冷枧一热譬一辐射制冷器、半导体制冷 器一煞譬一辐射制冷器等，是透过辐射制冷器宠分剥嬲宇寓空闯低湿冷汇，并雄动制冷 器王作，热管隼元剩被羯作该系统冷董传输豹逡接帮分“，僵低涅热管对工质鸯特殊 的要求。由予太空环境串豹滚度缀低，热控系统寤动静热警内懿王羼郯处在凝圈状态， 熬管在芷常运彳予前葵经历一个王质静融亿过程，彭浇蜂等3 慰热管蠡擘雇动融纯特性作 了实验研究，实验数据与c h r i s t o p h e r 等。”的维分褥解释l u 等。2 兹二维数缓解糖 线十分接近。 1 , 3 。2 墨走终对c p l 蓉茂的或用研究 在六十年弋中期，荧国国家航空和航天管理局( n a s a ) l e w i s 研究中心的s t e n g e r 5 华中科技大学硕士学位论文 蕾先提鸯了c p l 豹概念，劳蠲造了一个以承为工庚懿不锈钢嚣爨，程重力场辉路中成 功运行，功率和溢度静交讫范围为2 4 81 0 0 0 w ，1 0 0 t 1 4 4 。c 。整个装置剿用了当时充 分发展的苹榴流技术。f 2 、2 ” 1 9 8 1 年n a s a 的g o d d a r d 宇航中心设计了用氟里暴1 1 为工震的锚割c p l 模型，采 糟由两个并联的蒸发器和两个并联的冷凝器，可将3 5 0 w 的功率传输1 0 米。实验验谥 了c p l 的一些概念，包括多蒸发器，冷凝器并联，蒸发器闻漪燕负荷分配，储液器懿 温控特憔和眍力灌注特健戬及远距离热传输能力。该中心在1 9 8 4 年设计了成为c p l i 的工程模型，以氨为工质，由8 个蒸发器组成，它能将6 3 k w 的功率传输1 0 米，并在 该模型上迸行了初步的非稳态试验。1 9 8 5 年，该中心又帝造了结构与c p l i 相闯的勇一 工程模型，称为c p l 2 。对c p l 2 进行真空试验，最大传热能力有所提高，其他的结巢 与c p l i 几乎相同。”1 1 9 8 5 年和1 9 8 6 年，美国分别进行了称为g a s ( g e ta w a ys p e c i a l ) 和h h - g ( h i t c h h i k e r g ) 的搭载空间飞行试验。g a s 实验中的两个蒸发器将2 0 0 w 的热量传输 了1 米，而在h h - g 实验中最大传输功率为5 0 0 w ，并证明了c p l 能长时间运行( 5 小 时) 。值得注意的是：从两次飞行试验的结果表明，在零重力和熏力条件下，c p l 的试 验结果几乎没什么区别，为以后的地面试验提供依撰。 在1 9 8 6 到1 9 8 7 年，g o d d a r d 字航中心，乔治华盛顿的k i p e r 在c p l i 和c p l 2 的 工瑕模型上进簿了j # 稳态特性试验磷究。湿度波动特性在c p l i 上表现不明显，丽在 c p l 2 上表瑰出苓同熬 # 稳态特燃，戈其在蒸发器入鞠= 剖隔离器处。k i p e r 指出：这些 嚣豫态特性l 孽偏差愿逸没毒找到满意驰解释，可能楚因为制造对结构参数的改变，媳 毒熊是掰受存在不凝性气体。挪“因秀没毒解决好c p l 戆菲稳态阉蹶，1 9 8 8 年，美隧 捷密7 泵辅劫c p l ，虽然把最大传热凌率圭爨来豹2 4 k w 提毫到5 2 k w ，但c p l 丧失了茏 活动部件静优点。 1 9 9 3 年和1 9 9 4 年，荑函又迸幸亍两次飞行试验，分掰称作c p l i 帮c a p l 2 。这两次 飞行试验着重用于验证c p l 的启动靛能。实猃中采蠲了步 径分羯为3 0 r i o n ，1 6 m m ，1 4 m a n 的阐柱形蒸发器，试验缩果表萌：只有外径为3 0 m m 的蒸发嚣能程地赫试验释飞行实骏 中正常启动，而后两种蒸发器虽在魄面试验中成功启动，毽在飞行试验率却不能正常 启动。j k u 解释为：大外径的蒸发器因其有较厚的毛细芯。熊有效地防止蒸汽饲流； 大外径的蒸发器因具有较大的液体空间，过冷侧流的蒸汽气泡，使之破灭。”3 6 华中科技大学硕士学位论文 在j e n t u n g k u 韵研究中发现，密动蓠由于系统因压力灌注露使蒸汽譬管定润存袭 液体，蒸汽难予推开这整惯性力较大的液体褥篌蒸发器襁灌。解决懿办法是清除蒸浅 空间，或者通过对蒸汽管路加热来实现。在奉深趱静研究串将对毖蒸汽管遂加热帮来 加热时的启动情况。 我酾以往所发射的的航天器的散热功率都不大，处麓几百瓦的羹级，函诧逶过传 统的主动或被动式热控制方式就可以满怒要求。为适应空闻平台内部功耗的逐多增翻 和高密度热流向宇宙空间的热排放的需要，我国8 6 3 航天高技术论诞报告中提出：将 c p l 技术作为空间站及空间平台的关键技术。通过试验研究，我国c p l 工程模型的最 大传热能力达到2 4 k w m ，蒸发器承受热流密度已达2 6 w m 2 ，系统的温度控蒂l 精度可 达ti o 。c 这些性能对一广大型航天器热控制应用来说都是很重溪的。 1 3 3 对c p l 篆蓑籀本瀑慧翡轿究 c p l 是一种综合系统，理论帮实践串都有许多翊题需要辑突，这毽捂毛缨裂的结 构、蒸发过程理论、徽羹力下的冷凝淫论等等。跌综合系统来说，运行懿稳定性c 压力 振荡) 问题仍是需要努力解决的鬟要问题。 尽管国内外在航天热管及其环路技术上作了大整的工俸，德许多研究尚处予初级 阶段，在卫星热控的应用上也存在些不w 环避和有待解凌静简遥，魏：c p l 系统豹 压力波动和启动性能、多孔芯蒸发器和多孑l 芯冷凝器中流动、传燕、佟质与褶交静税 理和数学模型、热管单元与不间卫疆设备换熟面板的燕匹配技术等。 基子此，本项目主要研究具有移孔芯蒸发器和多孔芯冷凝器的平面熟管毛绷泵两 相环路，并考虑应朋于星载设备或高功率密度器件的散热场合，为实现c p l 的产品化 打下基础。 1 4 本课题的研究内容及研究方法 1 4 。l 本舔纛黪研究内骞 校据蕺缀袋接叛强相流体联鼹帮分离式热警妁设诗愚鼹，课题主要研究一秘改进 垄的工质鞠交环路：它有一个热表踅秽一个冷表蘧，蒸发器秘冷凝器设计为乎扳型结 构( 其有一定的承聪范闰) ，置筠膏雹细芯。热袭覆趿收来囊仪器设备黝热量使蒸发器 内的工质汽亿，浴蒸汽管路到冷凝器，由冷表瑟( 辕菇器) 冷却戏液体，并在毛细压差 华中科技大学硕士学位论文 的作用下沿液体管路环流到蒸发器，完成两相流体循环，环路内设有储液器，以调节 c p l 的压力和工作温度。 1 4 2 本课曩的研究方法 课题研究中拟引入多孔介质理论的方法，采取理论建模、数值模拟、计算机优化 和实验研究相结合的方式，借鉴国内外以有的科研成果，扬长避短，在前期工作的基 础上，探索毛细泵抽吸环路( c p l ) 技术改进的有效方式。在“相变传热强化”和“系 统运行优化”的总体原则下，设计并研制效率高、结构紧凑、传输距离长的毛细抽吸 环路c p l 装置。本项目的研究重点为：毛细芯蒸发器和毛细芯冷凝器结构、性能和相 变传热能力。 研究方案的技术路线大致为： 匡叠j i 国一匿垂i l 囹一匿j i i i 圆一医j i j i 圃一医亟j i 鲴 1 。5 本章小结 本章简要介绍了热控技术在航天卫星等方面的应用，以毛细抽吸两相环路热控系 统为研究对象，系统总结了国内外的理论和实验研究进展，在传统的两相流研究的基 础上，引入多孔介质理论的方法，展开以改进型的c p l 系统相变环路为课题的研究。 8 华中科技大学硕士学位论文 2c p l 系统特性及理论研究方法 2 1引言 两相流体环路热控系统，是利用流体工质相变时吸热、放热的特性进行热传输和 热控制的流体系统。从驱动方法来看，两相环路可分为：机械驱动式、毛细驱动式 ( c p l ) 、混合式三种。 机械驱动两相环路常用的工质是氨或氟利昂一1 1 ，也可以根据应用环境选择其它 沸点不同的工质，如水，甲醇等。工质氨具有较高的气化潜热和热导率，但饱和压力 较高，结构设计较困难。机械驱动两相环路系统的主要优点是热传输能力强，即可以 在较远的距离上传递较大的热负荷，但它有较复杂的机械系统和控制系统。 2 2c p l 系统装置 2 2 1c p l 系统装置及部件 c p l 系统装置的典型结构如图2 - 1 所示 圈2 - 1c p u 融列强始 鞠t 围 c p l 基本装置包括蒸发器、冷凝器( 包括过冷器) 、蒸汽通道、液体通道等，辅 助部件包括储液器、隔离器、气体捕集器( 未显示) 等。 2 2 2 组成部件的作用及性能 1 、蒸发器 蒸发器的外形结构在实际应用中为便于与热源连接而一般设计为平面式的。如图 o 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = ；= = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = ；= ；= 一： 2 - 2 a 所示，在蒸发器的受热面下的盖板上有蒸汽槽道，多孔层紧贴盖板壁面，蒸发器 的两侧分别布置有蒸气腔和液体腔。平板型蒸发器有利于和受热壁面贴合，与圆柱型 蒸发器的设计相比，但在设计过程中应考虑热负荷和系统承压的问题。 集液腔蒸汽流液体流 集汽腔加热器毛细芯 图2 2 a平板型c p l 蒸发器结构示意图 a a 如图2 2 b 所示典型的圆柱型蒸发器，圆柱型蒸发器管壁内侧开有轴向槽道，管中 心置有由丝网组成的液体流动通道。自中心通道至管内壁的槽的肋端面由金属丝网组 成的径向肋沟通，其余各扇形空间则填满直径细小的塑料颗粒。工质液体从中心通道 出发，沿丝网径向流向其端面( 此处即为蒸发面) 并在此处蒸发，蒸气流向管壁轴向槽 内，再通过槽端部流入蒸气连管。 到 蒸汽流槽遴轴向槽道 圈2 2 b 圆柱型c p l 蒸发器结构示意圈 a 蒸发器中容易出现的故障表现在：蒸发器作为c p l 系统的驱动机构，毛细芯的性 质是影响驱动压头的主要因素，在部件制备过程中，应注意多孔层之间的压合紧密。 0 华中科技大学硕士学位论文 系统运行和启动过程中，应尽量避免工作介质脱离在多孔层所造成的供液不足的情 况。 试验表明“，由于材料的导热性会引起多孔层底部和液体工作介质的部分蒸发， 将不利于系统的稳定运行。蒸发器功率增加，将造成系统的稳定性下降。 2 、冷凝器 冷凝器是c p l 系统的热量排放部件，蒸汽在此处放出热量而凝结，冷凝器散热 面积需满足蒸汽凝结的需要，同时，由于c p l 系统的温度水平的控制是通过部分冷凝 器管道来实现的，因此冷凝器的面积、管道尺寸等的设置亦需满足系统的温度水平、 控温精度、控制动作的响应特性等方面的需要。c p l 的温度水平在很大程度上受冷源 的影响，因此冷凝器与外部冷源在结构上的连续、匹配，甚至与冷源的性质都关系甚 大，必须慎重设计或选择。 冷凝器一般结构仍为并联管状( 如图2 - i ) 。启动困难和压力震荡是目前面临的两 个大的问题环。为解决这个问题，1 9 9 1 年首次提出在冷凝器内加毛细芯的办法”“。此 方法的主要目的是在冷凝器内造成稳定的汽液界面，使c p l 的汽液之间有稳定的物理 界面，以此来减少甚至消除运行中的压力震荡和启动困难的问题。 3 、蒸气管道 蒸气管道的作用是将各个蒸发器的蒸气集中输送到冷凝器的管道，管道应对外绝 热。根据系统热负荷的要求合理的设计管道尺寸，流速可兼顾减小流动阻力和减小管 道直径和重量这两方面的要求。 4 、液体管道 液体管道的作用是将冷凝器凝结的工质液体集中环输到蒸发器的管道，其设计考 虑原则与蒸气连管相同。在地面试验时液体连管需置于较蒸气连管低的位置。 5 、过冷段 过冷段为于液体连管的最后一部分，作用是将工质液体在此继续受冷降至饱和温 度以下，消除混在环流工质液体中的残留蒸汽泡成为过冷凝结液。在c p l 系统运行过 程中，液体过冷将有利于系统承载更大的热负荷。 6 、储液器 在毛细抽吸两相环路系统中，储液器除用于控制系统的温度水平外，还用作在载 有热负荷及反重力的情况下对系统进行压力充装和储存过量液体。 华中科技大学硕士学位论文 在作储液器的容积尺寸设计时，只需考虑系统运行的两个极端工况求：一方面， 既是在最小热负荷及最低热沉温度条件下，能使整个冷凝器近于全部阻塞，同时储液 器中仍保留部分液体工质，满足汽液两相的条件；另一方面，在最大热负荷及最高热 沉温度条件下，冷凝器能全部开启，同时保证储液器能容纳从冷凝器流回的液体工质， 仍有一定的蒸汽存在。此外，还应确保在所有的工况下储液器本身始终只是部分地装 满液体。 储液器容积的经验值一般可取为冷凝器阻塞时，储液器中的液体剩余量k 。，余 留的蒸汽容积圪，以及最大工质量k 组成。 7 、工质 c p l 的工质是其主要的载热体。工质的选择主要由系统的工作温度及温度范围决 定。系统设计中要考虑工质必须与系统管路的材料相容，良好的工质应有良好的传输 特性，较大的表面张力和汽化潜热，小的粘性以及适当的安全的饱和压力。对于航天 应用，水和氨是最常用的工质，根根据热控的工作温度范围，也常用甲醇作工质。 系统的最大工质流量是冷凝器从阻塞到开放时，从中流出的工质量，k = 玎 这里，n 为冷凝器个数，。为冷凝器容积。 据经验值可取储液器的容积可以取为：t = 1 2 5 v , 。 8 、辅助设备 为确保系统的稳定运行，c p l 系统中的还可能有其他部件，如防止蒸汽工质流环 蒸发器而造成供液不足而设置气体捕集器；启动过程中，由于蒸发器受热，蒸汽槽道 内压力升高，可能造成液体工质脱离多孔层，为避免此种情况发生而设置隔离器；c p l 系统采用压力灌注，系统启动初期，蒸汽管道中为液体工质占据，在蒸发器的出口处 设置加热器将利于将蒸汽管道中的液体工质排除。过冷器使流过液体中的残余蒸汽凝 结，气体捕集器可捕集液体中的不凝性气体，如果液体流到隔离器时仍含有少量汽 ( 气) 相物质，则隔离器可隔离之，保证流入蒸发器的工质为纯过冷液体。 2 3c p l 系统运行工况分析 2 3 1 系统运行压力分析 以平板型c p l 系统为例，分析系统循环压力分布情况。如图2 - 3 所示 1 2 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 3 平板型c p l 系统压力分布图 图中各点的分布情况可知：位于蒸发器槽道内的点1 和位于蒸汽管路入口处的点 2 之间的压差为乓一即蒸发器槽道内的蒸汽压降；2 点与3 点之间的压差扯。代表 蒸汽管路中的平均压降：点3 与点4 之间的压差气，代表冷凝器槽道中的压力降； 点4 与点5 之间的压差啦为冷凝过程中的相变压降；点5 与点6 之间的压差蛾为 由液体工质流过多孔芯的阻力压降；点6 与点7 之间的压降峨。，代表冷凝器液体槽 道中的压差；点7 与点8 之间的纰代表液体管道压力降：点8 与点9 之间的压降皈， 有蒸发器中的槽道阻力引起，点9 与点1 0 之间的压降只，为液体工质流过蒸发器多 孔芯的压力降；点1 0 与点1 之间由于多孔芯表面虹吸作用所产生的毛细压头。 对蒸发器加热，液体从毛细芯中蒸发，形成汽液交界弯月面产生毛细抽吸力。毛 细抽吸力是毛细芯有效孔径的大小和工质表面张力： 叱，- 必= 2 a c o s o ，r 。 其中： 卸。一毛细抽吸力； 盯一工质表面张力； 眈一工质和毛细材料的接触角； ， 一毛细芯的有效孔径。 满足c p l 系统能正常稳定运行的条件是：需要毛细抽吸力克服环路各部分阻力的 华中科技大学硕士学位论文 总和。即： = 啦v + 幽，+ 吨+ 扯j + 叱 式中：只。一蒸发器中工质的流动阻力； 啦，一蒸汽管线中工质的流动阻力； 只。一冷凝器中工质的流动阻力； 卸，一液体管线中工质的流动阻力； 印。一重力压降。 与热管相比，组合而成的毛细泵能够很容易达到很大的毛细驱动力，而液、汽两 相各自的单相流动使阻力较小。这些都是c p l 能达到较大的传输能力和适应较大的功 率变化范围的主要原因。 2 3 2 系统热力状杏分析 如图2 4 所示，为平板型c p l 系统中所选有的具有代表性点的相的示意图。2 3 p p l p 2 p 4 饱和曲线 液相 5l 气相 l o 2 ll正瓦疋t 图2 - 4c p l 运行相图( 热力分析) 在c p l 系统中的相对位置可以参考图2 3 。蒸发器中位置l ，液体在饱和温度正下 蒸发，相应的局部压力为p 。随着蒸汽流向槽道下游，由于存在摩擦阻力，压力降到 蒸发器出口附近位置2 处的p ：。由于蒸发器壁面向蒸汽的传热，位置2 也代表了蒸汽 以过热状态流出蒸发器，液体也在位置2 附近的毛细芯表面蒸发。因此液体不是在恒 定温度正下而是在正和疋范围内蒸发。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 蒸汽沿蒸发器管道流动时，蒸汽压力继续降低。在位置2 和位置3 之问蒸汽经过 了一个绝热膨胀过程，其温度略有降低。从位置3 ( 冷凝器的入口) 到位置4 之间的 散热面很小，蒸汽放出显热。从位置4 到位置5 蒸汽完全凝结，冷凝的温度范围为l 到正。在冷凝器的其余部分液体继续放出显热，冷凝器出口温度降到疋，若通过过冷 器温度降到兀。在位置7 到位置9 ，压力继续降低，液体温度保持近于恒定。从图2 - 4 中可见，在蒸发器毛细芯弯月面的液体侧( 即位置1 0 ) ，液体是过热的。环路中的总 阻力损失等于( a p 。) 。 2 4c p l 系统的工作特性 2 ，4 1 工作温度的控制 c p l 系统中的温度控制，主要通过控制储液器内的工质的饱和温度或压力的变 化，而控制系统环路中的压力。工作原理可简述为：储液器通过压力改变冷凝段的有 效工作长度，从而改变冷凝段的热导和冷凝面积。当系统的热负荷或热沉温度发生变 化时，系统工作温度或压力发生变化，处于设定点温度下的储液室内的液体流进或流 出冷凝段，以改变系统总热导来维持系统的温度水平。由此可见，如当c p l 系统内的 工作温度偏低时，储液器内的加热装置便加热储液器，使其内部饱和压力升高，在压 差作用