多蒸发器CPL+热管的启动性能实验研究

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1、第 十 三 届 全 国 热 管 学 术 会 议多 蒸 发 器 CPL 热 管 的 启 动 性 能 实 验 研 究唐鑫，陈健，张华，巨永林（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）（联系电话：02 1-34206532， E-mail： ）摘要 毛细泵回路 （ CPL） 具有传热效率高、 控温能力强等优点， 可以方便的实现小温差、 长距离、 无附加动力的热量回收， 在航天器热控系统和电子器件冷却方面具有广泛的应用前景。 本文介绍了自行设计并研制的多蒸发器 CPL 热管系统，给出了不同蒸发器数目以及不同工况 下 CPL 热管系统启动性能的实验测试结果。 实验结果表明， 多蒸发器 CP

2、L 启动性能优异， 并 且系统在运行过程中工作稳定。关键词 CPL 热管；多蒸发器；启动性能1 前 言1966 年， 美 国航空航天局 （ NASA） 下属的 Lewis 研究中心的 Stenger 提 出了毛细两相回路的概念， 毛细泵回路 （ capillary pumped loop, CPL） ， 具有比单相回路高一个数量级 、 没有运动部件， 无需输入功 率等优势，对于能源宝贵的空间飞行器来说，具有相当大的吸引力。从 1981 年， NASA 的 Goddard 宇 航飞行中心 （G SFC） 设 计了第一个用于概念验证的铝制 CPL 模型 1开始。 经过数十年的发展， CPL 技 术

3、已经成为国内外热管理系统（T MS）的重要组成部分。1990 年，中 国空间技术研究院的侯增祺、郭舜等人建立了中国第一个 CPL 实验台 2。之后，侯 增 祺、张家迅等人对该工程模型进行了系列的实验研究，包括启动实验、热负荷变化实验控温特性实验、 最大热负荷实验和压力灌注实验等，证明了 CPL 具有良好的热传输和热控制能力。随后，相继建立了CPL-II 和 CPL-III 实验台 ，开启了国内 CPL 的相 关研究工作。图 1 典型多蒸发器 CPL 热管 的结构图典型的多蒸发器 CPL 热 管如图 1 所 示，主要由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道、液体管道、储液器、 隔离器以及控制系统组成。在 CP

4、L 中，热量在蒸发器中通过翅片结构传递给充满饱和工质流体的多孔 介质，多孔 介质中的工 质流体是由 液体管路提 供的（或者 是储液器） ；蒸发器内产 生的蒸汽通 过蒸汽管 道传递到冷凝器， 在冷凝器内释放掉潜热后变成液体， 液体由于毛细结构提供的毛细力而通过液体管路基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51006069)作者简介： 唐鑫 (1988-)， 男， 硕士研究生， 主要从事脉动及回路热管技术研究。 联系人 （导师） ： 巨永林， 男 ， 教 授 ， 博士生导师，电话（Tel.） ：021-34206532；E-mail: .第 十 三 届 全 国 热 管 会 议回到蒸发器。 隔离器是

5、为了使蒸汽进入蒸汽通道而不流入液体通道， 储液器是用于温度调控和蒸发器的启动。尽管应用于空间的多蒸发器 CPL 已有报道 3，但是可供查阅的资料很少。大多数 CPL 装置都采用 的是单蒸发器 4,5,6,7， 其 应用受到一定的限制。 2001 年 12 月 ， NASA 航 天飞机上 CAPL 3 飞行实 验表明 了多蒸发器 CPL 系统运行成功并且不同的蒸发器之间存在热分享 8。 CAPL 3 飞行实 验和地面测试结果， 以及带有四个蒸发器的 CPL 系统( 作者 称之为混合回路热管) 9展示出了空间飞行器热控系统中多蒸发器 热 回 路 的 优 势 10。 多 蒸 发 器 、 并 联 冷

6、凝 器 对 于 解 决 多 热 源 、 大 功 率 仪 器 散 热 以 及 可 展 开 式 辐 射 器 方 面 具有广阔的应用前景。 但是， 多蒸发器 CPL 系 统与单蒸发器 CPL 系统 的启动性能、 控温性能等有着明 显的差别。刘庆志，苗建印，张加迅等人 11研究过多回路耦合 CPL 系 统的瞬态特性，在他们的实验工 作中，给出过 2 个蒸发 器加热启动的过程。本文主要研究 4 个蒸发器 CPL 热管系统的启动性能。2 多 蒸 发 器 CPL 实 验 系 统2.1 多蒸发器 CPL 热管的设计蒸发器 CPL 热管实验台的详细介绍可参考本课题组已表的文献 12， ，结构如图 2 所 示。图

7、 2 多蒸发器 CPL 热管的设计简图本文多蒸发器 CPL 热管 系统的设计工作温区为-50 至 40， 选择氨为工质。 考虑到工质与管材的 相容性问题， 由于不锈钢、 镍与氨的相容性好， 所以系统全部采用 304 号不锈钢， 毛细材料使用不锈钢丝网，各部件的结构尺寸见表 1.表 1 多 蒸发器 CPL 系 统的 结 构 尺寸零件 说明 数量蒸发器 内径为 25mm， 长度为 160mm；燕尾槽槽道个数确定为 22个，上边 1mm，下边 1.5mm，高 1.5mm4冷凝器 套管式，内径 20mm， 长 300mm容量约为 0.7L81811储液器隔离器 /蒸汽管道 8mm1mm， 有效长度 3

8、.7m液体管道 6mm1mm， 有效长度 3.6m200 目不锈钢丝网毛细结构第 十 三 届 全 国 热 管 会 议2.2 实 验 测 试 系 统 介 绍为了对 CPL 系统各处温度变化进行测量， 从蒸发器开始沿着管道布设一组 T 型铜- 康铜热电偶， 其 温 度 测 量 范围 为 -200 300 。所 有热 电 偶 都 粘接 在 管 道 表面 ， 粘 接 时注 意 保 证 热电 偶 与 管 道之 间 具 有 良好的接触。 每个蒸发器管壁上布置三对热电偶： 分别在蒸发器入口、 出口和中间处； 蒸汽管道和液体 管道各布置两个测温点，在储液器上布置一个测温点和一个测压点，如图 3 所示 。图 3

9、 多蒸发器 CPL 热管的测试方案考虑到系统的工作压力范围和测量精度要求， 实验装置系统中选用 STPTC2 型压力传 感器为压力测量元件，量程为 03 MPa，精度为 0.25 级。DAQ（数据 采集 ） 采用 NI（美国国 家仪器） 的型号为 SCXI-6259 的数据 采集卡， 配合 SCXI-11032 热电偶调理模块配合 SCXI-1303 接线 端子对温度数据进行测量记录， SCXI-1303 共 有 32 个测量 通道。 加热系统由电源和电阻膜加热器以及温控器组成，加热膜阻值为 14 欧 ，最高电压为 24V。电 阻膜 加热片贴于蒸发器上并用铝箔胶带贴紧。 实验中采用的电源为固纬

10、电子 （江苏） 有限公司生产的直流电 源供应器， 型 号为 GPS-2303C， 能 24 通道输出 55 到 200W 的 线性直流电源。 实验系统 中采用 XMT-102型数显控温仪。 本实验系统工作在低温下， 为了计算蒸发器的有效热负荷， 模拟热源的加热蒸发器的外部包裹了耐高温的橡塑材料， 以此来减少加热器上侧向环境所散出的热量。 蒸发器和所有的液体管道和蒸汽管道用绝热材料包裹，以减少系统与环境间的热交换。3 启 动 性 能 初 步 实 验3.1 系 统 启 动 过 程实验操作步骤如下： 首先开启氮气罐， 降低冷凝器的温度， 达到稳定状态。 打开温控器对储液器进第 十 三 届 全 国 热

11、 管 会 议行温度设定， 待系统温度稳定后， 记录系统此时的压力表读数、 储液器内液位高度、 环境温度、 冷凝器温度等。 加载热负荷， 记录特征点的温度， 通过计算机软件实时监测系统的温度变化。 当蒸发器温度出 现突变时，系统开始启动。当系统运行稳定后，记录各项测量参数，并改变蒸发器的加热功率。3.1.1 蒸发器个数对 CPL 系统启动的影响实验工况点都是在充液率 65%，反 重力布置（蒸发器位于冷凝器上方）时选取的。图 4 为储 液器 设定温度 16时，单个蒸发器（蒸发器 1 两端 阀门开启，其他蒸发器两端的阀门关闭）在 5W 热负荷 下的性能曲线。图 4 单个蒸发器工作时 5W 启 动过程

12、的温度-时间曲线由图 4 可以 发现， 实验开始时， 蒸发器的入口， 壳体和出口温度相同； 当蒸发器上的电阻加热膜功率调整为 5W 时， 蒸发器壳体壁面温度迅速上升， 由于热量沿管道轴向导热的作用以及蒸发器中液体工 质受热后流向其入口和出口的原因，蒸发器入口和出口温度也开始上升，但上升速度远远低于蒸发器。 系统其他部分的温度都不变。当蒸发器壳体的温度升高到储液器的设定温度时， CPL 热管 系统并未启动， 而是蒸发器温度继续上 升 。 当 达 到 一 定 过 热 度 ， 在 数 据 采 集 到 440s 的 时 候 ， 蒸 发 器 壳 体 温 度 迅 速 下 降 ， 而 蒸 发 器 蒸 汽 出

13、 口 处 温度陡增， 这是因为大量蒸汽从蒸发器内流出， 导致蒸发器出口处被蒸汽充满。 当然， 冷源温度的变化 同液体联管温度的变化紧密相关， 在冷源温度较为稳定时， 完全启动后冷凝器和液体联管的温度会比启 动前稍高。 本实验中利用冷氮气作为冷源， 冷源温度较低， 启动瞬间冷液体从冷凝器流入液体管路， 所 以液体管路温度会在启动瞬间会突然下降。此后， 蒸发器及其出口、 蒸汽管道上的两个测温点温度基本不变， 蒸发器入口处温度也在很小的范围内波动，均达到储液器的设定温度。此时整个 CPL 系统完全启动。第 十 三 届 全 国 热 管 会 议图 5 两个蒸发器各加 5W 热负 荷时启动过程的温度-时间

14、曲线图 6 四个蒸发器各加 5W 热负 荷启动过程的温度 -时间曲线图 5 和图 6 分别给出了两个蒸发器和四个蒸发器分别加 5W 热负荷时的启动过程。 当两个蒸发器同 时工作时， 第一个蒸发器先启动， 等待一段时间后， 第二个蒸发器才开始启动， 这是因为这两个蒸发器 的平衡压力不同，在多蒸发器 CPL 系统中，离冷凝器最远的蒸发器稳定运行时的压力最高，离冷凝器 最近的蒸发器稳定运行时压力最低。 本文中定义离冷凝器最近的一个蒸发器为第一蒸发器， 离冷凝器最 远的一个蒸发器为第四蒸发器。 四个蒸发器 5W 启动时， 各蒸发器依次启动， 其他部分的温度变化和单 个蒸发器的启动过程曲线类似。3.1.

15、2 热分享启动性能与单个蒸发器的 CPL 系 统不同， 多蒸发器 CPL 系统还要求有良好的热分享性能， 即在几个蒸发器 热负荷不同时， 系统也能顺利启动并稳定运行。 由图 7 可 知， 在两个蒸发器同时工作 （其中一个热负荷 为 2W，另 一个不 加热 负荷） ，第 一 个蒸发 器能 够成功 启动 ，而第 二个 蒸发器 这时 起到相 当于 冷凝器的 作用。第 十 三 届 全 国 热 管 会 议图 7 第一个蒸发器加 0W 热负 荷，第二个蒸发器加 5W 热负 荷的启动曲线3.1.3 功 率 对 系 统 启 动性 能 的 影 响为了分析蒸发器热负荷的大小对 CPL 系统启动性能的影响，在其他实

16、验条件不变的情况下，分别 测试了不同热负荷下 CPL 系统的启动过程实验。a) 2W 启动 b) 3W 启动c) 5W 启动图 8 不同热负荷下的启动过程时间-温度曲线如图 8 所示， 三次实验的储液器温度和启动前各部件的温度基本相同， 在第一次实验时给蒸发器加 2W 的热负荷 ， 第二次实验时给蒸发器加 3W 的 热负荷， 第三次实验时加 5W 的热 负荷。 由温度- 时间 曲 线可知， 三次实验的启动过程基本相同， 然而随着热负荷的增加， 启动时间减小。 这说明， 热负荷较大 时，系统响应时间快，热负荷较小时，系统响应慢。第 十 三 届 全 国 热 管 会 议3.1.4 启动失败在一般情况下， 系统在各种工况下都能成功启动， 但是当发生以下情况时， 可能会导致系统启动失 败： （1 ） 系统 充液量过小， 蒸发器毛细芯未被液体充分浸润； （2） 蒸发器 热负荷过高， 超过系统的传