王領(lǐng)華 劉 欣

環(huán)路熱管蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計及分析研究

王領(lǐng)華 劉 欣

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

為推動環(huán)路熱管優(yōu)化方法研究，分析了常用的圓柱形環(huán)路熱管蒸發(fā)器長度變化對環(huán)路熱管的影響，研究了環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸的優(yōu)化及仿真分析技術(shù)。建立了環(huán)路熱管蒸發(fā)器長度與管內(nèi)壓力、溫度分布間的數(shù)學(xué)模型，并利用SINAPS軟件建立起了環(huán)路熱管熱/流仿真模型，包括各部件相關(guān)的仿真程序，實現(xiàn)了對某環(huán)路熱管系統(tǒng)三種不同蒸發(fā)器長度狀態(tài)下各部件溫度及壓力變化的仿真分析，仿真結(jié)果表明：應(yīng)用這一熱/流模型可以十分快速地評估環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸變化對各部件的溫度及管內(nèi)壓力的影響，為蒸發(fā)器尺寸的優(yōu)化設(shè)計提供方向。該熱/流模型還可用于對環(huán)路熱管系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及工程應(yīng)用進行指導(dǎo)，以便開展進一步的研究。

環(huán)路熱管；蒸發(fā)器；熱/流模型；優(yōu)化；仿真

1 引言

“環(huán)路熱管”的概念由前蘇聯(lián)烏拉爾工藝研究所的科學(xué)家Y. F. Gerasimov和Y. F. Maydanik第一次提出，并成功設(shè)計了第一套實驗室環(huán)路熱管[1，2]。1990年，環(huán)路熱管在國際上公開后，作為一種極具價值的熱控/管理技術(shù)受到了人們的高度重視，其發(fā)展也在隨后的十幾年內(nèi)異軍突起[3]。

目前，環(huán)路熱管技術(shù)在國外的X-37B、阿爾法磁譜儀等航天器熱控系統(tǒng)中獲得了成功應(yīng)用[4]；國內(nèi)也針對環(huán)路熱管系統(tǒng)在不同運行條件下的運行特性開展了相關(guān)研究及大量的地面試驗，并進行了飛行搭載試驗，獲得了眾多寶貴經(jīng)驗數(shù)據(jù)。隨著電子設(shè)備向著微型化、高集成度、高功率方向發(fā)展，環(huán)路熱管技術(shù)越來越得到人們的重視[5]。

環(huán)路熱管是一種利用流體工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程傳熱，以毛細力驅(qū)動流體循環(huán)和長距離定向傳輸熱量，自驅(qū)動和魯棒性控制的先進熱控/熱管理技術(shù)。一個典型的環(huán)路熱管由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器、蒸汽管路和液體管路等五部分構(gòu)成。然而，大量研究及地面試驗更多的是針對環(huán)路熱管整套系統(tǒng)及蒸發(fā)器毛細芯相關(guān)參數(shù)，對環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸的研究相對較少。

環(huán)路熱管作為一種先進的兩相傳熱技術(shù)，具有高傳熱性能、遠距離傳輸熱量、安裝靈活方便、無需外加動力、運行可靠性高以及反重力強等諸多優(yōu)點，在航天器熱控/管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。蒸發(fā)器作為環(huán)路熱管的核心部件，其尺寸變化對環(huán)路熱管傳熱性能影響較大。重點分析了環(huán)路熱管蒸發(fā)器長度變化對傳熱的影響，并利用節(jié)點網(wǎng)絡(luò)法建立環(huán)路熱管數(shù)學(xué)模型，對蒸發(fā)器尺寸優(yōu)化方法和仿真分析技術(shù)開展深入研究。

2 環(huán)路熱管系統(tǒng)簡介

圖1 某航天器環(huán)路熱管系統(tǒng)示意圖

環(huán)路熱管是一種高效傳熱裝置，利用毛細芯產(chǎn)生的毛細力作為驅(qū)動力，利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝實現(xiàn)熱量傳遞，能夠?qū)崿F(xiàn)小溫差、長距離熱量傳輸，具有重要的工程應(yīng)用價值。針對某航天器艙內(nèi)設(shè)備而設(shè)計的環(huán)路熱管系統(tǒng)如圖1所示。航天器在軌運行過程中外表面包裹防熱結(jié)構(gòu)散熱困難，艙內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的熱量只能通過輻射器排散至外部空間，而設(shè)備距離散熱輻射器較遠，因此環(huán)路熱管是將設(shè)備熱量傳輸至輻射器的最好選擇。

表1 環(huán)路熱管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

環(huán)路熱管技術(shù)重量輕、傳輸距離遠、傳熱功率大、布置靈活，不受設(shè)備具體位置的影響，可有效解決這些問題。該環(huán)路熱管系統(tǒng)各部件參數(shù)見表1。

3 蒸發(fā)器數(shù)學(xué)模型

蒸發(fā)器作為環(huán)路熱管的核心部件，主要由進液管、毛細芯、蒸汽槽和內(nèi)置凹槽的管殼四部分構(gòu)成，它決定著環(huán)路熱管系統(tǒng)的運行性能，并主要影響環(huán)路熱管各部件的溫度水平和管路內(nèi)壓力變化。蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。重點分析蒸發(fā)器長度變化的影響，為蒸發(fā)器尺寸優(yōu)化提供指導(dǎo)。分析蒸發(fā)器長度變化對各部件溫度及管內(nèi)壓力的影響，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

圖2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 壓力變化模型

在蒸發(fā)器直徑一定的情況下，改變蒸發(fā)器長度，將對蒸發(fā)器的流阻有較大影響，而毛細抽吸極限不變，從而影響管路內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量，繼而影響著整個環(huán)路熱管系統(tǒng)的壓力變化。以下對環(huán)路熱管蒸發(fā)器內(nèi)各部分壓力分別進行介紹。

環(huán)路熱管毛細抽吸極限計算公式為：

Δcap=2cos/（1）

式中，為液體工質(zhì)表面張力；為毛細芯表面的有效毛細半徑；為工質(zhì)液體與毛細芯的接觸角。表面張力系數(shù)可查表得到，極限情況下假定液氨與鎳芯是完全浸潤的，接觸角常取0。

其中，蒸發(fā)器內(nèi)壓降主要包括蒸汽槽道內(nèi)壓降和毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)壓降兩部分。

a. 蒸汽槽道內(nèi)流動壓降

溝槽內(nèi)蒸汽壓力的變化主要是沿蒸汽流道粘性阻力所產(chǎn)生的壓降造成的，是軸向位置的函數(shù)，蒸發(fā)區(qū)存在粘性壓降，同時也存在使蒸汽分子脫離液面的動量變化，使得蒸汽壓力減小。蒸汽槽道內(nèi)的流動壓降為

式中，μ為動力粘度；為蒸發(fā)器長度；m為質(zhì)量流量，為蒸汽槽道數(shù)，D為當(dāng)量直徑，ρ為蒸汽密度；為槽道截面積。

b. 毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)流動壓降

在計算毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)流動壓降時，常假定環(huán)路熱管中工質(zhì)是不可壓縮、層流狀態(tài)，且忽略兩相混合所產(chǎn)生的壓降與慣性力，根據(jù)達西定理，毛細結(jié)構(gòu)內(nèi)流動壓降計算公式為

式中，參數(shù)1是工質(zhì)流體粘度，m是質(zhì)量流率，是毛細結(jié)構(gòu)的厚度，1是工質(zhì)流體密度，是毛細結(jié)構(gòu)截面區(qū)域的面積，是毛細結(jié)構(gòu)的滲透率，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值如表2所示。

表2 常用毛細結(jié)構(gòu)的滲透度

因此，對于燒結(jié)粉末，壓降計算公式化簡為：

其中，為空隙率，r為粉末半徑，一般取2.5～5μm。

由上述分析知，蒸發(fā)器長度的變化可以引起環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)壓力的變化，導(dǎo)致蒸汽槽道內(nèi)壓降增大，不利于環(huán)路熱管系統(tǒng)的運行。

3.2 傳熱模型

在設(shè)備熱耗（即環(huán)路熱管熱載）一定的情況下，環(huán)路熱管蒸發(fā)器的尺寸與其面熱流密度相關(guān)，熱流密度的大小又決定著蒸發(fā)器外壁面及設(shè)備的溫度水平。

環(huán)路熱管蒸發(fā)器構(gòu)成較為復(fù)雜，分為平板式和圓柱式，目前用的較多的為圓柱式，分析圓柱形蒸發(fā)器，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，蒸發(fā)器主要由液體引管、毛細芯、蒸汽槽道和蒸發(fā)器壁面等結(jié)構(gòu)組成，并且兩端分別與儲液器和蒸汽管路相連，因此蒸發(fā)器的換熱關(guān)系主要包括與儲液器之間的傳導(dǎo)換熱（又稱漏熱）、蒸發(fā)器壁面與氣液界面的對流換熱、蒸發(fā)器與蒸汽管路間的傳導(dǎo)換熱、蒸發(fā)器與液體管路間傳導(dǎo)換熱等。各部分換熱關(guān)系如下。

蒸發(fā)器與儲液器間傳導(dǎo)換熱計算公式為：

式中，表示換熱量，W；為材料的熱導(dǎo)率，W/(m·K)；為傳熱距離，m；為傳導(dǎo)換熱系數(shù)；Δ為兩者之間的溫差，℃。建模時一般只給出傳熱系數(shù)即可，因為Δ為一變化量，求解過程中隨時間不斷變化。

蒸發(fā)器與蒸汽管路間的傳導(dǎo)換熱和蒸發(fā)器與液體管路間的傳導(dǎo)換熱均可由式（5）求得，此處不再贅述。

蒸發(fā)器壁面與氣液界面的對流換熱計算公式為：

=Δ=evapπowickevapΔ（6）

式中，evap為蒸發(fā)傳熱系數(shù)，一般不低于6000W/(m2·℃)；owick為毛細芯外徑，m；evap為蒸發(fā)器長度，m。

由傳熱模型的分析可知，蒸發(fā)器長度的增加可以有效降低蒸發(fā)器表面的熱流密度，同時對增大蒸發(fā)器壁面與氣液界面的對流換熱有利，因此增大蒸發(fā)器長度對減小環(huán)路熱管系統(tǒng)部件溫度有利。

綜上所述，環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸的變化對環(huán)路熱管系統(tǒng)內(nèi)壓力分布及溫度分布均有較大影響，增大蒸發(fā)器長度將會增大系統(tǒng)內(nèi)壓降，減小系統(tǒng)內(nèi)部件溫度，并會帶來系統(tǒng)重量的增加及毛細芯加工工藝難度的提高。因此，在環(huán)路熱管蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計時，需要綜合對比蒸發(fā)器尺寸變化對壓降、溫度及系統(tǒng)重量的影響，得出最優(yōu)設(shè)計尺寸。重點通過仿真方法優(yōu)化分析環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸。

4 仿真結(jié)果及分析

仿真技術(shù)可以有效縮短研制周期，降低研制成本，實現(xiàn)方案優(yōu)化設(shè)計等，對環(huán)路熱管技術(shù)研究具有重要意義。然而環(huán)路熱管仿真技術(shù)中包括流體模型和換熱模型，涉及工質(zhì)溫度、相態(tài)、質(zhì)量和流量等參數(shù)隨時間的變化以及流體與管殼間對流換熱、管殼與環(huán)境間的輻射換熱、管殼與輻射器間傳導(dǎo)換熱等多種換熱形式相互耦合，仿真技術(shù)難度較大，因此現(xiàn)有的仿真手段大都是簡化環(huán)路熱管數(shù)學(xué)模型，通過編程實現(xiàn)，與實際情況存在較大差別。

本文利用SINAPS軟件建立了環(huán)路熱管節(jié)點網(wǎng)絡(luò)熱分析模型[6，7]，見圖4。

圖4 環(huán)路熱管熱分析模型

流體模型中，儲液器和蒸汽槽道用體積可變的流團Tanks建模，該流團內(nèi)質(zhì)量流量和能量都會隨時間逐漸變化，其他流動部分用零體積的流團Junctions建模，該流團內(nèi)質(zhì)量和流量不能積累，進出能量時刻保持平衡。蒸發(fā)器和儲液器中氣液兩相并存的模型較為復(fù)雜，在流體模型中將儲液器定義為一組流團（Twinned Tank），默認每一個流團都處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此在一個兩相控制體中的氣體和液體都被認為具有不同的溫度和壓力。

表3 三種工況下環(huán)路熱管系統(tǒng)各部分參數(shù)

為了研究蒸發(fā)器長度對環(huán)路熱管系統(tǒng)的影響，選取了三種長度工況，分析蒸發(fā)器長度變化，長度分別為5.7cm、8.8cm、12cm，模型中環(huán)路熱管環(huán)境取283K，輻射器熱沉溫度取255K，且仿真時不考慮儲液器的控溫設(shè)計。通過仿真分析，三種不同長度工況條件下，蒸發(fā)器表面熱流密度、熱載溫度、回路壓降、儲液器溫度和蒸發(fā)器溫度統(tǒng)計如表3所示。

通過對環(huán)路熱管蒸發(fā)器三種不同長度的仿真分析，可以看出：

a. 該仿真方法可以較好地顯示出環(huán)路熱管系統(tǒng)中各部件的溫度分布和壓力分布，能夠很好地實現(xiàn)環(huán)路熱管優(yōu)化設(shè)計；

b. 蒸發(fā)器尺寸的變化對蒸發(fā)器表面熱流密度、熱載溫度、回路壓降、儲液器溫度和蒸發(fā)器溫度等參數(shù)均有較大影響。隨著蒸發(fā)器長度增大，蒸發(fā)器表面熱流密度變大，引起熱載溫度升高，整個系統(tǒng)的回路壓降增大，儲液器和蒸發(fā)器溫度均有所降低；

c. 當(dāng)蒸發(fā)器長度為5.7cm時，蒸發(fā)器表面熱流密度達3.05W/cm2，熱載溫度高達60℃，超出一般設(shè)備的正常工作溫度范圍，因此在蒸發(fā)器設(shè)計時，盡量保證壁面熱流密度不超過3.0W/cm2；

d. 環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸優(yōu)化設(shè)計時，在確?；芈穳航禎M足毛細抽吸極限及系統(tǒng)設(shè)計滿足質(zhì)量要求的前提下，盡量增加蒸發(fā)器長度，這樣可以有效減小熱載溫度水平，確保儀器設(shè)備滿足控溫要求。

5 結(jié)束語

為研制出性能更優(yōu)的環(huán)路熱管系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于航天器熱控系統(tǒng)設(shè)計中，本文重點對環(huán)路熱管優(yōu)化設(shè)計及分析技術(shù)進行了研究，根據(jù)環(huán)路熱管兩相換熱特性建立了蒸發(fā)器內(nèi)部壓力變化模型、傳熱模型等數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)數(shù)學(xué)模型采用SINAPS軟件進行兩相換熱程序開發(fā)，實現(xiàn)了環(huán)路熱管換熱和流動仿真計算。

采用該分析模型完成航天器環(huán)路熱管不同蒸發(fā)器長度條件下管內(nèi)溫度分布和壓力分布計算，獲取了最優(yōu)蒸發(fā)器設(shè)計長度，實現(xiàn)環(huán)路熱管蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計。仿真結(jié)果表明：該熱/流模型可以計算環(huán)路熱管內(nèi)部溫度分布和壓力分布，并能夠十分快速地評估環(huán)路熱管蒸發(fā)器尺寸變化對各部件的溫度及管內(nèi)壓力的影響，對環(huán)路熱管優(yōu)化設(shè)計具有十分重要的參考意義。

1 Gerasimov Y F, Maydanik Y F, Dolgirev Y Y, et al. Some results of investigation of low-temperature heat pipes operating against gravity field[J]. Eng. Phys. J., 1976(4): 581～586

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5 Zhang Jiaxun. The state-of-the-art of loop heat pipe[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004(4): 682～684

6 C&R technologies, Sinda/Fluint ver5.5 user’s manual[D]. C&R Technologies, Boulder Colorado, 2012

7 C&R technologies, loop heat pipe prebuilt model[D]. C&R Technologies, Boulder Colorado, 2004

Study on Optimization Design and Analysis of Loop Heat Pipe Evaporator

Wang Linghua Liu Xin

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

In order to investigate the design optimization of the loop heat pipe (LHP), the influence to the heat transfer performance of cylindrical LHP was analyzed when the length of evaporator changed. The optimization of size design and simulation analysis of the LHP evaporator were studied. The mathematical model between the length, the pressure and the temperature distribution of the LHP evaporator was developed. The thermal/fluid simulation model was established by SINAPS software, which could simulate the temperature and pressure change of the LHP in different lengths of the evaporator. The simulation results show that the thermal/fluid model could rapidly evaluate the impact of the size change of the evaporator on the temperature and pressure of all components of LHP, which offered the method for the evaporator optimization in size design. The thermal/fluid model could also be used for the optimization of the whole LHP system to guide the design and engineering application for further research of the LHP.

loop heat pipe；evaporator；thermal/fluid model；optimization；simulation

國家某863重大項目資助（2015AA7060211）。

王領(lǐng)華（1987），工程師，機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)；研究方向：航天器熱控系統(tǒng)總體方案設(shè)計、仿真及試驗。

2018-07-31