蒸发器倾角对环路热管运行特性影响∗

周 亮 汪 辉 屈治国

（1.西安航空学院能源与建筑学院 西安 710077）

（2.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室 西安 710049）

1 引言

环路热管是依靠毛细力实现主动循环、通过气液相变实现热传输的换热装置，拥有良好的反重力和抗旋转能力，加之装配灵活、可长距离输送、低热阻等特性，已成功应用于电子器件冷却、航天器和潜艇等热控系统［1～3］。目前，环路热管主要研究对象为铜-水［4］、不锈钢-氨等［5～6］组合的常温体系，研究方法包含实验和理论两方面。实验可以测量环路壁面温度、蒸发传热系数和环路总热阻等热性能参数［7～9］；理论方法通过对系统内的流动、传热和传质过程进行仿真和分析，得到系统内部的热质传输信息［7～8］。

环路热管的核心动力部件是内置毛细芯的蒸发器。蒸发器倾角会随着设备位置变化呈现不同的结果，改变内部液体工质的运移路径，从而影响系统运行结果［10］。龙延等［11］开展了不同倾角对平板型环路热管的实验研究，指出有倾角存在会降低系统启动功率和稳态运行热阻，并且不同倾角间的运行特性差距很小。Bai等［12］实验研究了蒸发器倾角对圆柱型环路热管稳态运行温度的影响，指出当蒸发器位置高于储液器时，回流至蒸发器的过冷液减少，致使蒸发温度升高，降低系统热性能。有关蒸发器倾角对系统运行的影响研究仍非常缺乏，因此，本文结合实验测量趋势和理论分析，通过圆柱型环路热管系统的稳态运行仿真，说明蒸发器不同倾角时系统的运行特性，通过建立模型给出特定工况下，环路系统能够正常运行时临界倾角的确定方法和预测结果。

2 模型简介

环路热管的系统级仿真模型采用本研究组建立并验证的一维数值模型［13］。根据该系统数值模型，对于某蒸发温度值，可通过求解系统内的气液分布状态，结合质量守恒关系确定储液器的气体比例，得到储液器内的含气率，即下式

其中，MASS表示环路系统总的工质填充质量，VGROO为蒸气槽道的体积，VVL为气线的体积，Vg，COND为冷凝器管线中气体相的体积，Vl，COND为冷凝器管线中液体相的体积，VLL为液线的体积，VW为毛细芯中除去固体颗粒的孔隙体积，VCORE为蒸发器核心管内流体干道的体积，VCC为储液器的体积，αCC表示储液器内的含气率。待环路系统内工质状态明确后，由式（1）得出储液器内的含气率值，其中各参数可通过系统稳态运行模型确定［13］。环路热管的结构参数如表1所示。

表1 环路热管的结构尺寸参数

3 结果与讨论

目前多数文献报道均关注蒸发器与储液器处于水平位置，此时系统内工质的填充量（假设常温下为67.0%）保证了蒸发器核心管内一直有足够量的液体工质存在，使得系统稳定运行。此种情况的运行结果和特性已较为清楚，这里不再赘述。以下讨论蒸发器低于和高于储液器的运行特性。

3.1 蒸发器低于储液器

当蒸发器低于储液器位置，系统到达稳态时，气相工质的密度较小，从而蒸发器核心内一直充满液体工质，如图1所示。此时蒸发器核心管内产生的气泡在浮生力的作用下，逐渐向上运动，待进入储液器后，在与储液器内回流管中过冷液体的热交换作用下，气泡最终湮灭消失。因此，蒸发器低于储液器位置，在不考虑蒸发器核心管内流体流动压降的条件下，核心管内气泡存在对漏热特性和环路系统运行特征的影响规律与二者处于水平位置时的结果基本相同，具体差异体现在蒸发温度有微弱的增大［12］。

图1 蒸发器低于储液器位置时，蒸发器核心管和储液器内气液态工质的分布状态

3.2 蒸发器高于储液器

当蒸发器位于储液器之上时，气相区域会在蒸发器核心管内出现。图2描述了蒸发器位置高于储液器时，二者呈不同角度时的气液分布状态。图2（a）中，二者呈某较小的角度δ1时，蒸发器核心管的入口截面处全部被气相工质充满；继续增大倾角，蒸发器核心管的气相区域越来越多；当二者呈δ角度时［图2（b）］，蒸发器核心管内全部被气相充满；继续增大角度直至蒸发器垂直于储液器之上，蒸发器和储液器均存在一定体积的气相态工质［图2（c）］。

图2 蒸发器高于储液器位置时，蒸发器核心管和储液器内气液态工质的分布状态

当蒸发器与储液器的倾角小于δ1时，蒸发器核心管内仅存在很小部分的气体相区域；当蒸发器与储液器的倾角处于δ1～δ之间时，蒸发器核心管内保持着一定比例的长度区域被液体工质充满，并且认为此种状态可以为毛细芯提供足够的充液能力，毛细芯能够实现正常的蒸发现象，系统处于蒸发温度较高的正常运行状态；当蒸发器与储液器的倾角大于δ时，蒸发器核心管内均填充气体工质，毛细芯供液能力受到影响且出现“烧干”现象，因此认为倾角大于δ时系统运行失效，此种工作模式应尽量避免或者及时纠正。

为了获得另系统正常运行的临界倾角δ，需要确定蒸发器和储液器内气液填充状态受倾角的影响规律。由于蒸发器与储液器连接件的体积远远小于储液器的体积，因此忽略连接件对液体的作用，问题简化为储液器内气液分布状态受倾角的影响。图3描述了当倾角变化时储液器内气液分布的两种状态，其中储液器特征角为一定值，由储液器的长度和半径确定，表达式为

当倾角α小于特征角时，即图3（a），储液器内的气相体积比计算式为

其中，VCC为储液器的总体积，VS表示图3（a）中上部深色区域的液体体积，可由以下数学积分式确定

当倾角α大于特征角时，即图3（b），VS的计算式为

图3 蒸发器高于储液器位置时，储液器内气液分布状态受倾角影响的两种情况

对于常温工质67.0%填充量系统，通过对式（2）～（5）求解得到不同蒸发器倾角的液面控制下，储液器内气相体积的结果，如表2和图4所示。随着蒸发器倾角的增大，更多液体从蒸发器核心逐渐流至储液器内，因此储液器内的含气率逐渐减小。

表2 不同蒸发器倾斜角下对应的储液器含气率

图4 蒸发器高于储液器位置时，不同蒸发器倾斜角下储液器含气率变化趋势

表3列出了不同冷源温度下，常温工质67.0%填充量的环路体系在稳态运行时，储液器内含气率的计算值［13］。针对某一组热负荷和冷源温度的工况，由表3中相应的储液器的含气率数值，根据表2和图4中的倾角角度-含气率对应关系，反推求得相对应的蒸发器倾角值，此倾角即为环路系统能够正常运行的临界倾角。当蒸发器倾角大于此临界值后，毛细芯处于供液紧张状态，引发毛细芯“烧干”现象，环路系统运行失效。

表3 不同冷源温度下环路热管稳态运行下储液器的含气率

4 结语

分析了蒸发器不同倾角下系统的运行特性，并基于环路热管系统级仿真模型，建立了蒸发器位置高于储液器时，不同倾角下储液器内含气率的计算模型。指出当蒸发器位置低于储液器时，毛细芯的供液能力和环路热管的运行结果基本不受影响，当蒸发器位置高于储液器时，存在一临界角度，当倾角大于该临界角时，毛细芯供液能力受到影响且出现“烧干”现象，环路热管运行失效，该临界角可通过稳态下储液器含气率进行确定。