平板蒸发器环路热管的性能研究

张宏刚，方贤德，霍莎莎

（南京航空航天大学 航空宇航学院，南京 210016）

0 引言

环路热管是一种高效的相变传热装置，通过气液传输管路连成回路，利用毛细芯提供的毛细压力驱动回路运行，利用工质的相变来传递热量，能够多方位、长距离传递大量的热量[1]。

随着环路热管在工程上的广泛应用，不断发展出许多新型的环路热管技术。Hoang等[2]提出了一种应用于飞行器热管理系统的新型被动式热量传输系统——高级环路热管；Zuo等[3]提出了混合冷却环路技术；NASA新千年计划ST–8项目中提出了针对小型飞行器的新型热管系统——中央热控总线技术，使得多蒸发器的环路热管成为一个发展方向[2-4]。

环路热管具有广阔的应用前景，在空间飞行器有效载荷热控及燃气透平进气口防冻冰等方面都有应用。随着临近空间浮空器技术的发展[5-7]，环路热管可长距离传输热量的优点在浮空器有效载荷热控制方面显示出良好的应用前景。

1 稳态建模及假设

本文对环路热管的建模分为热力学模型和动力学模型两部分。热力学模型主要是针对系统温度分布情况的数学分析，着力点在温度和热量上；动力学模型计算压力和气液两相的分布，针对的是系统的运行过程[8]。对环路热管来说，动力学模型和热力学模型相互耦合。一方面，热量的传递需要工质的运动和相态变化；另一方面，温度的分布会影响系统的压力分布和工质状态，而压力则为整个环路的正常运行提供动力。因此，两者相互影响、相互作用，并最终达到平衡[9-10]。根据以上分析并结合环路热管的实际情况，本文在抽象假设的基础上建立了相关的数学模型。

假设如下：1）工作液体不可压缩，满足牛顿内摩擦定律，气态工质为理想气体；2）多孔介质不可压缩且各向同性；3）忽略流体与蒸气接触面的剪切应力以及系统各弯管处的压头损失；4）环路热管各部件的热物性参数为常数，且不考虑补偿室与外界环境的热交换[11-14]。下面从动力学和热力学两方面出发，讨论环路热管的稳态运行问题，并建立相应的数学模型。

图1给出环路热管热力学模型依据的工作原理，其中冷凝器被划分为过热段、冷凝段和过冷段3部分。图中，Ta为环境温度；Ts为热沉温度；Qhl为蒸发器向补偿室的漏热；Qap为加在蒸发器上的热载荷；Qcc-a为补偿室同环境的换热；Qvl-a为蒸气管线同环境的换热；Qll-a为液体管线同环境的换热；Qsh为冷凝器过热段同热沉的换热；Qc为冷凝器冷凝段同热沉的换热；Qsc为冷凝器过冷段同热沉的换热。

图1 环路热管热力学模型依据的工作原理Fig. 1 Operation principle of thermodynamic models of LHP

模型求解总体思路是以满足环路热管能量平衡、压力平衡、质量守恒和几何约束为依据。其中，能量平衡主要考虑热载荷的释放和漏热的平衡；压力平衡的计算过程首先保证毛细芯外侧与内侧压差等于流体从毛细芯外侧流至内侧的压降，然后验证毛细压力能否提供环路总压降；质量守恒则要求环路热管内工质充装量一定且沿整个环路质量流量相同；几何约束是指充装的工质被限制在环路热管内，且其总体积等于环路热管容积。图2给出模型求解流程。

图2 模型求解流程Fig. 2 Flowchart for solving thermodynamic models of LHP

通过对复杂的物理现象进行抽象简化并建立数学模型，可以把复杂的工程实际问题简化，然后通过数值计算获得对物理对象的认识。无论是经典的传递函数法还是信息时代兴起的仿真计算，都是在已有的理论基础上针对现有的问题进行抽象简化，建立数学模型，进而通过数值模拟考察研究对象的相关特性，简捷快速地得到所需的结果[15-17]。建模一般都是在实验验证或理论分析的基础上进行的，不同的研究人员所建立的模型也不尽相同，简化假设的合理性至关重要。

2 模型参数

在已经建立模型的基础上编写出数值模拟程序，对给定结构和尺寸的环路热管进行相应的数值模拟。选定的环路热管结构参数列于表1，毛细芯相关参数列于表2。

表1 环路热管结构参数Table 1 Structural parameters of LHP

表2 毛细芯相关参数Table 2 Parameters of capillary tube

程序验证及相关后续计算分析以氨为工质，其相关参数为：氨的摩尔质量17 g/mol；蒸发温度323 K；蒸发温度下气态焓566 J/kg，液态焓1 458 J/kg。选定的运行条件为：热沉温度303 K；热负荷250 W。将以上相关参数输入所编写的计算机程序，对相关问题进行计算分析。

3 结果分析和讨论

在同一尺寸结构的环路热管中，保持工质、环境、热沉温度和多孔毛细芯等的特征值不变，通过改变环路热管的热负荷，可以得到一系列环路热管内部各特征点的温度和压力。本文着重就热负荷对环路热管内部各管段的影响进行研究，通过程序求得相应数值，依据已有理论对所得结果进行简要的分析。

将热负荷从0 W增大到300 W，计算环路热管沿程压力变化，可得到总毛细压力和有关部件的压力降，所得结果如图3所示。

图3 热负荷与压强的关系曲线Fig. 3 Curve of pressure–thermal load

由图3可以看出，不管是蒸发器内部的压降还是其外部的压降，都随加热功率的增加而增大。其原因是当加热功率增加时，环路中工质的质量流率增大，于是蒸发器毛细芯中以及蒸气管路和液体管路中的沿程阻力增大。

从图3还可看出，蒸发器外部的压降明显小于其内部的压降，在大的加热功率下显得更加明显；随着热负荷的增大，蒸发器内部压降上升较快，且整个环路热管的沿程压力变化（压降）主要集中在蒸发器内部，因此应从蒸发器的内部结构入手改善环路热管的性能；蒸发器外部压力降只占环路总压降的很小一部分，且加热功率的改变对其影响不大[12-13]。

4 结束语

通过计算可知，由于毛细芯的特殊结构使得蒸发器内部的压力降在环路总压降中占主导地位。因此，优化环路热管的蒸发段内部结构对于提高其工作性能至关重要。

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