不凝氣體對(duì)熱虹吸環(huán)路工作性能的影響

何 江，林貴平

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

0 引言

熱虹吸環(huán)路是一種依靠重力驅(qū)動(dòng)的閉式相變傳熱設(shè)備，由蒸發(fā)器、冷凝器、蒸氣管線和液體管線構(gòu)成[1]，見(jiàn)圖 1。通常，在冷凝器末端安裝一個(gè)儲(chǔ)液器，以保證蒸發(fā)器內(nèi)供液量充足，加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。相比于其他兩相設(shè)備，熱虹吸環(huán)路不含運(yùn)動(dòng)部件或毛細(xì)結(jié)構(gòu)，具備制造和維護(hù)成本低、可靠性高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱、地?zé)嵯到y(tǒng)、核反應(yīng)堆冷卻、電子設(shè)備散熱等多個(gè)領(lǐng)域[2-5]。

存在于系統(tǒng)封閉空間，并且在系統(tǒng)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)法冷凝為液相的不凝氣體（Non-condensable gases, NCG）是限制兩相傳熱設(shè)備壽命的重要因素。NCG主要來(lái)源于系統(tǒng)內(nèi)殘留的污染物。一方面，這些污染物與管殼及工質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生NCG。另一方面，氣態(tài)污染物（例如空氣）可吸附于毛細(xì)結(jié)構(gòu)和管體內(nèi)表面，或者溶解于工質(zhì)，在壽命周期內(nèi)，逐漸從原介質(zhì)中脫附或析出，形成NCG。

圖1 典型熱虹吸環(huán)路工作原理圖

國(guó)際上針對(duì)NCG影響兩相傳熱系統(tǒng)的研究工作，主要集中在傳統(tǒng)熱管、熱虹吸管和環(huán)路熱管。NCG匯集在冷凝區(qū)域，不僅減小冷凝段有效面積，降低冷凝器換熱能力，同時(shí)提高系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，導(dǎo)致系統(tǒng)工作溫度升高、啟動(dòng)過(guò)程困難[6-10]。然而，已知的研究工作極少涉及NCG對(duì)熱虹吸環(huán)路性能的影響，相關(guān)基礎(chǔ)性研究工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程應(yīng)用。

熱虹吸環(huán)路的工作性能主要取決于蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器內(nèi)工質(zhì)的飽和狀態(tài)。NCG的存在產(chǎn)生分壓力PNCG，進(jìn)而造成蒸發(fā)器飽和壓力以及飽和溫度的升高，如式(1)所示：

其中，Psat.e和Psat.r分別為蒸發(fā)器和儲(chǔ)液器內(nèi)的飽和蒸氣壓，PG為液體管線內(nèi)液體重力壓力，Pf為工質(zhì)的流動(dòng)阻力。由于工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的熱力過(guò)程，蒸發(fā)器位置壓力和溫度的會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)溫度、壓力的變化，從而影響系統(tǒng)的運(yùn)行特性。

本文采取人為逐步充裝NCG的方法，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)特征部位的溫度值，獲得了定量NCG存在時(shí)，熱虹吸環(huán)路穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律，分析了NCG對(duì)系統(tǒng)總熱導(dǎo)的影響規(guī)律。本文采用冷板對(duì)冷凝器強(qiáng)制制冷，對(duì)比了常溫和低溫兩種工況下，NCG對(duì)工作性能的影響效果。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 2所示。熱虹吸環(huán)路管殼材料為不銹鋼，工質(zhì)為氨。蒸發(fā)器由四個(gè)并聯(lián)的管路構(gòu)成，每支管路分別與一個(gè)鋁制翅片連結(jié)，翅片外表面與電阻加熱片貼合。冷凝管線預(yù)埋在一塊鋁制的輻射板內(nèi)部。本實(shí)驗(yàn)采取兩種方式對(duì)冷凝管線制冷。其一是冷凝管線將熱量傳導(dǎo)至輻射板，然后通過(guò)自然對(duì)流和輻射作用將熱量排散至周圍環(huán)境，稱為室溫工況。其二是在冷凝管線外表面布置兩根并聯(lián)的冷板，冷板側(cè)冷卻介質(zhì)為酒精，可控溫的制冷機(jī)可模擬不同溫度的熱沉，稱為低溫工況。整個(gè)系統(tǒng)采用海綿絕熱材料包裹，以減少與外環(huán)境的換熱。實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 1。本實(shí)驗(yàn)采用28個(gè)T型熱電偶測(cè)量特征點(diǎn)的溫度變化，測(cè)量誤差為±0.5℃，熱電偶的測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖 2。作為一種惰性氣體，氮?dú)獗贿x擇作為模擬NCG。

NCG的定量充裝基于理想氣體狀態(tài)方程，充裝系統(tǒng)如圖 3所示。根據(jù)充裝前后管路內(nèi)（體積為V0）壓力的變化獲得。本實(shí)驗(yàn)先后兩次向回路充裝4×10-3mol氮?dú)猓@得了熱虹吸回路內(nèi)存在4×10-3mol和8×10-3mol的兩種狀態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 NCG對(duì)系統(tǒng)溫度分布的影響

圖4和圖5分別為室溫和低溫工況下，系統(tǒng)在無(wú)NCG、4×10-3mol和8×10-3mol三種條件下的部件溫度分布。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

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圖3 NCG充裝系統(tǒng)

圖4 室溫工況穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

圖5 低溫工況穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

系統(tǒng)在室溫工況、25W熱載荷的部件溫度分布見(jiàn)圖4（a）。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)不含NCG時(shí)，液體工質(zhì)在蒸發(fā)器管路內(nèi)受熱產(chǎn)生核態(tài)沸騰，氣泡由蒸發(fā)器底部向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，被進(jìn)一步加熱，故溫度逐漸升高。系統(tǒng)溫度的最大值出現(xiàn)在四支蒸發(fā)器管路的出口處，即TC3、6、9、12。由于工質(zhì)在各支蒸發(fā)器管路內(nèi)的流量具有隨機(jī)性，因此管路彼此間的溫度值存在差異。根據(jù)飽和沸騰理論，為保證氣泡能夠在浮力推動(dòng)下穿過(guò)液體表面并最終從自由表面逸出，工質(zhì)溫度需存在一定的過(guò)熱度。因此，蒸發(fā)器溫度高于蒸氣管線入口溫度。圖4（b）為室溫工況、105W熱載荷的溫度分布。在大熱載荷條件下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度整體升高，但分布特性與25W熱載荷相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在25W～105W熱載荷范圍內(nèi)，系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，熱性能符合預(yù)期。

系統(tǒng)內(nèi)含有4×10-3molNCG時(shí)，蒸發(fā)器溫度如預(yù)期升高，進(jìn)而導(dǎo)致蒸氣管線溫度和冷凝器入口處溫度升高。然而，冷凝器出口溫度卻因?yàn)镹CG的存在而降低，其原因如下：根據(jù)牛頓冷卻公式，單位時(shí)間內(nèi)物體單位表面積與流體交換的熱量，同物體表面溫度與流體溫度之差成正比：

其中，q''為對(duì)流熱流密度，h 為換熱系數(shù)，T∞和Ts分別為工質(zhì)溫度和冷凝器表面溫度。本實(shí)驗(yàn)中，熱沉為定溫邊界條件，故冷凝器表面溫度可近似認(rèn)為不變，于是冷凝器進(jìn)口處溫度升高將導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)換熱量增大。由于冷凝器與熱沉之間的總換熱量恒定，因此，冷凝器出口區(qū)域的換熱量勢(shì)必減小，造成冷凝器出口處溫度降低，故儲(chǔ)液器溫度隨之降低。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)NCG含量由4×10-3mol增加至8×10-3mol，蒸發(fā)器溫度進(jìn)一步升高，儲(chǔ)液器溫度繼續(xù)下降。比較圖4（a）和（b）可知，NCG對(duì)系統(tǒng)部件溫度的影響趨勢(shì)在25W和105W兩種熱載荷條件下相似。

由式（1）可知，蒸發(fā)器飽和溫度Tsat.e受儲(chǔ)液器內(nèi)工質(zhì)飽和壓力Psat.r和NCG分壓力PNCG共同影響。雖然NCG的存在一定程度上降低了儲(chǔ)液器溫度，導(dǎo)致Psat.r下降，但是綜合PNCG的作用，依然造成蒸發(fā)器飽和溫度的升高。然而，在室溫工況下，NCG對(duì)系統(tǒng)部件溫度的影響有限，在兩種加熱功率條件下，即使存在8×10-3molNCG，蒸發(fā)器溫升不超過(guò)3℃。

圖5給出了系統(tǒng)在低溫工況下的部件溫度分布。結(jié)果表明，熱沉溫度降低，系統(tǒng)整體溫度下降，但溫度分布規(guī)律與室溫工況類似，運(yùn)行特性未發(fā)生改變。然而，相比于室溫工況，蒸發(fā)器溫度的提升明顯：在4×10-3mol條件下，蒸發(fā)器溫度提高約5℃，而在8×10-3mol條件下，蒸發(fā)器溫度上升約10℃。對(duì)于工質(zhì)氨，其飽和壓力隨溫度的降低而迅速降低。而對(duì)于NCG，可看作是理想氣體，假設(shè)占據(jù)的體積不變，其分壓力隨溫度的降低緩慢減小。換言之，在低溫狀態(tài)下，PNCG在儲(chǔ)液器總壓Ptot.r中所占比重增加，因此NCG對(duì)于蒸發(fā)器飽和溫度的影響更加顯著。

2.2 系統(tǒng)總熱導(dǎo)

工程上，通常用熱導(dǎo)評(píng)價(jià)傳熱設(shè)備性能的優(yōu)劣。定義熱虹吸環(huán)路系統(tǒng)的總熱導(dǎo)

其中，Q 為傳熱量，Te和Tsink分別為蒸發(fā)器溫度和熱沉溫度。室溫工況，Tsink= Tamb=21℃，低溫工況，Tsink= Tcooling=?25℃。如圖6所示，隨著熱載荷的升高，兩種工況下，熱導(dǎo)逐漸增加。NCG的引入提高了Te，因此導(dǎo)致熱導(dǎo)降低。根據(jù)上文分析，由于低溫下，NCG對(duì)于Te的影響更加顯著，因此在低溫工況下，系統(tǒng)熱阻的降低也相對(duì)更為明顯。系統(tǒng)熱導(dǎo)的減小，會(huì)引起熱性能的下降。在散熱領(lǐng)域，通常發(fā)熱設(shè)備和熱虹吸環(huán)路之間的熱阻為定值，因此蒸發(fā)器溫度的升高直接導(dǎo)致被控設(shè)備溫度上升，從而增加設(shè)備的失效機(jī)率，降低設(shè)備壽命。在傳熱領(lǐng)域，熱虹吸環(huán)路整體工作溫度的升高，會(huì)增加了系統(tǒng)與外界的漏熱，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)際傳熱量的下降。

圖6 系統(tǒng)總熱導(dǎo)隨熱載荷的變化關(guān)系

3 結(jié)論

本文采用實(shí)驗(yàn)手段，研究了不凝氣體對(duì)熱虹吸環(huán)路工作性能的影響?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，得出以下結(jié)論：

（1）相同工況下，NCG的存在提高了蒸發(fā)器區(qū)域的溫度，并使得儲(chǔ)液器溫度降低。

（2）NCG減小了系統(tǒng)總熱導(dǎo)，從而降低系統(tǒng)的傳熱和散熱能力。

（3）系統(tǒng)工作在低溫工況時(shí)，NCG對(duì)穩(wěn)態(tài)熱性能的影響更加顯著。

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