PDF《复合结构毛细蒸发器传热特性研究》

第29卷第1期2008年1月 工程热物理学报 JOURNAL 0F ENGINEERING THERMOPHYSICS V01.

29,No.1 Jan.,2008 复合结构毛细蒸发器传热特性研究 李 强周海迎宣益民 (南京理工大学动力工程学院, 江苏南京210094) 摘要 研制了复合结构毛细蒸发器环路热管,实验研究了环路热管的启动性能与运行特性,通过与单一结构毛细蒸发 器环路热管对比,表明复合结构毛细蒸发器环路热管传热功率密度得到了提高,热阻明显降低.但在低功率下启动时,复 合结构毛细蒸发器环路热管的温度波动现象加剧. 关键词毛细蒸发器;

环路热管;

复合毛细芯 中图分类号:TKl24 文献标识码:A 文章编号,0253-231X(2008)01-0148-03 INVESTIGATIoN oN HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS oF CoMPoSITE CAPILLARY EVAPoRAToR LI Qiang zHOU Hai―Ying xUAN Yi-Min (School of Power Engineering,Nanjjng University of Science&

Technology,Nanfing 210094,China) Abstract A prototype of loop heat pipe with the composite capillary evaporator was developed to investigate the operational characteristics of the novel structure LHP.The thermal behaviors of the LHP corresponding to the start―up and variation of the heat load were experimentally studied.Tlle thermal resistance and the temperature oscillation phenomena were also analyzed.The comparison of the operational characteristics between the composite capillary evaporator and single capillary evap― orator revealed that the LHP with composite capillary evaporator has higher heat transfer capability and smaller thermal resistance than those of conventional LHP with single structure capillary evapora- tor.But the temperature oscillation was intensified for the LHP with composite capillary evaporator during the start―up process at the small input heat load. Key words capillary evaporator;

loop heat pipe;

composite wick 1引言 随着航天器、大功率电子元器件的散热功率密度 和热负荷的迅速增加,给环路热管(Loop Heat Pipe, 简称LHP)或两相毛细泵回路(Capillary Pumped Loop,简称CPL)技术提出了新的、更高的要求【1|. 分析LHP/CPL毛细芯的工作特性可以看出: (1)毛细芯的性能参数(导热系数、孔隙度等),直接 影响蒸发过程相界面的位置,影响蒸发器的运行特 性.毛细芯的导热系数过高或过低对LHP/CPL运 行均会产生不利影响.毛细芯导热系数过小会影响 能量传递过程,导致蒸发器能量传递效率降低;

芯 体导热系数过大又会使汽液界面向液体侧偏移,严 重时甚至会在蒸发器液体通道内产生气泡,阻塞液 体在芯体内的充灌,使蒸发器失效【引.(2)蒸发器 输出压头的产生源于在毛细芯中或其表面上伴随蒸 发过程产生的毛细抽吸力,有效毛细孔径越小,毛 细抽力越大,但过小的毛细芯有效毛细孔径会引起 毛细芯的渗透率剧烈下降,导致工质在芯内流动阻 力增大,反过来又会降低蒸发器的输出压头,同时 还会使LHP/CPL运行时产生比较大的压力振荡. 显然,要进一步提高毛细芯性能,单纯采用一种材 料去制备具有单一孔径范围的单一结构毛细芯,难 以满足上述要求.因此,必须研究复合结构毛细芯 技术【引. 基于以上分析,本文的主要目的在于研制复合 结构毛细蒸发器,与单一结构毛细蒸发器环路热管 进行对比,分析复合结构毛细蒸发器的启动特性及 传热性能. 2复合结构毛细蒸发器及测试系统 如图1所示,复合结构毛细蒸发器采用双层结 收稿日期t 2007-01―12;

修订日期:2007-11―30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50576038) 作者简介;

李强(1971一),男,河南固始人,教授,博士,主要从事强化传热、系统热控和节能技术的研究. 万方数据 1期 李强等:复合结构毛细蒸发器传热特性研究

149 构,外层毛细芯采用导热系数高、粒径较小的羰基镍 粉烧结而成【4I,厚度为2 mm,平均孔径在0.7 pm,内 层采用导热系数低、粒径较大的不锈钢粉末制成,厚 度为3 mm,平均孔径在10¨m以上.系统运行时, 孔径较小的外层毛细芯能提供较大的驱动力.内层 毛细芯孔径较大,液态工质流动阻力较小,降低蒸 发器的压降. 蒸汽通道 外层毛细芯 图1复合结构毛细蒸发器示意图 口 单一结构和复合结构毛细蒸发器环路热管的蒸 发器总高度为24 mm,直径为50 mm.液体、蒸 气管路采用西3.0 mm的不锈钢管.管路长度均为

1000 mm.冷凝器用直径3.0 mm的不锈钢管制成.工 质是纯度为99.99%的液氨,其中单一结构毛细蒸发 环路热管的毛细芯有效孔径为4.3 9m,厚度5 mm. 图2实验系统图 图2为整个实验系统的示意图.1至10为热电 偶布置图,分别采集蒸发器受热面、补偿器、蒸发器 进出口、蒸气管路、液体管路,冷凝器进出口以及冷 凝器中间各处温度. 3实验结果与讨论 3.1启动特性 图3和图4分别显示了单一芯和复合芯毛细蒸 发器两套环路热管的启动特性实验结果,蒸发器的 加热功率均为30 w.实验结果显示,两种结构的 环路热管都可正常启动.但复合芯系统蒸发器入口 温度低于单一芯系统,复合芯系统补偿器稳定温度 为25.C左右,单一芯系统为32.c左右.而且复合 芯系统的启动比单一芯系统迅速,复合芯系统达到 稳定需14 min左右,而单一芯系统需30 min.这 主要是由于复合结构毛细芯降低了工质在蒸发器中 的流动阻力,使得毛细芯气液界面也向外层推移, 工质在蒸发器内的相变过程更稳定、更易进行,降 低了系统热阻,使得蒸发器工作温度得到降低.

30 p

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20 40

60 80 时间/min 图3单一芯系统的启动特性(30 w) p 越赠OIO

20 30

40 时间/min 图4复合芯系统的启动特性(30 w) 3.2最大热负荷 图5 -6分别是单一芯系统和复合芯系统在功率 递增的情况下的温度特性图.在蒸发器加热功率连 续增加的情况下,两套系统均能稳定运行,蒸发器 工作温度随着功率的增加而上升.

70 w时单一芯 系统已无法正常工作,而复合芯系统在80 w加热 功率下还可以正常工作. 3.3系统热阻 平板式环路热管的热阻采用下式计算【5】: R=AT/Q (1) AT=I 1一(死+Ts)/2 式中: R表示平板式环路热管的热阻;

Q表示蒸 发器加热功率;

乃表示蒸发器工作温度;

死表示 冷凝器入口温度;

孔表示冷凝器出口温度. 图7为蒸发器加热功率与热阻的关系图.可以看 出,复合芯系统的热阻要小于单一芯系统的热阻, 并且复合芯系统的热阻变化幅度很小. 万方数据

150 工程热物理学报 29卷 时间/min 图5单一芯系统功率特性 1.4 1.2 ≥

5 1.0 区O.8 旗O.6 0.4 时间/min 图6复合芯系统功率特性

30 40

50 60

70 80 加热功率/W 图7蒸发器加热功率与热阻的关系 3.4复合芯蒸发器环路热管的低功率波动现象分析 图8是该环路热管在小功率下运行的温度特性 图.实验发现系统在小功率的条件下运行时,各点 温度变化与大功率下有很大不同.2 W功率时,系 统各测点温度大概每5 min左右波动一次,冷凝器 入口温度波动最大,其次是蒸发器入口和冷凝器出 口温度也有30C左右的波动.当蒸发器加热功率增 加到5 w时,环路上的温度波动频率在变大,波动 幅度在增加. 时问/min 图8小功率下温度波动分析图

40 35

30 25≥ 20薄15怒10

5 复合芯系统在小功率下运行时引起温度波动的 原因:当系统在小功率下运行时,蒸发器难以达到 液态工质的饱和气化温度,气液界面在复合结构毛 细芯的外表面形成,并且逐步向毛细芯内层推移. 外层毛细芯孔径下,内层毛细芯孔径大.当毛细芯 界面进入复合芯的内层结构时,由于内层毛细芯孔 径较大,毛细芯所能提供的毛细驱动力将变小,导 致冷凝器内的气液界面向冷凝器入口方向推移,冷 凝器入口温度下降.随着回流入补偿腔的过冷液降 低了补偿器内液态工质的温度,由于氨工质的表面 张力系数随着温度的降低而增大,此时毛细芯所能 提供的毛细驱动力有增大,使得气液界面向外层毛 细芯推移,同时冷凝器中的气液界面液向冷凝器出 口方向推移,冷凝器入口温度上升.复合结构毛细 芯内的气液界面在外层结构和内层结构之间的来回 推移,导致了冷凝器内气液界面的来回推移,使得 冷凝器入口处的温度发生波动现象.随着蒸发器功 率的小幅度增加,系统内工质的流量有所增大,导 致复合毛细芯中气液界面的移动速度也增加,最终 使得冷凝器入口处温度波动的频率增大,波动幅度 也增加.因此,对于复合芯结构的环路热管而言,优 化匹配不同毛细芯的孔径、厚度对于系统的运行非 常关键. 4结论 研制了复合结构毛细蒸发器热管,通过与单一 结构毛细蒸发器环路热管的实验对比,表明复合结 构毛细蒸发器环路热管传热功率密度得到了提高, 热阻明显降低. 在低功率下启动时,复合结构毛细蒸发器环路 热管的温度波动现象加剧,优化匹配不同毛细芯的 孔径、厚度对于系统的运行非常关键. 参考文献 【1】Jentung Ku.Recent Advances in Capillary Pumped Loop Technology.National Heat Transfer Conference,Mary- land,1997 【2】T Li,J M Ochterbeck.Effect of Wick Thermal Conduc- tivity on Startup of a Capillary Pumped Loop Evapora- tor.AIAA一99-3446,1999 [3】宣益民,钱吉裕,李强. CPL复合毛细芯流动性能及工 质特性分析.工程热物理学报, 2003,24(6):1007-1009 【4】李强,宣益民,陈小波.小型CPL用高性能烧结毛细芯的 研制.粉末冶金技术,2005,23(5):330--333 【5】Yuming Chen,Manfred Groll,Rainer Merta,et a1. Steady-State and Transient Performance of a Miniature Loop Heat Pipe.International Journal of Thermal Sci. ence,2006,45(11):1084-1090 万方数据 复合结构毛细蒸发器传热特性研究 作者: 李强, 周海迎, 宣益民, LI Qiang, ZHOU Hai-Ying, XUAN Yi-Min 作者单位: 南京理工大学动力工程学院,江苏南京,210094 刊名: 工程热物理学报 英文刊名: JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS 年,卷(期): 2008,29(1) 被引用次数: 1次 参考文献(5条) 1.Yuming Chen;

Manfred Groll;

Rainer Merta Steady-State and Transient Performance of a Miniature Loop Heat Pipe[外文期刊] 2006(11) 2.李强;

宣益民;

陈小波 小型CPL用高性能烧结毛细芯的研制[期刊论文]-粉末冶金技术 2005(05) 3.宣益民;

钱吉裕;

李强 CPL复合毛细芯流动性能及工质特性分析[期刊论文]-工程热物理学报 2003(06) 4.T Li;

J M Ochterbeck Effect of Wick Thermal Conductivity on Startup of a Capillary Pumped Loop Evaporator[AIAA-99-3446]

1999 5.Jentung Ku Recent Advances in Capillary Pumped Loop Technology

1997 引证文献(1条) 1.柏立战.林贵平 环路热管复合芯传热与流动特性分析[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2009(12) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gcrwlxb200801046.aspx ........