毛細芯蒸發(fā)器啟動和運行特性

李金旺 鄒勇 程林

（南京電子技術研究所，南京210039） （山東大學，濟南250061）

1 引言

環(huán)路熱管 （Loop heat pipe，LHP）作為一種熱控制設備，它能夠在溫度達到一定值后自行啟動，將系統(tǒng)的溫度控制在一定的范圍之內。然而，在環(huán)路熱管啟動和運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)較大的溫度波動，引起了大量學者的關注。

文獻[1-8]都對環(huán)路熱管啟動和運行過程中的溫度波動等特性進行了研究，但這些方面的研究還不夠，這也是環(huán)路熱管領域亟待解決的重要問題之一。由于環(huán)路熱管是一個相對較為復雜的系統(tǒng)，其蒸發(fā)器輸出的高溫蒸氣作為冷凝器的輸入，冷凝器輸出的液體工質又作為蒸發(fā)器的輸入，中間過程中的相變、工質傳輸和熱量傳遞等又與外界的熱流情況、蒸發(fā)器、冷凝器及各有關管路等部件的參數(shù)有關，將環(huán)路熱管作為一個整體、同時研究這些參數(shù)的影響是很難弄清各個因素的具體影響的。本文在環(huán)路熱管開環(huán)的情況下 （沒有連接蒸氣管路）進行試驗研究，巧妙地避開工質循環(huán)和冷凝器等方面帶來的影響，專注于研究毛細芯孔隙率和熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性尤其是對溫度波動的影響，通過開環(huán)熱管與環(huán)路熱管相比較，從而得出一些對環(huán)路熱管有用的結論。

2 試驗材料與方法

圖1是一個典型的環(huán)路熱管示意圖，本文的試驗在沒有連接蒸氣管路 （圖1中虛線部分）和豎直放置的情況下進行研究的。

試驗所用的毛細芯為燒結多孔鎳芯，尺寸均相同，即外徑為14mm，長度為22mm，內部液體干道直徑和長度分別為6mm和16mm，毛細芯的孔隙率在68%～78%之間，有效導熱系數(shù)在2.2～3.2W／（m·K），平均孔徑在0.82～0.88μm[9-10]。

工作液體為丙酮，充裝量均為8g。蒸發(fā)器、儲液器和相應的液體管路均為紫銅管，管徑分別為14mm，14mm，4mm，壁厚均為2mm。

加熱方式采用電阻絲加熱，功率分別采用4～16W。試驗測試蒸發(fā)器的溫度變化情況，蒸發(fā)器的溫度取同一線上中部、上部和下部三處的平均值。溫度采用熱電偶測量，數(shù)據(jù)使用FLUKE 2640A及其配套軟件進行采集和處理。

3 結果與討論

3.1 蒸發(fā)器典型的啟動和運行過程

美國宇航局的Ku指出LHP的啟動是其運行過程中最復雜的瞬態(tài)現(xiàn)象，LHP啟動時其蒸發(fā)器內有多種氣液分布：蒸氣通道充滿蒸氣；蒸氣通道充滿液體；液體通道充滿液體；液體通道充滿蒸氣[11]。張紅星等人通過對LHP進行不同方位和不同時間的放置實現(xiàn)對LHP在不同初始汽液分布情況進行試驗研究[12]。但密封后的LHP的內部是相關復雜的，其內部初始氣液分布可能并不那么容易確定，本文對液體通道和蒸發(fā)器內的蒸氣通道均充滿液體的情況 （這種情況在沒有連接蒸氣管路時容易實現(xiàn)）進行試驗研究，得到蒸發(fā)器典型的溫度變化過程如圖2所示。蒸發(fā)器受到加熱后，工質吸收熱量的情況在不同階段會有所不同，因而蒸發(fā)器的溫度變化也會有所不同。以一定的功率對蒸發(fā)器進行加熱，開始時溫度較低 （低于工質的飽和溫度），工質雖然吸收熱量，但十分有限，因此蒸發(fā)器的溫度上升較快，這一過程如圖2中A階段所示。隨著溫度的上升，直到達到工作液體的飽和溫度，工作液體開始發(fā)生相變，從而可以帶走大量的熱量，在蒸發(fā)帶走熱量的速度與加熱的速度相當時，蒸發(fā)器的溫度維持在一定值而不再上升，這一過程如圖2中B階段所示。毛細芯蒸發(fā)端的工作液體不斷蒸發(fā)后，需要毛細芯不斷從儲液器抽吸工質來補充，抽吸的速度受到諸多因素的制約，當其抽吸補充的速度跟不上所需的蒸發(fā)的速度時，蒸發(fā)速率變慢，從而不再能和加熱的速率平衡，從而導致蒸發(fā)器的溫度再次上升，這一過程如圖2中C階段所示，這與環(huán)路熱管蒸干現(xiàn)象是相關的，蒸干現(xiàn)象發(fā)生后將導致環(huán)路熱管運行失敗。上述開環(huán)系統(tǒng)的啟動和運行情況與環(huán)路熱管的情況是極為相似的，兩者的主要區(qū)別在于，環(huán)路熱管的工質要循環(huán)起來，摻雜了工質充裝量、初始氣液分布、冷凝器參數(shù)等方面的影響，而開環(huán)的系統(tǒng)則避開了這些因素的干擾，從而可以達到專注研究毛細芯孔隙率和熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響的目的。

圖2 蒸發(fā)器典型的溫度變化過程Fig.2 Typical temperature change of the evaporator

3.2 熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響

本文進行了不同熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響的試驗研究。該試驗使用相同的蒸發(fā)器（毛細芯的孔隙率為68.8%），依次采用4W、8W、12W和16W的功率對蒸發(fā)器進行加熱，結果如圖3所示。從圖中可以看出，當熱源功率較小時（4W），蒸發(fā)器溫度上升較緩慢，并能穩(wěn)定在較低的溫度值；隨著熱源功率的增大 （8W和12W），蒸發(fā)器溫度上升的速度增大，達到平衡的溫度值也隨之增大，穩(wěn)定的時間卻隨之減少；當熱源功率超過一定值時 （大于16W），蒸發(fā)器的溫度基本不再出現(xiàn)明顯的平衡段，溫度基本一直在上升，這意味著該蒸發(fā)器將不能用于產生熱量大于16W的場合，否則無法達到溫度控制的效果。

3.3 毛細芯孔隙率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響

本文進行了不同毛細芯孔隙率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響的試驗研究。采用8W的功率依次對毛細芯孔隙率ε為68.8%、74.5%和78.4%的蒸發(fā)器進行加熱，試驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，當孔隙率為68.8%時，蒸發(fā)器運行過程中能達到一段明顯的平衡；當孔隙率增大到74.5%時，平衡段完全消失；當孔隙率繼續(xù)增大到78.4%時，不但平衡段完全消失，還出現(xiàn)了明顯的溫度波動。此溫度波動雖然不同于通常所說的LHP中的 “溫度波動現(xiàn)象”，但兩者也是有一定聯(lián)系的，本研究中的溫度波動持續(xù)時間較短，當具備一定條件時 （如連接上蒸氣管路并符合其他條件），它可能延變?yōu)槌掷m(xù)的、周期性的溫度波動，從而成為通常所說的LHP中的 “溫度波動現(xiàn)象”。從圖4中還可以看出，毛細芯孔隙率為78.4%的情況中的溫度也要比孔隙率為74.5%時的情況要低一些，這是由于前者蒸發(fā)較為劇烈造成的。由此可見，使用孔隙率過大的毛細芯會增大出現(xiàn)溫度波動的可能性，從而影響系統(tǒng)控溫的穩(wěn)定性。

圖3 熱源功率對蒸發(fā)器運行特性的影響Fig.3 Effect of heat source power on operating characteristic of the evaporator

3.4 熱源功率和毛細芯孔隙率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的綜合影響

本文對不同熱源功率和不同毛細芯孔隙率的蒸發(fā)器均進行試驗研究，毛細芯的孔隙率采用68.8%、74.5%和78.4%，對以上3個孔隙率值對應的毛細芯蒸發(fā)器分別采用4W、8W、12W和16W的熱源功率進行加熱，試驗結果分別如圖3、圖5和圖6所示。從這些圖中可以看出，隨著孔隙率的增大，產生溫度波動所需的熱源功率越小；孔隙率相同時，熱源功率越大，越容易出現(xiàn)溫度波動，并且溫度波動的程度越劇烈。例如，在孔隙率為68.8%時（見圖3），熱源功率為4～16W均未出現(xiàn)明顯的溫度波動；但當孔隙率增大到74.5%時（見圖5），熱源功率為4W及8W時均未出現(xiàn)溫度波動，但熱源功率為12W及16W時均出現(xiàn)了溫度波動，并且熱源功率為16W時溫度波動的情況比熱源功率為12W的情況要劇烈；當孔隙率增大到78.4%時（見圖6），熱源功率在8W時就已出現(xiàn)明顯的溫度波動，并且熱源功率越大，溫度波動的程度越劇烈。

環(huán)路熱管是利用工質相變來傳輸熱量的，毛細芯一邊蒸發(fā)工質，一邊抽吸工質，它們的速率是受毛細芯參數(shù)和熱源功率等條件的影響的。當熱源功率越大時，蒸發(fā)的速率必須達到相應的值才能使溫度不上升，蒸發(fā)的速率越大，抽吸的速率也必須跟得上才行，而毛細芯的孔隙率越大，抽吸工質的流量才能越大。熱源功率越大，迫使蒸發(fā)或抽吸越劇烈，這顯然會加大波動的可能性。前期的研究結果表明，毛細芯抽吸工質是按指數(shù)增長規(guī)律進行的，其時間常數(shù)與孔隙率成反比[13]。孔隙率越小，時間常數(shù)越大，抽吸工質越平穩(wěn)，因而越不容易發(fā)生波動。由以上分析可知，熱源功率和毛細芯孔隙率等參數(shù)不匹配，工質蒸發(fā)帶走的熱流量與熱源產生的熱流量不能相平衡，從而造成蒸發(fā)器的溫度劇烈波動。因此，在設計環(huán)路熱管時需要綜合衡量以上這些因素。

圖4 毛細芯孔隙率對蒸發(fā)器運行特性的影響Fig.4 Effect of capillary wick porosity on operating characteristic of the evaporator

圖5 孔隙率為74.5%時的情況Fig.5 The case for porosity was 74.5%

圖6 孔隙率為78.4%時的情況Fig.6 The case for porosity was 78.4%

4 結束語

本文通過對環(huán)路熱管在開環(huán)的情況下進行試驗研究，巧妙地避開工質循環(huán)和冷凝器等帶來的影響，專注研究毛細芯孔隙率和熱源功率對蒸發(fā)器啟動和運行特性的影響，結果表明：在某些條件下，毛細芯蒸發(fā)器啟動時其溫度會出現(xiàn)劇烈的波動；毛細芯孔隙率越大，產生溫度波動所對應的熱源功率越?。幻毿鞠嗤瑫r，熱源功率越大，越容易出現(xiàn)溫度波動，并且溫度波動的程度越劇烈。溫度波動的原因是熱源功率和毛細芯孔隙率等參數(shù)不匹配。

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