乙烷溫區(qū)低溫環(huán)路熱管設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

劉成志 董德平 楊 帆

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

乙烷溫區(qū)低溫環(huán)路熱管設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

劉成志 董德平 楊 帆

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

為了研究低溫環(huán)路熱管在乙烷溫區(qū)的啟動(dòng)及運(yùn)行特征，通過自行設(shè)計(jì)的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，在0.7 W的驅(qū)動(dòng)功率下，低溫環(huán)路熱管可順利實(shí)現(xiàn)降溫啟動(dòng);運(yùn)行時(shí)，可傳遞12 W的冷量，并且在9W時(shí)，傳熱熱阻最小，為1.14 K/W。

低溫環(huán)路熱管 乙烷溫區(qū) 設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)

1 引言

環(huán)路熱管是一種高效的兩相傳熱設(shè)備，具有傳輸能力大、距離遠(yuǎn)、空間布置更加靈活等特點(diǎn)。隨著低溫制冷機(jī)和深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，低溫環(huán)路熱管作為熱控設(shè)計(jì)中一種重要的設(shè)備，已經(jīng)在美國開展的多個(gè)空間任務(wù)中成功地進(jìn)行了飛行測試，結(jié)果證明了其在空間應(yīng)用中的可行性與可靠性［1-2］。

由于使用場合的限制，低溫環(huán)路熱管(cryogenic loop heat pipe，CLHP)常用于小冷量傳遞，但對傳熱溫差卻有著較為苛刻的要求，因此在進(jìn)行低溫環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)時(shí)，希望其能在滿足冷量傳輸?shù)囊笙?，冷熱兩端的溫差盡可能小。本文介紹一種自行研制的低溫環(huán)路熱管，通過實(shí)驗(yàn)測試其降溫啟動(dòng)性能及冷量傳輸能力。實(shí)驗(yàn)證明，低溫環(huán)路熱管可傳遞12 W的冷量，傳遞9 W的冷量時(shí)，傳熱熱阻最小為1.14 K/W。

2 低溫環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)及測試系統(tǒng)

通常在低溫環(huán)路熱管中，會采用次蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)來輔助其降溫啟動(dòng)［3］，但在本設(shè)計(jì)的低溫環(huán)路熱管中，不使用次蒸發(fā)器，對冷凝器采用一種新的加工方法，使其能夠起到次蒸發(fā)器的作用。

如圖1所示為冷凝器的設(shè)計(jì)模型圖。該冷凝器的設(shè)計(jì)方法為:使用精密機(jī)床在紫銅塊內(nèi)部刻出蛇形工質(zhì)換熱通道，由于該加工工藝受尺寸的限制很小，因此這種方法可以在一塊較小的紫銅塊表面加工出較長的工質(zhì)流動(dòng)通道，因此可以通過增加工質(zhì)的流動(dòng)通道的長度來提高冷凝器的冷凝能力。同時(shí)，在工質(zhì)的流通通道上使用機(jī)加工的方式加工出簡單的金屬凸起。金屬凸起的作用:(1)作為強(qiáng)化凝結(jié)措施，提高冷凝器的冷凝能力;(2)作為一種毛細(xì)結(jié)構(gòu)，通過在冷凝器表面布置加熱片驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流向主蒸發(fā)器，起到次蒸發(fā)器的作用。基于這種方法，設(shè)計(jì)了一種新型的冷凝器，并測試了基于這種冷凝器的低溫回路熱管的降溫啟動(dòng)和傳熱性能。

圖1 冷凝器的設(shè)計(jì)模型圖Fig.1 Design model of condenser

圖2和圖3分別為低溫環(huán)路熱管實(shí)物圖和低溫環(huán)路熱管上測溫點(diǎn)示意圖，實(shí)驗(yàn)中采用Pt100的鉑電阻測溫，在蒸發(fā)器表面使用80 Ω的薄膜加熱片來模擬熱源，加熱功率記為H1;在冷凝器靠近液體管線的位置表面布置25 Ω的薄膜加熱片，用于驅(qū)動(dòng)冷凝器內(nèi)部的工質(zhì)流向蒸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)加熱功率記為H2。在測溫鉑電阻中，其中冷源表面的鉑電阻記為TC1，冷凝器、液體管線、液池、蒸發(fā)器和氣體管線上所粘貼鉑電阻依次記為 TC2、TC3、TC4、TC5 和 TC6，位置如圖3所示。

圖2 低溫環(huán)路熱管實(shí)物圖Fig.2 Prototype of cryogenic loop heat pipe

圖3 低溫環(huán)路熱管測溫點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Pt100 locations on cryogenic loop heat pipe

表1為低溫環(huán)路熱管各部分的參數(shù)，根據(jù)表中各部分參數(shù)計(jì)算出所需的充裝工質(zhì)量，低溫環(huán)路熱管設(shè)計(jì)工作溫度在190 K，其中液體管線中充滿液體，氣體管線中充滿氣體，冷凝器內(nèi)部按照50%液體，50%氣體;蒸發(fā)器內(nèi)部吸液芯100%充滿液體，液池內(nèi)部50%液體，50%氣體。因此有:

式中:VEva、VCC、VLL、VVL、VCond分別為蒸發(fā)器、液池、液體管線、氣體管線和冷凝器的體積，可根據(jù)表1中數(shù)據(jù)計(jì)算得到，ρl和ρv為乙烷工質(zhì)液相和氣相密度，m為所需的乙烷工質(zhì)質(zhì)量。

190 K 時(shí)，ρl=535.8 kg/m3，ρv=2.667 33 kg/m3［4］，由于ρv遠(yuǎn)小于ρl，所以計(jì)算時(shí)忽略后項(xiàng)，近似可得:

實(shí)驗(yàn)中采用質(zhì)量流量計(jì)來監(jiān)測工質(zhì)流量，因此需將上述工質(zhì)質(zhì)量m換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(1×105Pa、25℃)的質(zhì)量流量V(單位為標(biāo)準(zhǔn)升SL)，工質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣相密度 ρ=1.238 5 kg/m3［4］:

表1 低溫環(huán)路熱管各部分的參數(shù)Table 1 Parameters of cryogenic loop heat pipe

整個(gè)實(shí)驗(yàn)在φ500 mm×800 mm的真空室中進(jìn)行，真空系統(tǒng)的真空度優(yōu)于10-3Pa，把對流換熱的影響降到最低;另外，為減小真空系統(tǒng)輻射漏熱對低溫環(huán)路熱管性能的影響，管體外表面覆蓋多層隔熱材料。實(shí)驗(yàn)過程中，使用液氮作為冷源，并輔以一定的控溫措施。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測試了低溫環(huán)路熱管降溫啟動(dòng)及冷量傳輸能力。圖4為低溫環(huán)路熱管的降溫曲線，實(shí)驗(yàn)中采用液氮作為冷源，因此剛開始時(shí)冷源和冷凝器溫度急劇下降到100 K，通過控溫，逐漸把冷源溫度恢復(fù)并穩(wěn)定在190 K左右。待冷源溫度穩(wěn)定后，在16:10，給冷凝器施加0.8 W的功率，液體管線溫度開始下降，后又在16:35，增加冷凝器的加熱功率至1.6 W，液體管線溫度加速下降，待液體管線溫度降至190 K并趨于穩(wěn)定后，降低冷凝器加熱功率至0.7 W，觀察發(fā)現(xiàn)液池、蒸發(fā)器及氣體管線溫度依次下降至190 K左右，至17:40，低溫環(huán)路熱管各部件溫度均降至設(shè)計(jì)要求的工作溫區(qū)內(nèi)，關(guān)閉冷凝器加熱，降溫結(jié)束，整個(gè)過程持續(xù)了約90分鐘。

圖4 低溫環(huán)路熱管的降溫曲線Fig.4 Temperature decrease curve of cryogenic loop heat pipe

圖5為低溫環(huán)路熱管的工作曲線，在18:13，在蒸發(fā)器上施加5 W的啟動(dòng)加熱功率，工質(zhì)在此功率的驅(qū)動(dòng)下流動(dòng)起來進(jìn)入氣體管線，引起氣體管線溫度降低，熱管啟動(dòng)，待各部件溫度穩(wěn)定后降低加熱功率至2 W，又在6.87 W、9 W、12 W三個(gè)加熱功率下測試了熱管性能，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)路熱管均能正常工作。

圖6為低溫環(huán)路熱管的溫差熱阻曲線圖，觀察發(fā)現(xiàn)，熱管在傳遞9 W冷量時(shí)，其傳熱熱阻最小，為1.14 K/W。

圖5 低溫環(huán)路熱管的工作曲線Fig.5 Working curve of cryogenic loop heat pipe

圖6 低溫環(huán)路熱管的溫差熱阻曲線圖Fig.6 Temperature difference and thermal resistance curve of cryogenic loop heat pipe

4 結(jié)論

介紹了一種以乙烷作為工質(zhì)的低溫環(huán)路熱管，該低溫環(huán)路熱管不采用次蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)，通過加熱冷凝器驅(qū)動(dòng)工質(zhì)流動(dòng);通過在冷凝器上施加一定的加熱功率，促進(jìn)低溫環(huán)路熱管的降溫啟動(dòng)，整個(gè)降溫的時(shí)間約90分鐘;實(shí)驗(yàn)證明，低溫環(huán)路熱管可傳遞12 W的冷量，在傳遞9 W冷量時(shí)，其傳熱熱阻最小。

1 Ku J.Operation characteristics of loop heat pipes［C］.29th International Conference on Environmental System.Colorado，1999.

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

3 Triem T Hoang，Tamara A.O’Connell，J Ku，et al.Design optimization of a hydrogen advanced loop heat pipe for space-based IR sensor and detector cryocooling［J］.Proceedings of SPIE，2003，5172:86-96.

4 陳國邦，包 銳，黃永華.低溫工程技術(shù)(數(shù)據(jù)卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Design and experimental investigations of ethane cryogenic loop heat pipe

Liu Chengzhi Dong Deping Yang Fan

(Shanghai Institute of Technical Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200083，China)

In order to investigate the startup and working characteristics of the ethane cryogenic loop heat pipe，a self-designed prototype cryogenic loop heat pipe was made to carry out the relevant experiments.The experimental results show that the cryogenic loop heat pipe can accomplish the temperature decreasing process and startup under 0.7 W drive power，has the highest heat transfer capacity of 12 W in running and has the minimum thermal resistance of 1.14 K/W when running at 9 W.

cryogenic loop heat pipe;ethane;design;experiment

TB663

A

1000-6516(2011)06-0057-03

2011-10-14;

2011-11-30

劉成志，男，23歲，博士研究生。