蒸發(fā)器傾角對環(huán)路熱管運行特性影響?

周 亮 汪 輝 屈治國

（1.西安航空學院能源與建筑學院 西安 710077）

（2.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室 西安 710049）

1 引言

環(huán)路熱管是依靠毛細力實現(xiàn)主動循環(huán)、通過氣液相變實現(xiàn)熱傳輸?shù)膿Q熱裝置，擁有良好的反重力和抗旋轉能力，加之裝配靈活、可長距離輸送、低熱阻等特性，已成功應用于電子器件冷卻、航天器和潛艇等熱控系統(tǒng)［1～3］。目前，環(huán)路熱管主要研究對象為銅-水［4］、不銹鋼-氨等［5～6］組合的常溫體系，研究方法包含實驗和理論兩方面。實驗可以測量環(huán)路壁面溫度、蒸發(fā)傳熱系數(shù)和環(huán)路總熱阻等熱性能參數(shù)［7～9］；理論方法通過對系統(tǒng)內(nèi)的流動、傳熱和傳質過程進行仿真和分析，得到系統(tǒng)內(nèi)部的熱質傳輸信息［7～8］。

環(huán)路熱管的核心動力部件是內(nèi)置毛細芯的蒸發(fā)器。蒸發(fā)器傾角會隨著設備位置變化呈現(xiàn)不同的結果，改變內(nèi)部液體工質的運移路徑，從而影響系統(tǒng)運行結果［10］。龍延等［11］開展了不同傾角對平板型環(huán)路熱管的實驗研究，指出有傾角存在會降低系統(tǒng)啟動功率和穩(wěn)態(tài)運行熱阻，并且不同傾角間的運行特性差距很小。Bai等［12］實驗研究了蒸發(fā)器傾角對圓柱型環(huán)路熱管穩(wěn)態(tài)運行溫度的影響，指出當蒸發(fā)器位置高于儲液器時，回流至蒸發(fā)器的過冷液減少，致使蒸發(fā)溫度升高，降低系統(tǒng)熱性能。有關蒸發(fā)器傾角對系統(tǒng)運行的影響研究仍非常缺乏，因此，本文結合實驗測量趨勢和理論分析，通過圓柱型環(huán)路熱管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行仿真，說明蒸發(fā)器不同傾角時系統(tǒng)的運行特性，通過建立模型給出特定工況下，環(huán)路系統(tǒng)能夠正常運行時臨界傾角的確定方法和預測結果。

2 模型簡介

環(huán)路熱管的系統(tǒng)級仿真模型采用本研究組建立并驗證的一維數(shù)值模型［13］。根據(jù)該系統(tǒng)數(shù)值模型，對于某蒸發(fā)溫度值，可通過求解系統(tǒng)內(nèi)的氣液分布狀態(tài)，結合質量守恒關系確定儲液器的氣體比例，得到儲液器內(nèi)的含氣率，即下式

其中，MASS表示環(huán)路系統(tǒng)總的工質填充質量，VGROO為蒸氣槽道的體積，VVL為氣線的體積，Vg，COND為冷凝器管線中氣體相的體積，Vl，COND為冷凝器管線中液體相的體積，VLL為液線的體積，VW為毛細芯中除去固體顆粒的孔隙體積，VCORE為蒸發(fā)器核心管內(nèi)流體干道的體積，VCC為儲液器的體積，αCC表示儲液器內(nèi)的含氣率。待環(huán)路系統(tǒng)內(nèi)工質狀態(tài)明確后，由式（1）得出儲液器內(nèi)的含氣率值，其中各參數(shù)可通過系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行模型確定［13］。環(huán)路熱管的結構參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)路熱管的結構尺寸參數(shù)

3 結果與討論

目前多數(shù)文獻報道均關注蒸發(fā)器與儲液器處于水平位置，此時系統(tǒng)內(nèi)工質的填充量（假設常溫下為67.0%）保證了蒸發(fā)器核心管內(nèi)一直有足夠量的液體工質存在，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此種情況的運行結果和特性已較為清楚，這里不再贅述。以下討論蒸發(fā)器低于和高于儲液器的運行特性。

3.1 蒸發(fā)器低于儲液器

當蒸發(fā)器低于儲液器位置，系統(tǒng)到達穩(wěn)態(tài)時，氣相工質的密度較小，從而蒸發(fā)器核心內(nèi)一直充滿液體工質，如圖1所示。此時蒸發(fā)器核心管內(nèi)產(chǎn)生的氣泡在浮生力的作用下，逐漸向上運動，待進入儲液器后，在與儲液器內(nèi)回流管中過冷液體的熱交換作用下，氣泡最終湮滅消失。因此，蒸發(fā)器低于儲液器位置，在不考慮蒸發(fā)器核心管內(nèi)流體流動壓降的條件下，核心管內(nèi)氣泡存在對漏熱特性和環(huán)路系統(tǒng)運行特征的影響規(guī)律與二者處于水平位置時的結果基本相同，具體差異體現(xiàn)在蒸發(fā)溫度有微弱的增大［12］。

圖1 蒸發(fā)器低于儲液器位置時，蒸發(fā)器核心管和儲液器內(nèi)氣液態(tài)工質的分布狀態(tài)

3.2 蒸發(fā)器高于儲液器

當蒸發(fā)器位于儲液器之上時，氣相區(qū)域會在蒸發(fā)器核心管內(nèi)出現(xiàn)。圖2描述了蒸發(fā)器位置高于儲液器時，二者呈不同角度時的氣液分布狀態(tài)。圖2（a）中，二者呈某較小的角度δ1時，蒸發(fā)器核心管的入口截面處全部被氣相工質充滿；繼續(xù)增大傾角，蒸發(fā)器核心管的氣相區(qū)域越來越多；當二者呈δ角度時［圖2（b）］，蒸發(fā)器核心管內(nèi)全部被氣相充滿；繼續(xù)增大角度直至蒸發(fā)器垂直于儲液器之上，蒸發(fā)器和儲液器均存在一定體積的氣相態(tài)工質［圖2（c）］。

圖2 蒸發(fā)器高于儲液器位置時，蒸發(fā)器核心管和儲液器內(nèi)氣液態(tài)工質的分布狀態(tài)

當蒸發(fā)器與儲液器的傾角小于δ1時，蒸發(fā)器核心管內(nèi)僅存在很小部分的氣體相區(qū)域；當蒸發(fā)器與儲液器的傾角處于δ1～δ之間時，蒸發(fā)器核心管內(nèi)保持著一定比例的長度區(qū)域被液體工質充滿，并且認為此種狀態(tài)可以為毛細芯提供足夠的充液能力，毛細芯能夠實現(xiàn)正常的蒸發(fā)現(xiàn)象，系統(tǒng)處于蒸發(fā)溫度較高的正常運行狀態(tài)；當蒸發(fā)器與儲液器的傾角大于δ時，蒸發(fā)器核心管內(nèi)均填充氣體工質，毛細芯供液能力受到影響且出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，因此認為傾角大于δ時系統(tǒng)運行失效，此種工作模式應盡量避免或者及時糾正。

為了獲得另系統(tǒng)正常運行的臨界傾角δ，需要確定蒸發(fā)器和儲液器內(nèi)氣液填充狀態(tài)受傾角的影響規(guī)律。由于蒸發(fā)器與儲液器連接件的體積遠遠小于儲液器的體積，因此忽略連接件對液體的作用，問題簡化為儲液器內(nèi)氣液分布狀態(tài)受傾角的影響。圖3描述了當傾角變化時儲液器內(nèi)氣液分布的兩種狀態(tài)，其中儲液器特征角為一定值，由儲液器的長度和半徑確定，表達式為

當傾角α小于特征角時，即圖3（a），儲液器內(nèi)的氣相體積比計算式為

其中，VCC為儲液器的總體積，VS表示圖3（a）中上部深色區(qū)域的液體體積，可由以下數(shù)學積分式確定

當傾角α大于特征角時，即圖3（b），VS的計算式為

圖3 蒸發(fā)器高于儲液器位置時，儲液器內(nèi)氣液分布狀態(tài)受傾角影響的兩種情況

對于常溫工質67.0%填充量系統(tǒng)，通過對式（2）～（5）求解得到不同蒸發(fā)器傾角的液面控制下，儲液器內(nèi)氣相體積的結果，如表2和圖4所示。隨著蒸發(fā)器傾角的增大，更多液體從蒸發(fā)器核心逐漸流至儲液器內(nèi)，因此儲液器內(nèi)的含氣率逐漸減小。

表2 不同蒸發(fā)器傾斜角下對應的儲液器含氣率

圖4 蒸發(fā)器高于儲液器位置時，不同蒸發(fā)器傾斜角下儲液器含氣率變化趨勢

表3列出了不同冷源溫度下，常溫工質67.0%填充量的環(huán)路體系在穩(wěn)態(tài)運行時，儲液器內(nèi)含氣率的計算值［13］。針對某一組熱負荷和冷源溫度的工況，由表3中相應的儲液器的含氣率數(shù)值，根據(jù)表2和圖4中的傾角角度-含氣率對應關系，反推求得相對應的蒸發(fā)器傾角值，此傾角即為環(huán)路系統(tǒng)能夠正常運行的臨界傾角。當蒸發(fā)器傾角大于此臨界值后，毛細芯處于供液緊張狀態(tài)，引發(fā)毛細芯“燒干”現(xiàn)象，環(huán)路系統(tǒng)運行失效。

表3 不同冷源溫度下環(huán)路熱管穩(wěn)態(tài)運行下儲液器的含氣率

4 結語

分析了蒸發(fā)器不同傾角下系統(tǒng)的運行特性，并基于環(huán)路熱管系統(tǒng)級仿真模型，建立了蒸發(fā)器位置高于儲液器時，不同傾角下儲液器內(nèi)含氣率的計算模型。指出當蒸發(fā)器位置低于儲液器時，毛細芯的供液能力和環(huán)路熱管的運行結果基本不受影響，當蒸發(fā)器位置高于儲液器時，存在一臨界角度，當傾角大于該臨界角時，毛細芯供液能力受到影響且出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，環(huán)路熱管運行失效，該臨界角可通過穩(wěn)態(tài)下儲液器含氣率進行確定。