氮工質(zhì)形軸向槽道熱管的實(shí)驗(yàn)研究

氮工質(zhì)形軸向槽道熱管的實(shí)驗(yàn)研究

隨著中國太空勘探、天文觀測和其他空間任務(wù)的快速發(fā)展，更多的探測器部件需要在低溫工作環(huán)境。研究者針對Ω形軸向槽道熱管進(jìn)行了許多研究目前缺乏針對液氮溫區(qū)Ω形軸向槽道熱管傳熱性能在整個(gè)工作溫區(qū)(70～120K)的實(shí)驗(yàn)研究以及充液率和放置形態(tài)對熱管傳熱性能影響的探討。本文通過自行研制的液氮溫區(qū)Ω形軸向槽道熱管對以上問題進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究,詳細(xì)分析了熱管在不同充液率及放置形態(tài)下的傳熱特性,并給出了合理的解釋,對未來深低溫槽道熱管的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1.1軸向槽道熱管內(nèi)部氣體通道的模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研制的Ω形軸向槽道熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱管由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段和儲(chǔ)氣庫4個(gè)部分組成,前三者為熱管的傳熱段。管殼由鋁材一次加工成型,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大且質(zhì)量較輕,儲(chǔ)氣庫采用不銹鋼鋼瓶。熱管橫截面如圖1(b)所示,熱管內(nèi)部包括中心的氣體通道和圍繞四周的Ω形液體通道。熱管的蒸發(fā)段和冷凝段底部兩側(cè)焊接有肋片。Ω形軸向槽道熱管運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)依靠工質(zhì)蒸發(fā)在液體通道和氣體通道間的狹縫時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)力,因此狹縫寬度對于熱管的運(yùn)行有著重要影響。相比鋁氨槽道熱管采用的氨工質(zhì),氮工質(zhì)的表面張力系數(shù)要小一個(gè)數(shù)量級,因此要盡量減小熱管狹縫寬度,以增大蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)力和熱管的傳熱能力。熱管的氣體通道的橫截面積對熱管的傳熱性能有著直接的影響,更大的橫截面積會(huì)減小工質(zhì)的流動(dòng)阻力,進(jìn)而增大熱管的傳熱性能。同時(shí)熱管的液體管道的數(shù)量和直徑的增加也有利于獲得更好的傳熱能力,因此按照上述設(shè)計(jì)思路從現(xiàn)有工藝出發(fā),設(shè)計(jì)了外徑為10mm的Ω形軸向槽道熱管,其詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與設(shè)備安裝實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)由Ω形軸向槽道熱管傳熱系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)、深低溫制冷系統(tǒng)、測溫與加熱系統(tǒng)、工質(zhì)充裝系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。真空絕熱系統(tǒng)包括真空罐、機(jī)械泵和二級分子泵,提供真空環(huán)境隔絕環(huán)境漏熱。深低溫制冷系統(tǒng)包括G-M制冷機(jī)和水冷裝置,為實(shí)驗(yàn)提供深低溫?zé)岢?。測溫與加熱系統(tǒng)由直流穩(wěn)壓加熱電源、薄膜電加熱片、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、Lakeshore的Cernox高精度測溫電阻、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集程序組成,用于采集熱管溫度、模擬熱負(fù)載以及控制熱沉溫度。工質(zhì)充裝系統(tǒng)包括氮?dú)馄?、降壓閥、壓力表、真空泵,用于熱管工質(zhì)的精確充裝。通過熱管內(nèi)氮?dú)獾某溲b壓力確定充裝質(zhì)量,標(biāo)定后充裝誤差小于0.1g。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中采用與制冷機(jī)連接的轉(zhuǎn)接鋁板作為傳熱實(shí)驗(yàn)的熱沉,熱管的冷凝段肋片與熱沉連接,接觸面積為130mm×50mm。熱管水平放置,蒸發(fā)段肋片與冷凝段肋片保持相同的平面,其表面完全貼合薄膜電加熱片模擬熱負(fù)載。如圖3所示,在槽道熱管主要位置固定了測溫電阻,分別位于蒸發(fā)段管線(T2結(jié)果與討論2.1熱管啟動(dòng)階段熱管的氮工質(zhì)在室溫下處于超臨界狀態(tài)降溫啟動(dòng)時(shí),熱管需要在超臨界狀態(tài)下降溫啟動(dòng)。熱管放置形態(tài)為管線位于肋片正上方,充裝工質(zhì)質(zhì)量為9.5g時(shí)啟動(dòng)過程中各測溫點(diǎn)的溫度變化如圖5所示。從圖5中可以看出,熱管的整個(gè)啟動(dòng)過程可分為3個(gè)階段:第一階段,熱管冷凝段降溫;第二階段,熱管絕熱段和蒸發(fā)段降溫;第三階段,熱管整體降溫,熱負(fù)載加熱,熱管完成啟動(dòng)開始運(yùn)行。第一階段開始時(shí),熱管整體處于295K左右的室溫,管內(nèi)壓力約為4.5MPa,管內(nèi)充滿超臨界狀態(tài)的氮?dú)狻．?dāng)G-M制冷機(jī)開始工作,冷凝段的溫度隨制冷機(jī)“冷頭”的溫度開始迅速降低。此時(shí)冷凝段溫度高于氮的臨界溫度,熱管主要通過管殼的導(dǎo)熱進(jìn)行傳熱,因此熱管的絕熱段及蒸發(fā)段隨之降溫但速率較緩慢。隨著冷凝段溫度降低,管內(nèi)氮?dú)獾膲毫档?儲(chǔ)氣庫中的氮?dú)獠粩噙M(jìn)入冷凝段中。降溫開始30min時(shí),熱管冷凝段降至氮的臨界溫度,此時(shí)儲(chǔ)氣庫中的氮?dú)獠粩噙M(jìn)入冷凝段中,同時(shí)釋放潛熱凝結(jié)成液氮,因此冷凝段的溫度在氮?dú)馀R界溫度附近下降趨于平緩,冷凝段降溫完成,第一階段結(jié)束。隨著降溫時(shí)間的增加,管內(nèi)凝結(jié)的液滴逐漸增多并不斷匯聚。由于液體的延展性,液氮迅速向絕熱段及蒸發(fā)段擴(kuò)散。液氮接觸到溫度高于沸點(diǎn)的管殼吸熱氣化,管殼溫度迅速下降,蒸汽流向壓力更低的冷凝段,此時(shí)熱管開始可以通過工質(zhì)的相變進(jìn)行傳熱。從圖5中可以看到,40min左右時(shí),絕熱段的溫度快速下降,說明此時(shí)液氮擴(kuò)散至絕熱段,降溫速率極大增強(qiáng),絕熱段迅速降溫至冷凝段溫度。與絕熱段類似,蒸發(fā)段在50min時(shí)溫度迅速下降,降至接近冷凝段溫度。此時(shí)熱管整體溫度分布均勻,溫差很小,儲(chǔ)氣庫中的大部分工質(zhì)進(jìn)入傳熱段,蒸發(fā)段完成降溫,第二階段結(jié)束。當(dāng)熱管各部分溫度均勻后,熱管進(jìn)入啟動(dòng)的最后一個(gè)階段,熱管各部分溫度隨熱沉溫度下降。這種情況下熱管內(nèi)工質(zhì)處于兩相循環(huán)狀態(tài),蒸發(fā)段的液氮不斷吸收熱量氣化,由于熱管特有Ω狹縫結(jié)構(gòu),相變發(fā)生在狹縫處產(chǎn)生的毛細(xì)力使得蒸汽不會(huì)將液體擠壓回冷凝段。蒸汽將通過熱管中心的氣體通道流向壓力更低的冷凝段,吸收冷量后凝結(jié)成液體,同時(shí)液體在蒸汽壓和延展性的共同作用下不斷向冷凝段流動(dòng)。此時(shí)熱管已經(jīng)處于自發(fā)運(yùn)行狀態(tài)。80min時(shí)對熱管的蒸發(fā)段施加5W的熱負(fù)載,同時(shí)對熱沉控溫。蒸發(fā)段溫度與冷凝段溫差變大后趨于穩(wěn)定。90min時(shí)熱管各部分溫度穩(wěn)定,管內(nèi)各部分壓力也趨于穩(wěn)定,儲(chǔ)氣庫內(nèi)壓力逐漸降低至冷凝段壓力,兩者間氣壓平衡,不再有工質(zhì)從儲(chǔ)氣庫進(jìn)入傳熱段。熱管內(nèi)形成穩(wěn)定的氣液循環(huán),熱管完成啟動(dòng)。Ω形軸向槽道熱管自啟動(dòng)性能良好,當(dāng)熱沉溫度降低至液氮溫區(qū)后,熱管溫度迅速下降,蒸發(fā)段、絕熱段及冷凝段溫差很小,熱管軸向溫度分布均勻。同時(shí)管內(nèi)工質(zhì)分布均勻,能夠自行循環(huán)換熱,可以直接施加熱負(fù)載,對熱載荷進(jìn)行控溫。系統(tǒng)熱響應(yīng)迅速,能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱平衡。2.2槽道熱管的充液率熱管的充液率即同一套熱管充裝的工質(zhì)質(zhì)量不同對熱管的傳熱性能有著顯著影響,充裝質(zhì)量的多少會(huì)直接影響熱管內(nèi)工質(zhì)的氣液分布,進(jìn)而影響熱管的傳熱性能。本文針對這一問題對所研制的熱管進(jìn)行了充液率的實(shí)驗(yàn)研究。對于深低溫?zé)峁?由于其散失的低溫冷量需要消耗大量電功率獲得,在實(shí)際使用中熱管在一定功率下的傳熱溫差是衡量熱管傳熱性能的重要指標(biāo)。因此熱管的傳熱性能可通過熱阻表示,見式(1)。式中,R熱管在運(yùn)行中,隨著熱管的熱沉溫度及傳熱功率的變化,熱管內(nèi)工質(zhì)的溫度及密度會(huì)隨之變化,繼而造成氣液分布的改變。相同的充裝量在不同溫區(qū)的氣液分布是不同的。為研究充裝量對熱管的影響,通過定義充液率來研究充裝質(zhì)量對液氮溫區(qū)Ω形軸向槽道熱管傳熱性能的影響,見式(2)。式中,η為熱管的充液率,%;m為熱管的工質(zhì)充裝質(zhì)量,kg;v式(2)中v為研究充液率對熱管傳熱性能的影響,對不同充裝量的熱管性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖6展示了Ω形軸向槽道熱管充裝質(zhì)量分別為7g、9g和11g時(shí),在不同的熱沉溫度工作時(shí)熱管熱阻及充液率隨熱負(fù)載功率的變化。首先從圖6中看出,相同結(jié)構(gòu)的熱管的充液率受到熱管的工質(zhì)充裝質(zhì)量、工作溫區(qū)和傳熱功率共同影響。前者決定了傳熱段內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量,后兩者決定了液態(tài)工質(zhì)的密度。槽道熱管的傳熱熱阻受到熱管的充液率直接影響,兩者有著明顯的關(guān)系。從圖6中看出,在相同的傳熱功率下,熱管的充液率越接近100%,其傳熱熱阻越小,熱管的傳熱性能越好:熱管充裝量為9g時(shí),在絕大多數(shù)工況下的充液率相比其他兩個(gè)充裝量更接近100%,同時(shí)這些工況下該充裝量下熱管的傳熱性能優(yōu)于其他兩個(gè)充裝量。在100K@30W工況時(shí),由于熱沉溫度高,同時(shí)傳熱功率大,熱管的工質(zhì)溫度顯著升高,密度下降,導(dǎo)致此時(shí)充裝量7g的充液率比9g更接近100%,同時(shí)傳熱熱阻也更小。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可以得出,熱管的充液率存在最優(yōu)充液率。熱管的充液率越接近100%,熱管的傳熱熱阻越小,熱管的傳熱性能越好,100%即為最優(yōu)充液率。原因在于Ω形軸向槽道熱管的理想工作狀態(tài)下氣液分布為蒸汽充滿熱管的氣體通道同時(shí)液體充滿液體通道,這種情況下熱管對應(yīng)的充液率約為100%。當(dāng)熱管充液率不足時(shí),液體通道中液體不足,管殼內(nèi)壁不能被液體完全覆蓋,發(fā)生工質(zhì)相變的傳熱面減小,相同功率下熱流密度增加,進(jìn)而造成換熱的過熱度增加,熱管傳熱熱阻增大。同時(shí)由于液體工質(zhì)不足會(huì)造成大功率下熱管的補(bǔ)液不足,熱管無法形成循環(huán),繼而造成熱管的傳熱極限下降。當(dāng)熱管充液率過量時(shí),液體會(huì)溢出至氣體通道內(nèi),管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的通道空間被擠占,蒸汽循環(huán)受阻,流動(dòng)阻力變大,使得熱管需要更高的溫度,獲得更大的飽和蒸汽壓來推動(dòng)熱管的循環(huán)運(yùn)行,因此熱管的傳熱溫差變大,熱阻升高。綜上所述,合理的充裝量使得熱管在接近最優(yōu)充液率(100%)下運(yùn)行是熱管的高效運(yùn)行的必要條件。熱管在各個(gè)溫區(qū)下維持穩(wěn)定的充液率對熱管能在更大的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行十分重要,熱管的充裝量可通過式(2)進(jìn)行計(jì)算,通過改變充裝量使得熱管盡可能的在工作時(shí)充液率接近100%。圖7對比了無儲(chǔ)氣庫結(jié)構(gòu)的熱管的多個(gè)充裝質(zhì)量與儲(chǔ)氣庫體積為150mm2.3熱管放置形態(tài)的影響槽道熱管的放置形態(tài)對其性能有著巨大影響,針對這一問題,采用熱管的3種放置形態(tài)(如圖4)對熱管最大傳熱極限及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的傳熱溫差的影響進(jìn)行研究。圖8所示為熱管在正向放置、測向放置和反向放置下,最大傳熱極限以及其對應(yīng)的傳熱熱阻隨熱沉溫度的變化。受制于加熱片功率,最大只能測得45W熱載荷下的傳熱熱阻。從圖8中可以看出,熱管在正向放置時(shí)傳熱性能最優(yōu),側(cè)放其次,反放最差。熱管正向放置的最大傳熱能力遠(yuǎn)大于側(cè)放,傳熱熱阻略小于側(cè)向放置。熱管在反向放置時(shí),傳熱溫差很大,傳熱極限很小,甚至在較高的溫區(qū)無法工作。這是由于熱管在反向放置時(shí),蒸發(fā)段中液態(tài)工質(zhì)在重力的作用下分布于熱管遠(yuǎn)離加熱面的管殼底部,使得熱負(fù)載要通過管殼和蒸汽與底部的液態(tài)工質(zhì)進(jìn)行傳熱,極大地增加了傳熱熱阻。同時(shí)由熱負(fù)載處于遠(yuǎn)離液態(tài)工質(zhì)的位置,蒸發(fā)段補(bǔ)液需要依靠毛細(xì)力克服重力,造成補(bǔ)液困難,大功率下無法及時(shí)補(bǔ)液,最終使得傳熱極限很低。熱管側(cè)向放置相較于倒向放置,重力作用下液體的分布有了很大改善,更多的液體靠近了熱源。相比于倒放,側(cè)向放置時(shí)毛細(xì)力需要克服的重力高度減小并且傳熱路徑優(yōu)化,因此傳熱極限增加同時(shí)熱阻減小。而正向放置時(shí),幾乎所有的液態(tài)工質(zhì)都靠近熱負(fù)載,使得傳熱大大增強(qiáng)。毛細(xì)力只需克服蒸發(fā)器補(bǔ)液所需的流動(dòng)阻力,無需克服重力。因此可以獲得傳熱極限的增大和熱阻的減小。綜上所述,熱管的放置形態(tài)對管內(nèi)工質(zhì)的氣液分布有著直接影響,這是由于地面重力作用造成的。低溫槽道熱管在地面使用時(shí),應(yīng)盡可能使熱源處于蒸發(fā)段下方,使得熱管能夠最大程度地發(fā)揮傳熱能力。而在航天應(yīng)用中,現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)表明在空間失重環(huán)境下槽道熱管的性能優(yōu)于地面,因此在地面使用和測試時(shí)應(yīng)盡量采用正向放置的方式,以期達(dá)到熱管的最佳性能。3熱管傳熱性能測試研制了液氮溫區(qū)Ω形軸向槽道熱管,通過實(shí)驗(yàn)研究了熱管啟動(dòng)特性以及在不同充液率及放置形態(tài)在不同溫區(qū)的傳熱性能,主要得到如下結(jié)論。(1)該熱管能夠?qū)崿F(xiàn)超臨界狀態(tài)啟動(dòng),降溫速度快,響應(yīng)時(shí)間短,可對熱載荷進(jìn)行快速降溫。熱管傳熱性能良好,可在70～110K范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,工作溫區(qū)范圍大,