深冷環(huán)路熱管超臨界啟動實驗研究

周順濤 莫 青 張紅星 苗建印

1 引言

深冷環(huán)路熱管(CLHP)的工作原理與常溫環(huán)路熱管(LHP)類似，它依靠蒸發(fā)器毛細芯產(chǎn)生的毛細力作用，使得低溫工質(zhì)在回路內(nèi)產(chǎn)生流動，實現(xiàn)熱量的收集、傳輸與排散［1］。對于環(huán)路熱管，啟動問題目前仍是困擾其步入實際應用的一個關鍵問題。從文獻［2-5］知，無論回路處于何種工況，能夠保證LHP順利啟動的首要條件就是蒸發(fā)器毛細芯能夠被液體工質(zhì)良好浸潤。普通LHP(如氨環(huán)路熱管)在常溫下回路內(nèi)工質(zhì)處于氣液兩相狀態(tài)，蒸發(fā)器毛細芯一般都處于浸潤狀態(tài)，因此只需在蒸發(fā)器上直接施加熱載荷即能進行啟動。但是對于CLHP，其采用的都是低溫工質(zhì)(如氮、氫)，在非工作狀態(tài)時(CLHP處于常溫環(huán)境)，回路內(nèi)這類工質(zhì)一般處于超臨界狀態(tài)［6］。因此，深冷環(huán)路熱管不能像常溫環(huán)路熱管一樣可以直接運行，而是需要在正常工作前將深冷環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)冷卻到氣液兩相狀態(tài)，并使其內(nèi)部的氣液分布滿足啟動要求。當CLHP完成超臨界啟動后，其工作狀態(tài)與普通環(huán)路熱管類似。因此實現(xiàn)深冷環(huán)路熱管的超臨界啟動過程，是深冷環(huán)路熱管研制過程中必須首先解決的關鍵問題。

為了對CLHP的啟動特性及其影響因素有一個比較全面的了解和認識，本文通過實驗從儲氣室接入位置、副蒸發(fā)器功率、充裝壓力等方面對CLHP進行了研究，并對實驗現(xiàn)象進行了描述與分析。

2 實驗裝置

如圖1和圖2分別給出采用的小型CLHP測溫點分布圖和實物圖(其中儲氣室的位置根據(jù)實驗情況有所不同)，表1給出了主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。該CLHP采用氮為工質(zhì)，工作溫度范圍為80 K—120 K。除毛細芯材料為鎳粉外，其余均為不銹鋼。

表1 CLHP結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of CLHP

整個實驗在真空罐中進行，真空系統(tǒng)的真空度優(yōu)于10-2Pa，可忽略對流換熱的影響。另外，為了減小輻射漏熱的影響，CLHP管壁(除儲氣室)都采用20層的鍍鋁聚酯薄膜包裹。熱源采用的是纏繞在蒸發(fā)器有效加熱段的康銅加熱片模擬，通過改變輸入電壓來模擬不同功率的熱源。另外，實驗中將儲氣室遠離蒸發(fā)器和冷凝器，減少常溫儲氣室對回路的漏熱。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 儲氣室位置對啟動的影響實驗

對于CLHP，儲氣室可以有兩個接入位置，如圖1中實線所示位置(第1種接入位置)和虛線所示位置(第2種接入位置)。在第1種接入形式中，儲氣室與蒸氣管線直接相連，且盡量靠近主冷凝器入口側(cè);第2種接入形式中，儲氣室則連接在次回路的回流管線上。為了考察儲氣室位置對CLHP回路啟動性能的影響，分別對CLHP樣機兩種接入位置進行了實驗。其中除了儲氣室位置不同外，測溫點的布置位置都相同。

圖3給出了儲氣室為第1種接入位置時的超臨界啟動過程。在開啟熱沉之后T11迅速下降，同時副蒸發(fā)器溫度T9也隨之降低。當T9達到臨界溫度(Tcr=126 K)時，主蒸發(fā)器側(cè)溫度T2、T3、T4突然降低，而后又逐漸回升。這個溫度變化過程是由于儲氣室對副儲液器等結(jié)構(gòu)進行工質(zhì)補充造成的。在10∶40左右，對副蒸發(fā)器施加5 W載荷，此時T10立刻下降，并維持在Tcr以下，表明副蒸發(fā)器已經(jīng)順利啟動。之后，在副蒸發(fā)器毛細力的驅(qū)動下，不斷有液體工質(zhì)從主冷凝器沿液體管線流向主蒸發(fā)器側(cè)，于是先前回升的T2、T3、T4又開始逐漸降低。經(jīng)過約6 min的降溫，主蒸發(fā)器溫度T3已經(jīng)達到了臨界溫度以下，這時主蒸發(fā)器亦達到了啟動條件。在11∶00對副蒸發(fā)器加載2 W功率，主蒸發(fā)器出口T4發(fā)生陡降而后保持穩(wěn)定，說明主蒸發(fā)器中有低溫蒸氣產(chǎn)生，其毛細芯在副蒸發(fā)器的作用下得到了液體良好浸潤。以上現(xiàn)象表明，回路成功完成了超臨界啟動過程。

圖3 儲氣室第1種接入位置的超臨界啟動過程Fig.3 Supercritical startup of CLHP with the 1st hot reservoir location

對于儲氣室第2種接入位置的超臨界啟動過程如圖4所示。整個啟動過程與圖3類似，包括副蒸發(fā)器降溫啟動過程和主蒸發(fā)器降溫啟動過程。但是，從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩種情況所對應的啟動現(xiàn)象有所不同。主要體現(xiàn)在對副蒸發(fā)器降溫時，圖4中T2、T3、T4并沒像圖3中一樣發(fā)生先下降后回升的現(xiàn)象，而是一直保持在常溫狀態(tài)。該現(xiàn)象的原因是儲氣室對回路工質(zhì)補充的路徑不同:對于第1種接入位置，儲氣室中的工質(zhì)需要先經(jīng)過主冷凝器降溫，然后這部分低溫工質(zhì)經(jīng)主蒸發(fā)器和主儲液器(T2、T3、T4降低的原因)，再由次回路回流管線進入次冷凝器和副儲液器中，而后待工質(zhì)補充過程結(jié)束T2等又逐漸回升;而對于第2種接入位置，儲氣室的工質(zhì)可以直接對副儲液器補氣，而不需要經(jīng)過主冷凝器和主蒸發(fā)器。

通過實驗知，儲氣室的接入位置對CLHP啟動的影響不大，采用以上兩種接入位置均能實現(xiàn)超臨界啟動過程。但是在進行設計時，儲氣室應盡量遠離主蒸發(fā)器側(cè)，以減少漏熱影響。

圖4 儲氣室第2種接入位置的超臨界啟動過程Fig.4 Supercritical startup of CLHP with the 2nd hot reservoir location

3.2 副蒸發(fā)器功率對啟動的影響實驗

如圖5所示，在13:45左右副蒸發(fā)器溫度T9已經(jīng)降低至臨界溫度以下并趨于穩(wěn)定，此時對副蒸發(fā)器先施加2 W功率，出口溫度T10迅速下降，副蒸發(fā)器啟動。同時，可以看出T2、T3、T4也開始逐漸降低。副蒸發(fā)器啟動約170 min后，主蒸發(fā)器溫度T3降低至180 K且趨于平緩，表明從主冷凝器轉(zhuǎn)移至主蒸發(fā)器的冷量與主蒸發(fā)器自身的環(huán)境寄生漏熱達到了平衡。由于該溫度明顯高于工質(zhì)氮的臨界溫度126 K，主蒸發(fā)器內(nèi)不可能為氣液兩相工質(zhì)，其毛細芯亦不可能被液體工質(zhì)浸潤，因而無法啟動主蒸發(fā)器，即對副蒸發(fā)器施加2 W的熱載荷不能實現(xiàn)CLHP的超臨界啟動。

圖5 副蒸發(fā)器功率對啟動的影響Fig.5 Effect of secondary evaporator heat load on supercritical startup

此后，將副蒸發(fā)器上的熱載荷提高至了3 W，此時主蒸發(fā)器溫度T3立即加速下降至臨界溫度以下。當T3降至約106 K時，主蒸發(fā)器出口溫度T4迅速下降，表明液體工質(zhì)開始浸潤主蒸發(fā)器毛細芯。當主蒸發(fā)器溫度逐漸穩(wěn)定時，即可對主蒸發(fā)器施加熱載荷來啟動主回路。

由圖5可知，受寄生漏熱的影響，要實現(xiàn)該CLHP的超臨界啟動，副蒸發(fā)器上所需施加的最小熱載荷介于2 W和3 W之間，并且增大副蒸發(fā)器功率能明顯加快主蒸發(fā)器降溫過程。

3.3 充裝壓力對啟動的影響實驗

充裝壓力對CLHP啟動的影響主要在降溫過程中。由于CLHP啟動前，其內(nèi)部工質(zhì)處于超臨界狀態(tài)，只有當溫度和壓力降低至臨界溫度和臨界壓力以下時，才會發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。對于給定的CLHP，如果充裝壓力太大可能會導致在主冷凝管線、冷凝管線以及副儲液器和副蒸發(fā)器溫度降至臨界溫度以下時，回路中的壓力仍然高于臨界壓力，因而不會產(chǎn)生凝結(jié)液。

如圖6所示，CLHP降溫時間隨充裝壓力的變化關系(保持Q1=0 W，Q2=4 W)，圖中的降溫時間是指從副蒸發(fā)器加載功率開始到主蒸發(fā)器溫度降低到臨界溫度所需的時間。從圖中可以看出，CLHP的降溫時間隨著壓力的增大，呈現(xiàn)“√”型變化，在充裝壓力為1.0 MPa時，系統(tǒng)所需的降溫時間最短，僅需要15 min。當充裝壓力高于或者低于1.0 MPa時，降溫速度都比1.0 MPa時慢。實驗結(jié)果顯示，對于給定的CLHP存在一個最佳充裝壓力，在該充裝壓力下的降溫過程中主蒸發(fā)器能夠以最短時間達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于采用的CLHP，其最佳充裝壓力在1.0 MPa左右。

圖6 充裝壓力對啟動時間的影響關系Fig.6 Time of supercritical startup versus filling pressure

圖7 給出了降溫穩(wěn)定時主要特征點溫度隨充裝壓力的變化情況(Q1=0 W，Q2=4 W)。隨著壓力的增大，主蒸發(fā)器和主儲液器的溫度都逐漸升高。這是由于充裝壓力增大，回路內(nèi)的飽和壓力增大，使得回路溫度升高。另外，實驗發(fā)現(xiàn)當充裝壓力較小時(如圖7中的0.5 MPa和0.7 MPa)，所測得的副蒸發(fā)器溫度很高。特別是當充裝量為0.5 MPa時，副蒸發(fā)器溫度已經(jīng)高于臨界溫度，但最后回路仍然實現(xiàn)了主蒸發(fā)器的降溫過程，表明此過程中的副蒸發(fā)器仍處于運行狀態(tài)。為何副蒸發(fā)器溫度偏高，分析其原因是由于充裝壓力小時，隨著降溫過程的不斷進行，大部分工質(zhì)都轉(zhuǎn)移到了主儲液器和主蒸發(fā)器中，使得副蒸發(fā)器側(cè)的工質(zhì)量相對不足。與一般的環(huán)路熱管不同，雖然副蒸發(fā)器中的工質(zhì)量不足，但是由于CLHP副儲液器與熱沉是直接相連的，其作用相當于冷凝器。因此，只要冷卻效果好，副儲液器中就會不斷有凝結(jié)液形成并進入毛細芯中，當所加功率不是很大時也不會出現(xiàn)毛細芯完全燒干的情況，所以回路仍然可以維持運行。

圖7 主要特征點溫度隨充裝壓力的變化Fig.7 Temperature variations of critical parts versus filling pressures

需要注意的是，充裝壓力對啟動時間的影響并非絕對的，因為在充裝壓力大的情況下仍然可以通過增加副蒸發(fā)器功率，以加快主蒸發(fā)器的降溫過程，縮短啟動時間，如圖5中所示。

4 結(jié)論

對深冷環(huán)路熱管的超臨界啟動過程進行了描述，并通過實驗研究了儲氣室位置、副蒸發(fā)器功率以及充裝壓力對超臨界啟動過程的影響，結(jié)果表明:

(1)CLHP儲氣室的兩種接入位置(蒸氣管線和次回路回流管線)都能實現(xiàn)超臨界啟動，只是受補氣路徑的不同其啟動現(xiàn)象會存在差異。另外，建議儲氣室應盡量遠離主蒸發(fā)器側(cè)，以減小其對主蒸發(fā)器的漏熱影響。

(2)在系統(tǒng)漏熱量一定時，副蒸發(fā)器存在一個最小啟動功率，在副蒸發(fā)器功率大于或等于該功率時，才能使主蒸發(fā)器達到啟動條件(毛細芯得到液體浸潤)，而小于該功率時主蒸發(fā)器受寄生漏熱的影響，不能實現(xiàn)液體工質(zhì)對其毛細芯的良好浸潤。

(3)對于回路結(jié)構(gòu)一定的CLHP，當副蒸發(fā)器功率一定時，其存在一個最佳充裝壓力，在該充裝條件下能使得啟動過程最為迅速。

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