重力与加速度场中环路热管运行性能实验研究
2022-09-22刘思远谢永奇
刘思远 谢永奇
（北京航空航天大学航空科学与工程学院 北京 100191）
双储液器环路热管（Dual Compensation Chamber Loop Heat Pipe，简称DCCLHP）是一种高效的相变换热设备，其工作原理是通过毛细泵驱动流体在蒸发器和热沉之间相变换热实现热量的转移。环路热管传热高效、输热距离远、结构灵活多变，众多专家学者对环路热管开展了相应的实验研究。实验内容包括环路热管的启动性能、稳态性能、加热功率大小及温度振荡等的分析研究。
DCCLHP属于高度集成的密闭结构，因此，其加工难度大，加工成本高。目前，对环路热管运行性能的研究尚处在发展阶段，仍有很多实验现象需要进一步总结和解释。
从实际应用来看，环路热管可应用于飞行器机载电子设备冷却和温控场景，而由于任务需要，飞行器时常会进行过载机动动作，产生瞬时加速度，这会不可避免地影响到环路热管内部工质的流动与换热效果，而这种影响值得被研究。
本文以一套DCCLHP 为研究对象，进行了重力场与3g加速度场启动和稳态运行性能实验，加热功率为100～300W。通过实验数据对比和性能表现分析，研究了DCCLHP的运行性能。
1 实验装置
为了提高DCCLHP 的运行性能，工质选用高纯度氨。毛细芯采用镍粉烧结而成，孔径为1.5μm，孔隙率为55%，渗透率不低于5.0×10m，所有管线均为外径3mm、内径2mm的316L不锈钢材料。DCCLHP 蒸汽管线和液体管线长度分别为110mm 和400mm。冷凝管线长2530mm，并通过冷板与循环冷却水进行换热。实验时，采用pt100 温度传感器测温，布置12 个测点，用来测量蒸发器（EVA）、双储液器（CC-1和CC-2）、蒸汽管线（VL）、冷凝管线（CON1～CON5）、液体管线（LL）和冷却水进出口（COLD_IN 和COLD_OUT）。实验件结构布局、各温度测点及所受加速度方向如图1所示。
图1 DCCLHP结构和测点布置示意图
所搭建的环路热管性能实验台包括恒温水系统、数据采集系统及加速度模拟与控制系统。针对重力和3g 加速度下DCCLHP，进行性能测试和对比实验。实验中，加热功率分别为100W、150W、200W、250W 及300W，所有工况下冷却水进口温度保持为19～21℃，环境温度控制为20～22℃。
2 实验结果与讨论
2.1 重力场
图2 给出了DCCLHP 在重力场100W 加热功率下各测点温度变化曲线。可以发现，实验件可成功启动，启动用时为235s。不过，随着加热功率的继续施加，环路热管均出现了温度不断攀升的现象。启动后，冷凝管线中均为氨蒸气。根据温度曲线可知，气液界面位于CON5和LL_IN测点之间。随着时间的推移，气液界面后退，依次经过CON4、CON3 和CON2 后，停在了CON1 和CON2 之间。这表明冷凝管线并未被完全激活，仍有大部分为液相区。DCCLHP-1 此时处在可变热导区，此时，由液体管线回流至储液器中的液体过冷量较大，导致储液器温度下降，蒸发器与储液器温差增大，故寄生漏热增加，使得储液器热平衡被打破，系统很难达到稳态。故在较小的加热功率下环路热管很容易出现超温现象。
图2 重力场100W 下DC C LH P 的温度曲线
图3 给出了DCCLHP 在300W 加热功率下各测点的温度变化曲线。在环路热管成功启动后，各测点温度逐渐升高并将趋于平衡，此时，气液界面位于CON5和LL之间。DCCLHP 很快便达到了稳态，工作温度为43.1℃。
图3 重力场300 W 下DC C LH P 的温度曲线
2.2 加速度场
图4 给出了3g 加速度和300W 加热功率下各测点的温度变化曲线。可以看出，DCCLHP 可以启动并能达到稳定状态，且未出现温度振荡现象。考虑到加速度可提高液体回流的压头，促进工质循环流动，在施加加热功率后，DCCLHP 启动迅速，温度最终稳定在43.5℃，用时约1100s，稳定时间较短，冷凝管线中气液界面位于CON5 附近。上述结果表明，当加速度方向与液体回流方向相同时，有利于环路热管的运行。
图4 3g 和300W 下DC C LH P 的温度曲线
为了探究加速度对DCCLHP运行性能的影响，图5给出了3g加速度下DCCLHP在100～300W时各测点温度变化。由于环路热管存在可变热导区和固定热导区，故工作温度出现了典型的先下降后上升的“V”型曲线。由于加速度提高了工质的流动能力，故在所有实验工况下均可以达到稳态。测温点的温度转折点在150W 附近，在100W 工况时，运行温度最高为50.3℃。在所有工况下，由于CC2 内部工质会受到回流液体的冷却作用，因此温度较CC1低；而液体管线中为过冷工质，故温度最低。
图5 3g 加速度下DC C LH P 在不同加热功率下各测点温度变化
3 结语
实验中DCCLHP 可以在100～300W 加热功率下成功启动。在较小加热功率时，环路热管处在可变热导区，很容易发生超温现象。而在较大加热功率下，DCCLHP 可在短时间内稳定运行。在3g 加速度场中，DCCLHP 均可以工作至稳定状态，这表明与工质回流方向相同的加速度可以提高DCCLHP 运行性能，促进其达到稳态。随着加热功率的增加，工作温度先下降后上升。
