環(huán)路熱管研究

1、北京航空航天大學20142015學年 第一學期現(xiàn)代飛行器環(huán)境控制新技術(shù)班 級 SY14055班 學 號 SY1405514 姓 名_ _武飛_ _成 績 _ _航空科學與工程學院二零一五年一月二十六日環(huán)路熱管1. 基礎(chǔ)知識31.1 傳統(tǒng)熱管簡介31.1.1 傳統(tǒng)熱管的工作原理31.1.2傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點與局限41.2 環(huán)路熱管簡介51.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理51.2.2 部件介紹71.2.3 工質(zhì)選擇92. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀102.1 環(huán)路熱管的實驗研究102.2 環(huán)路熱管的理論建模123. 關(guān)鍵技術(shù)134. 主要研究內(nèi)容155. 結(jié)論156. 參考文獻17環(huán)路熱管1. 基礎(chǔ)知識1.1 傳統(tǒng)熱

2、管簡介1.1.1 傳統(tǒng)熱管的工作原理圖1.1給出傳統(tǒng)熱管的結(jié)構(gòu)示意圖，沿管長方向依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。傳統(tǒng)熱管利用工質(zhì)的蒸發(fā)和凝結(jié)來傳遞熱量，液體工質(zhì)在蒸發(fā)段吸熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣沿熱管中心蒸氣通道經(jīng)絕熱段流至冷凝段冷凝放熱，凝結(jié)的液體在毛細芯產(chǎn)生的毛細壓力作用下經(jīng)毛細芯從冷凝段回流至蒸發(fā)段，如此循環(huán)，實現(xiàn)熱量從熱源至熱沉的高效傳輸，而無需外加動力。蒸 氣 流 向回流方向熱 源熱 沉蒸發(fā)段絕熱段冷凝段 圖1.1 傳統(tǒng)熱管示意圖 圖1.2 毛細壓力驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)毛細壓力是熱管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的驅(qū)動力。如圖1.2所示，在熱管的蒸發(fā)段，液體不斷從毛細芯表面蒸發(fā)變成蒸氣，致使氣液界面的曲率半徑逐漸減小，

3、氣液界面兩側(cè)的壓差相應(yīng)增大；而在冷凝段，蒸氣不斷在毛細芯表面凝結(jié)變成液體，致使毛細孔內(nèi)的氣液界面趨于一個平面，曲率半徑不斷增大，氣液界面兩側(cè)的壓差相應(yīng)減小。毛細芯提供的毛細壓力可表示為： （1.1）工質(zhì)在熱管內(nèi)循環(huán)的壓降主要包括蒸氣從蒸發(fā)段流向冷凝段的壓降，液體從冷凝段回流至蒸發(fā)段的壓降以及重力對液體流動引起的壓降（蒸發(fā)器位于冷凝器下端時，重力輔助液體回流，此項為負值；蒸發(fā)器位于冷凝器上端時，重力阻礙液體回流，此項為正值）。熱管的正常運行要求毛細芯提供的毛細壓力與工質(zhì)循環(huán)的總壓降相平衡，如式（1.2）所示： （1.2）工質(zhì)在毛細芯內(nèi)的接觸角具有自調(diào)節(jié)功能，根據(jù)式（1.1），毛細芯提供的毛細壓力

4、隨著接觸角的變化而改變，從而保證式（1.2）一直成立。當蒸發(fā)段毛細芯內(nèi)接觸角e為零度，冷凝段毛細芯內(nèi)接觸角c為90度時，毛細芯提供的毛細壓力達到最大值： （1.3）當熱管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的總壓降等于毛細芯所能提供的最大毛細壓力時，熱管的傳熱能力達到最大，即達到了毛細限。繼續(xù)增大熱載荷，毛細芯無法提供足夠的驅(qū)動力，熱管將無法正常運行。1.1.2傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點與局限熱管作為一種具有超高導熱性能的傳熱元件在業(yè)界已廣為人知，在軍用和民用領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，如將熱管應(yīng)用于航天器熱控制、電子器件冷卻以及工業(yè)余熱回收等。與其它傳熱元件相比，熱管具有很多優(yōu)點：(1) 熱管具有極高的傳熱性能，能以很小的溫差遠距離傳

5、輸較大的熱量；(2) 熱管具有優(yōu)良的等溫性，蒸發(fā)段與冷凝段壁面溫度分別接近蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，具有良好的溫度一致性；(3) 熱管內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)由毛細芯產(chǎn)生的毛細壓力驅(qū)動，無需外加動力；(4) 熱管具有良好的啟動性能，蒸發(fā)段與冷凝段兩者存在很小溫差時，熱管便能迅速啟動，實現(xiàn)熱量的高效傳輸；(5) 對于水平放置的有芯熱管，熱量傳輸方向具有可逆性，而對于重力熱管，具有熱二極管（單向傳熱）的特性；(6) 熱管具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可根據(jù)熱源和熱沉的結(jié)構(gòu)形式對熱管結(jié)構(gòu)進行一定的改變，如設(shè)置多個蒸發(fā)段或冷凝段，制成平板熱管或分離式熱管等。然而，傳統(tǒng)熱管也存在一些固有的缺陷，限制了它的傳熱能力以及廣泛應(yīng)用，主

6、要包括如下幾個方面：首先，傳統(tǒng)熱管受到使用方位和長度的限制。如圖1.3所示，在重力場中，當蒸發(fā)段位于冷凝段上方會對熱管運行產(chǎn)生不利影響，因為毛細芯可能無法提供足夠的毛細壓力去克服重力而使冷凝液體回流至蒸發(fā)段，即傳統(tǒng)熱管的反重力能力非常差，尤其對于槽道熱管，這是使用方位對傳統(tǒng)熱管的限制。雖然根據(jù)式（1.3）可得，毛細壓力隨著毛細孔孔徑的減小而增大， 可采用減小毛細孔孔徑的辦法來增大毛細壓力，但是減小毛細孔孔徑的同時會使得液體經(jīng)毛細芯回流的阻力顯著增加，甚至抵償或超過毛細壓力增大的部分，因此，減小毛細孔孔徑無法徹底解決使用方位的限制。此外，對應(yīng)一定的熱載荷，熱管的傳熱距離存在一定限制，這是因為液體

7、回流阻力隨熱管長度的增加而增大，工質(zhì)循環(huán)的總壓降可能超過毛細芯所能提供的最大毛細壓力，造成蒸發(fā)段因供液不足而燒干，熱管無法正常運行，這是長度的限制?；亓鞣较驘?沉熱 源圖1.3 傳統(tǒng)熱管反重力運行的情形其次，傳統(tǒng)熱管內(nèi)有攜帶現(xiàn)象發(fā)生。由于熱管內(nèi)蒸氣和液體直接接觸且流向相反，導致蒸氣對毛細芯內(nèi)的回流液體施加剪切力。當蒸氣流速較高時，可能將氣液界面的液體以微滴形式攜帶回冷凝段，同時液體回流受阻。攜帶導致所需的工質(zhì)循環(huán)量增大，當液體回流不能滿足循環(huán)量增加時，蒸發(fā)段就會燒干。攜帶現(xiàn)象是限制傳統(tǒng)熱管傳熱能力的因素之一。最后，傳統(tǒng)熱管安裝不夠靈活方便。傳統(tǒng)熱管的管殼通常是銅、鋁合金、不銹鋼等金屬材料，只允

8、許一定程度的彎曲，在一些復(fù)雜的安裝場合應(yīng)用往往受到限制。1.2 環(huán)路熱管簡介1.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）一般由蒸發(fā)器、冷凝器、儲液器以及蒸氣和液體管線構(gòu)成。圖1.4給出目前LHP典型的結(jié)構(gòu)形式，與早期結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別是將液體回流管線引入到蒸發(fā)器中心，這段回流管線稱為液體引管。圖1.4 LHP結(jié)構(gòu)示意圖LHP的工作原理：對蒸發(fā)器施加熱載荷，工質(zhì)在蒸發(fā)器毛細芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸氣從蒸氣槽道流出進入蒸氣管線，繼而進入冷凝器冷凝成液體并過冷，回流液體經(jīng)液體管線進入液體干道對蒸發(fā)器毛細芯進行補給，如此循環(huán)，而工質(zhì)的循環(huán)由蒸發(fā)器毛細芯所產(chǎn)生的毛細壓力驅(qū)動，

9、無需外加動力。LHP的正常運行要求毛細芯產(chǎn)生的毛細壓力必須與工質(zhì)在回路內(nèi)循環(huán)的總壓降相平衡，這些壓降主要包括工質(zhì)在蒸氣槽道、蒸氣管線、冷凝器、液體管線以及毛細芯內(nèi)流動產(chǎn)生的摩擦壓降以及反重力運行時液體回流所需克服的重力壓降，如式（1.4）所示： （1.4）若工質(zhì)在回路內(nèi)循環(huán)的總壓降超過毛細芯所能提供的最大毛細壓力，蒸氣將擊穿毛細芯進入液體干道，工質(zhì)的正常循環(huán)無法維持，LHP將無法正常運行。LHP在傳統(tǒng)熱管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它繼承了傳統(tǒng)熱管的優(yōu)點，同時克服了傳統(tǒng)熱管的固有缺陷和不足。LHP與傳統(tǒng)熱管最顯著的區(qū)別為毛細結(jié)構(gòu)的局部化設(shè)置，它只在蒸發(fā)器吸熱區(qū)域布置毛細芯，將傳統(tǒng)熱管毛細芯的毛細抽吸功能

10、與液體回流功能分離。對于LHP，液體經(jīng)過光滑內(nèi)壁管線回流，流動壓降顯著降低，因而可采用能提供很高毛細壓力的微米級孔徑毛細芯來克服重力的影響，同時不會產(chǎn)生增加液體回流阻力的負面影響。因此，LHP傳熱距離遠，反重力能力強，解決了傳統(tǒng)熱管受到使用方位和長度限制的問題。此外，LHP將蒸氣通道和液體通道分離，蒸氣和液體分別在各自的管線內(nèi)傳輸，從而杜絕了攜帶現(xiàn)象的發(fā)生。值得一提的是，蒸氣管線和液體管線的分離使得LHP的安裝變得靈活方便，不再受限于熱源與熱沉的方位和距離，這是相對傳統(tǒng)熱管的又一優(yōu)勢。1.2.2 部件介紹 蒸發(fā)器蒸發(fā)器是LHP的核心部件，它具有從熱源吸收熱量以及提供工質(zhì)循環(huán)動力兩項重要功能。經(jīng)

11、過數(shù)十年的改進和發(fā)展，目前較為普遍的結(jié)構(gòu)形式如圖1.5所示，蒸發(fā)器本體主要包括蒸發(fā)器殼體、毛細芯和液體引管。毛細芯外側(cè)的軸向槽道稱為蒸氣槽道（Vapor groove），毛細芯內(nèi)側(cè)為液體干道（Liquid core 或 Evaporator core）。毛細芯是蒸發(fā)器的核心元件，它提供工質(zhì)循環(huán)動力、提供液體蒸發(fā)界面以及實現(xiàn)液體供給，同時阻隔毛細芯外側(cè)產(chǎn)生的蒸氣進入儲液器。目前常用的毛細芯結(jié)構(gòu)如圖1.6所示（俄羅斯國家科學院熱物理研究所樣品）。毛細芯一般是將微米量級的金屬粉末通過壓制、燒結(jié)等工藝成型，形成微米量級的孔徑，圖1.7給出毛細芯在電鏡下的多孔結(jié)構(gòu)圖。蒸氣槽道液體干道液體引管毛細芯儲液器

12、蒸發(fā)器圖1.5 蒸發(fā)器和儲液器的結(jié)構(gòu)圖 10 mm圖1.6 毛細芯的結(jié)構(gòu)形式 圖1.7 電鏡下的毛細芯多孔結(jié)構(gòu)毛細芯內(nèi)液體干道的設(shè)置是為了使液體能夠沿軸向均勻地對毛細芯進行供液。否則，液體從儲液器沿軸向向毛細芯的供液阻力非常大，很容易造成供液不足，導致毛細芯產(chǎn)生軸向溫差，甚至出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象。設(shè)置液體引管將回流的過冷液體直接引入到蒸發(fā)器中心，一方面，回流液體攜帶的冷量可用來平衡蒸發(fā)器透過毛細芯的徑向漏熱；另一方面，當液體干道內(nèi)由于蒸發(fā)器的漏熱產(chǎn)生了氣泡或積聚了不凝性氣體，從液體引管流出的過冷液體可以依靠自身攜帶的冷量對氣泡進行冷卻和消除，同時依靠自身的流動將這些不凝性氣體或氣泡推出液體干道，防

13、止毛細芯內(nèi)表面發(fā)生氣塞現(xiàn)象，提高蒸發(fā)器的運行穩(wěn)定性。 冷凝器LHP系統(tǒng)的熱導很大程度上取決于冷凝器與熱沉之間的換熱性能。早期對LHP的研究大多針對空間應(yīng)用背景，冷凝器主要以輻射的形式向空間熱沉釋放熱量，因而普遍采用將冷凝器管線嵌入冷凝器板的結(jié)構(gòu)形式，如圖1.8所示。地面實驗中亦可采用簡單的套管式冷凝器，如圖1.9所示，使用恒溫槽模擬熱沉，泵驅(qū)動冷媒介質(zhì)（如水、乙醇等）在套管內(nèi)循環(huán)流動對冷凝器進行冷卻。冷凝器板冷凝器管線 圖1.8 平板式冷凝器 圖1.9 套管式冷凝器 傳輸管線傳輸管線包括蒸氣管線和液體管線。傳輸管線一般為細長的光滑內(nèi)壁管（管徑范圍1-5mm），起到連接蒸發(fā)器和冷凝器的作用，從而

14、構(gòu)成工質(zhì)循環(huán)流動的回路。工質(zhì)在光滑內(nèi)壁管內(nèi)流動阻力小，且管線柔韌易于彎曲，對復(fù)雜應(yīng)用場合具有良好的適應(yīng)性。傳輸管線管徑過小會造成工質(zhì)流動阻力的增大，降低LHP的傳熱能力；而管徑過大會導致回路中的工質(zhì)充裝量以及儲液器體積的增大，同時管線的柔韌性變差。因此，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用情況對傳輸管線的管徑進行合理的選擇。 儲液器同傳統(tǒng)熱管相比，LHP在結(jié)構(gòu)上增設(shè)了儲液器。儲液器位于蒸發(fā)器一端且兩者直接相連，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1.5所示。儲液器的設(shè)置對LHP具有重要作用：1、通過工質(zhì)充裝量與儲液器容積的匹配設(shè)計，保證LHP蒸發(fā)器毛細芯一直被液體工質(zhì)所浸潤，啟動前無需進行任何預(yù)處理，可直接對蒸發(fā)器施加熱載荷來啟動LHP

15、；2、LHP運行過程中保證對蒸發(fā)器毛細芯的液體儲備與供給；3、適應(yīng)啟動或變工況運行過程LHP回路內(nèi)氣液分布的變化與調(diào)整，實現(xiàn)工質(zhì)在傳輸管線、冷凝器與儲液器間的自由轉(zhuǎn)移；4、可容納蒸發(fā)器液體干道內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣或回路內(nèi)存在的不凝性氣體，防止液體干道內(nèi)發(fā)生氣塞現(xiàn)象而妨礙對蒸發(fā)器毛細芯的正常供液；5、通過對儲液器施加一定的功率（加熱或冷卻），可實現(xiàn)對LHP運行溫度的精確控制。由于儲液器對LHP的啟動及運行具有重要意義，合理確定儲液器的容積十分重要。由于工質(zhì)充裝量與儲液器容積的大小密切相關(guān)，在LHP設(shè)計過程中，兩者必須進行匹配設(shè)計。1.2.3 工質(zhì)選擇工質(zhì)選擇對于LHP的設(shè)計十分重要，因為它決定了LHP的

16、運行溫區(qū)、傳熱性能、傳熱極限以及工作壽命等。首先，應(yīng)根據(jù)LHP的工作溫度范圍來選擇合適的工質(zhì)。在工作溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)必須能以氣液兩相狀態(tài)存在，即LHP的最低工作溫度應(yīng)高于工質(zhì)的凝固點，而最高工作溫度應(yīng)低于工質(zhì)的臨界溫度。否則，工質(zhì)將在回路內(nèi)凍結(jié)或無法發(fā)生相變，因而LHP將無法正常運行。同時，應(yīng)保證工質(zhì)的凝固點低于熱沉溫度，否則，冷凝器因與熱沉直接相連而可能被凍結(jié)，進而造成LHP無法啟動。其次，必須考慮工質(zhì)與殼體材料的相容性。工質(zhì)必須能浸潤毛細芯和管殼，同時，在LHP預(yù)期的設(shè)計壽命內(nèi)，工質(zhì)不能與毛細芯或管殼材料發(fā)生化學反應(yīng)，或發(fā)生輕微的化學反應(yīng)但不足以影響LHP的工作性能。否則，工質(zhì)會腐蝕管材或

17、產(chǎn)生不凝性氣體，影響LHP的傳熱性能以及使用壽命。最后，適合該工作溫度范圍和滿足相容性的工質(zhì)可能有多種，還應(yīng)考察工質(zhì)是否具有良好的熱物理性質(zhì)，如較高的蒸發(fā)潛熱、較大的表面張力、較高的導熱系數(shù)以及較低的黏度等等。綜合考慮各種物性參數(shù)的影響，通常采用Dunbar因數(shù)（以British Aerospace的CPL研究者Nil Dunbar命名）對不同工質(zhì)的綜合性能進行比較。Dunbar因數(shù)根據(jù)LHP回路內(nèi)的壓力平衡推導而得（假定蒸汽流動的壓降在回路總壓降中占主導地位），可用來表征LHP的最大傳熱能力（毛細限），按下式定義38： （1.5）Dunbar因數(shù)的值越大，說明應(yīng)用該工質(zhì)的LHP的傳熱能力越高

18、。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀為了解決傳統(tǒng)熱管傳熱受長距離和冷熱源方位限制的問題，前蘇聯(lián)國家科學院的Maidanik等人于1971 年在傳統(tǒng)熱管理論的基礎(chǔ)上提出了環(huán)路熱管的概念，并于1972 年設(shè)計加工出第一套環(huán)路熱管。隨后的十幾年，環(huán)路熱管在前蘇聯(lián)國內(nèi)得到不斷發(fā)展。1985年，Maidanik等人在美國為這種熱管申請了專利。這個依靠毛細力驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)的自動傳熱裝置曾先后被稱為“Heat pipe”、“Heat pipe with separate channels”和“Anti-gravitational heat pipe”，直到1989 年，環(huán)路熱管首次被應(yīng)用于前蘇聯(lián)的航天器熱控系統(tǒng)中，它才被國

19、際上廣泛關(guān)注，并最終被命名為“Loop heat pipe”，在國內(nèi)業(yè)界稱之為“環(huán)路熱管”。90 年代以后，環(huán)路熱管因其優(yōu)點受到了各國相關(guān)學者和空間飛行器熱控設(shè)計工作者的廣泛關(guān)注，許多國家都投入大量資金進行研究，各種結(jié)構(gòu)形式、采用不同工質(zhì)的環(huán)路熱管不斷在有關(guān)的學術(shù)會議上亮相。對環(huán)路熱管的研究主要包括實驗研究和分析、數(shù)學建模以及應(yīng)用研究三個方面。2.1 環(huán)路熱管的實驗研究對環(huán)路熱管的實驗研究又主要包括地面實驗和飛行試驗研究。對環(huán)路熱管的實驗研究和分析主要是為了了解環(huán)路熱管的傳熱機理、運行特性以及對其應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的可行性進行驗證。由于最初環(huán)路熱管主要是在前蘇聯(lián)得到研究和發(fā)展，相關(guān)的文獻大多用俄語

20、發(fā)表，無法進行詳細了解，下列敘述主要從上世紀90 年代開始。文獻1對一套不銹鋼管殼、鎳粉芯、氨工質(zhì)的環(huán)路熱管進行了一系列的地面實驗研究，考察了不同方位、反重力高度、熱沉溫度下環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)運行、啟動和動態(tài)運行、燒干特性以及對熱載荷變化的迅速響應(yīng)特性等。實驗驗證了重力場中環(huán)路熱管能在不同方位正常運行，最大達到1200W 的傳熱能力。文獻2研究了通過加熱或冷卻儲液器對環(huán)路熱管進行主動溫度控制的方法。文獻3也對兩套氨工質(zhì)、鎳粉毛細芯的環(huán)路熱管的溫度控制特性進行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)，當熱沉溫度低于環(huán)境溫度時，環(huán)路熱管的熱阻在很大的熱載荷區(qū)域內(nèi)是變化的，只有當熱沉溫度高于環(huán)境溫度時，環(huán)路熱管的熱阻才是固定不

21、變的。蒸發(fā)器高于冷凝器（反重力姿態(tài)）時環(huán)路熱管的工作溫度會升高。對儲液器進行加熱和冷卻可以將環(huán)路熱管的工作溫度控制在很窄的溫度區(qū)域內(nèi)。文獻4第一次描述了環(huán)路熱管的四種不同啟動方式。在一套R-152A 工質(zhì)的環(huán)路熱管地面實驗中，重力場中不同方位、熱沉溫度以及工質(zhì)充裝量引起了不同的啟動方式，其作者認為這四種啟動方式主要區(qū)別在于啟動前蒸氣槽道和液體干道內(nèi)的氣液分布狀態(tài)，并指出蒸氣槽道存在蒸氣而液體干道被液體充滿的氣液分布狀態(tài)最容易啟動。美國空軍實驗室（AFRL）最先嘗試將環(huán)路熱管應(yīng)用于美國空軍F/A-18 型戰(zhàn)斗機上的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)和防冰系統(tǒng)，按照美軍標要求，在加速度場和振動環(huán)境下對環(huán)路熱管進行了

22、測試，此外還進行了疲勞、壓力爆炸、熱循環(huán)和防凍解凍等一系列試驗，試驗結(jié)果表明，環(huán)路熱管能在-5565溫度范圍內(nèi)、加速度為10g的振動環(huán)境下正常運行(文獻5, 6)。這項研究首次將環(huán)路熱管引入飛機環(huán)境控制系統(tǒng)，通過實驗驗證了環(huán)路熱管在飛機熱量綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用的潛力和可能性。為了提高環(huán)路熱管的最大傳熱能力，文獻7設(shè)計了一種不同孔徑分布的毛細芯，外層毛細芯的大孔徑便于排散蒸氣，內(nèi)層毛細芯的小孔徑可提供大的毛細驅(qū)動力。使用這種不同孔徑分布的毛細芯后，環(huán)路熱管蒸發(fā)器上的最大熱流密度極限從10W/cm2量級提高到了100 W/cmP2P。這種毛細芯結(jié)構(gòu)的環(huán)路熱管可被用于解決高熱流密度的散熱問題。在對環(huán)路熱

23、管進行地面研究的同時，許多飛行試驗也在進行，驗證了環(huán)路熱管在發(fā)射狀態(tài)和微重力條件下在軌工作的能力，考察了環(huán)路熱管在空間環(huán)境（包括力學環(huán)境和熱環(huán)境）下的工作特性。1989 年，前蘇聯(lián)在Granat飛船上首次進行了環(huán)路熱管的空間飛行試驗。Granat飛船上的Alyona試驗艙內(nèi)安裝了一套丙烯工質(zhì)的環(huán)路熱管，通過一塊連接在蒸發(fā)器上的平板接收來自太陽的輻射，通過套管式的冷凝器釋放熱量。另一個艙內(nèi)安裝了一套并聯(lián)的R11工質(zhì)的環(huán)路熱管系統(tǒng)，三個蒸發(fā)器并聯(lián)連接，每個蒸發(fā)器加載40120W的熱量，通過一排并聯(lián)管路的冷凝器進行冷卻。這次飛行試驗首次檢驗了環(huán)路熱管在微重力環(huán)境下啟動和運行的能力。1997 年，NA

24、SA在其KC-135 失重飛機上對一套HFC-152a工質(zhì)的環(huán)路熱管進行了微重力場下飛行試驗。當失重飛機進行彈道軌跡飛行時，這套環(huán)路熱管在不同的姿態(tài)下進行啟動和運行試驗。與地面試驗數(shù)據(jù)進行對比，飛行試驗中的啟動特性有所不同，這些差異被認為主要是因為飛行過程中氣液分布不同引起的（文獻8）。1997 年4 月到11 月，美國先后在其航天飛機飛行任務(wù)STS-83、STS-94、STS-87 中進行了環(huán)路熱管的飛行試驗（文獻9）。其中，在其發(fā)射的哥倫比亞號航天飛機（STS-87）上搭載了一套不銹鋼管殼、鎳粉芯、氨工質(zhì)的環(huán)路熱管，進行了一系列的啟動、穩(wěn)態(tài)運行、熱載荷遞增和熱載荷循環(huán)試驗。這套環(huán)路熱管總共

25、運行了213 小時，工作溫區(qū)從27到66，最大輸入熱載荷388W。此外，在分析此次飛行試驗的數(shù)據(jù)后還得出回流液體并不一定要過冷的結(jié)論。自1998 開始，歐空局（ESA）也著手并已建成一套環(huán)路熱管系統(tǒng)在軌實驗臺，并在2002 年8 月23 日發(fā)射的SPACEHAB STS107 上進行了一系列在軌試驗。我國中國空間技術(shù)研究院自 1997 年來在國家高技術(shù)發(fā)展計劃（863）和“十五”計劃的支持下相繼對毛細抽吸兩相回路和環(huán)路熱管進行了從原理樣機到工程樣機的研制，經(jīng)過數(shù)年的努力已經(jīng)繼俄羅斯、美國少數(shù)幾家公司和研究所之后掌握了環(huán)路熱管獨立設(shè)計、生產(chǎn)、測試全套技術(shù)。特別是近年來對環(huán)路熱管進行了大量地面實驗

26、、空間環(huán)境模擬試驗等，為自主研制的環(huán)路熱管進入航天器熱控系統(tǒng)的應(yīng)用作了大量基礎(chǔ)性的研究工作。2003 年，我國的某型號衛(wèi)星上對國產(chǎn)環(huán)路熱管進行了一次空間搭載試驗，試驗中一套環(huán)路熱管被用于拉平衛(wèi)星南北板間的溫度差。2.2 環(huán)路熱管的理論建模理論分析和數(shù)學建模研究主要是為了對環(huán)路熱管復(fù)雜的運行特性和過程進行解釋和預(yù)測。由于環(huán)路熱管蒸發(fā)器和儲液器內(nèi)存在復(fù)雜的兩相傳熱和流動過程，而且這個過程不是獨立的，而是涉及到回路系統(tǒng)的壓力響應(yīng)，分析起來比較困難，所以目前對環(huán)路熱管的建模還主要是針對其穩(wěn)態(tài)運行規(guī)律和特性。為了解蒸發(fā)器內(nèi)毛細芯厚度和導熱系數(shù)對環(huán)路熱管運行溫度的影響，對毛細芯結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，文獻10最

27、早對毛細芯內(nèi)工質(zhì)的流動和傳熱進行了一維分析，并對蒸發(fā)器處于豎直姿態(tài)時儲液器內(nèi)工質(zhì)的自然對流現(xiàn)象對運行溫度的影響進行了分析，計算結(jié)果表明：儲液器和液體干道內(nèi)的自然對流越顯著，儲液器內(nèi)工質(zhì)溫度越高；儲液器內(nèi)的液體越多（液面越高），儲液器內(nèi)工質(zhì)溫度越低。文獻11在飽和壓力-溫度曲線上對環(huán)路熱管工質(zhì)的運行過程進行了分析，首次建立了根據(jù)飽和壓力和溫度關(guān)系計算環(huán)路熱管工作溫度的理論方法，此后的大多數(shù)數(shù)學建模工作都是在這個理論基礎(chǔ)上進行的。在隨后的相關(guān)研究中，文獻12在此基礎(chǔ)上通過飽和壓力和溫度平衡關(guān)系建立了一維的數(shù)學模型，對環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)工作溫度進行預(yù)測。該模型作了較多假設(shè)：毛細芯內(nèi)表面溫度等于儲液器內(nèi)飽

28、和溫度；毛細芯內(nèi)工質(zhì)的流動和傳熱只沿著徑向進行；忽略了外回路管線內(nèi)的壓降；忽略了與環(huán)境的換熱。文獻13在蒸發(fā)器和冷凝器能量平衡的基礎(chǔ)上建立了可計算環(huán)路熱管工作溫度和系統(tǒng)壓降的穩(wěn)態(tài)模型，其主要思想是通過迭代求解壓力和能量平衡式，得出工質(zhì)流量、壓降、溫度等參數(shù)。文獻13還通過實驗對模型進行了修正，得到一些實驗關(guān)聯(lián)式。文獻14通過求解各部件能量和壓力平衡的方法建立了環(huán)路熱管的一維穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。該模型將蒸發(fā)器和儲液器的溫度被當作一個集總參數(shù)處理，但蒸氣、液體管線和冷凝器上劃分了數(shù)個節(jié)點。文獻15在能量平衡和壓力平衡的基礎(chǔ)上建立了一維的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，該模型考慮了與環(huán)境的散熱，冷凝器內(nèi)使用了兩相流動關(guān)聯(lián)式

29、，同樣液體干道和儲液器內(nèi)的工質(zhì)溫度被認為是一致的。3. 關(guān)鍵技術(shù)環(huán)路熱管運行過程會涉及到處于飽和狀態(tài)的各部件間的壓力平衡和能量平衡，而它們之間又主要是通過工質(zhì)的飽和狀態(tài)曲線（飽和p-T 圖）相互聯(lián)系的。氨工質(zhì)的p-T 圖上的熱力循環(huán)過程如圖3.16 所示，環(huán)路熱管結(jié)構(gòu)圖上的主要特征點與熱力圖上的點一一對應(yīng)。需要注意的是：圖3.16 只是示意圖，并非按實際比例繪制，因為環(huán)路熱管內(nèi)部的飽和溫度變化范圍很小，不易測量。圖 3.16 環(huán)路熱管的熱力循環(huán)過程示意圖從圖 3.16 中的點1 開始分析環(huán)路熱管內(nèi)工質(zhì)的整個循環(huán)的熱力學過程。點1 為毛細芯外表面彎月面蒸發(fā)側(cè)的狀態(tài)點，它位于飽和曲線上。蒸發(fā)后的工

30、質(zhì)通過蒸氣槽道流入蒸氣管線的過程中被蒸發(fā)器外殼繼續(xù)加熱變成過熱蒸氣，前文已經(jīng)提到，這個過熱度一般很小，如圖中點12，蒸氣在蒸氣槽道內(nèi)流動的過程經(jīng)歷了一定的流動壓降損失。具有非常小過熱度的蒸氣進入蒸氣管線后被環(huán)境冷卻，微小的顯熱迅速釋放變?yōu)閮上鄳B(tài)，工質(zhì)由過熱蒸氣變成飽和蒸氣，如圖中點22。點23 為兩相區(qū)，飽和蒸氣繼續(xù)釋放潛熱，由于蒸氣管線和環(huán)境的換熱量十分小，這段區(qū)域內(nèi)冷凝的蒸氣量很少，這段區(qū)域也經(jīng)歷了一定的流動壓降損失。兩相態(tài)的工質(zhì)流到冷凝器入口點3 后潛熱開始迅速釋放，直到完全冷凝成液體（點4），圖中34 點為冷凝器內(nèi)的兩相換熱區(qū)，經(jīng)歷了冷凝過程的壓降損失。而點4 則是冷凝器內(nèi)過冷區(qū)的起始

31、點，工質(zhì)在冷凝器內(nèi)繼續(xù)流動被過冷，直到冷凝器出口5 點，過冷段也經(jīng)歷了流動阻力損失。點56 為液體管線內(nèi)的流動過程，過冷的液體工質(zhì)被環(huán)境加熱，同時經(jīng)歷一定的壓降。如果環(huán)路熱管在重力場中以反重力姿態(tài)運行，則這個過程中的壓降除了包括流動阻力損失，還包含液體回流由于克服重力引起的壓降損失。仍具有一定過冷度的液體工質(zhì)返回到儲液器入口處6 點，在液體引管點67 段內(nèi)流動時被透過毛細芯的漏熱加熱，并經(jīng)歷了一定的流動阻力損失。當過冷液體流到引管的出口（毛細芯內(nèi)）時過冷度減小，在液體干道內(nèi)向儲液器方向流動不斷被毛細芯吸收。點8 代表毛細芯內(nèi)表面的狀態(tài)點，這一點在飽和溫度附近，沿毛細芯軸向溫度會不同，靠近液體引

32、管出口段溫度稍低，靠近儲液器段稍高。液體沿毛細芯徑向流動如圖點89，這個過程經(jīng)歷了一定的壓降和溫升（毛細芯外向內(nèi)漏熱的影響）。點9 和點1 分別是彎月面液體側(cè)和蒸發(fā)側(cè)的點，點91 實際上是對彎月面存在的描述，這兩點溫度很接近，但是卻經(jīng)歷了一個較大壓力差，這個壓差就是毛細芯內(nèi)液體和蒸氣分界面因為彎月面的存在而產(chǎn)生的毛細壓差，是整個工質(zhì)循環(huán)進行的驅(qū)動力。點9 在圖上是比較特殊的一點，它雖然標在p-T 圖的過熱蒸氣區(qū)，但這一點仍然是液態(tài)，9 點實際上表示的是過熱液體這樣一種狀態(tài)。某些文獻給出了對于該現(xiàn)象的解釋，認為過熱液體存在的這種狀態(tài)為亞穩(wěn)定狀態(tài)，即一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，氣液之間有一個界面，液相和

33、蒸氣相的壓力不是平衡的，如果界面是凹的，曲線中心在蒸氣側(cè)（環(huán)路熱管中毛細芯內(nèi)的狀態(tài)），蒸氣側(cè)和液體側(cè)的壓差可以由Laplace-Young 方程得出。相對于平的界面而言，彎月面蒸氣側(cè)的壓力升高引起更多的蒸氣分子脈動，有更多的蒸氣分子被界面吸收，為了保持平衡，從液相逃逸出的分子也需要相應(yīng)的增加，要實現(xiàn)這一點，液體的溫度就必須比平界面時的液體溫度要高。因此，毗鄰彎月面的液體是過熱的，其溫度為上方蒸氣壓力所對應(yīng)的飽和溫度。4. 主要研究內(nèi)容對環(huán)路熱管的主要研究集中在以下幾個方面：（1）環(huán)路熱管運行特性的實驗研究（2）環(huán)路熱管運行特性的數(shù)學建模（3）環(huán)路熱管啟動特性的研究（4）環(huán)路熱管在航空航天等領(lǐng)域

34、的應(yīng)用研究（5）深冷環(huán)路熱管的啟動、運行特性研究（6）不凝氣體對環(huán)路熱管啟動、運行特性影響的研究（7）雙儲液器環(huán)路熱管的啟動、運行特性研究（8）環(huán)路熱管的可視化實驗研究5. 結(jié)論雖然環(huán)路熱管是近二十年發(fā)展起來的新技術(shù)，但是國內(nèi)外已開展了大量的研究工作，通過實驗研究和理論分析逐漸揭示了環(huán)路熱管的一些基本運行機理和工作特性，并針對不同場合的應(yīng)用需求與背景開展了針對性的應(yīng)用研究，不斷的推進這種極具潛力的新型傳熱元件走向?qū)嶋H工程應(yīng)用?？傮w而言，隨著原材料生產(chǎn)、加工和裝配等工藝水平的不斷成熟以及各種地面實驗和飛行試驗數(shù)據(jù)的不斷充實，環(huán)路熱管傳熱技術(shù)已處于從實驗驗證逐漸轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展階段。但是，目前環(huán)

35、路熱管的研究領(lǐng)域仍然存在一些研究空白和許多懸而未決的問題，可總結(jié)為以下三個方面：（1）環(huán)路熱管的穩(wěn)態(tài)運行特性和數(shù)學建模目前，已有的研究基礎(chǔ)和成果已揭示了環(huán)路熱管的一些基本原理和特性，基于回路內(nèi)能量和壓力平衡的分析已可以對環(huán)路熱管的大多數(shù)原理和特性給出解釋。但是，環(huán)路熱管在一些特殊工況下以及以特殊結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用時的運行機理和特性仍不明確，對某些運行機理的認識還存在誤區(qū)，例如重力輔助姿態(tài)下的運行規(guī)律、啟動和運行時一些特有的動態(tài)特性等。因此有針對性的實驗研究仍需進一步開展。此外，目前國內(nèi)外關(guān)于環(huán)路熱管理論研究也相對較少。現(xiàn)有的從儲液器能量平衡的角度建立起來的環(huán)路熱管穩(wěn)態(tài)一維數(shù)學模型，雖然可以模擬出環(huán)路

36、熱管的可變熱導特性，但過多的假設(shè)導致還不能反映環(huán)路熱管很多工作特性。關(guān)于環(huán)路熱管的理論研究，國內(nèi)外都尚未開展的內(nèi)容包括：環(huán)路熱管的動態(tài)數(shù)學建模、環(huán)路熱管的反向式蒸發(fā)器內(nèi)多孔介質(zhì)中的相變傳熱過程仿真，毛細芯槽道和蒸發(fā)器內(nèi)齒的優(yōu)化問題以及高熱流密度環(huán)路熱管的極限傳熱能力分析等。這部分理論研究的深入將能進一步解釋環(huán)路熱管的傳熱機理和動態(tài)特性，從而提高環(huán)路熱管的傳熱性能和實現(xiàn)目標設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。（2）啟動問題和不穩(wěn)定性問題環(huán)路熱管的各項性能仍有待提高，包括其啟動性能、傳熱性能、運行適應(yīng)性以及穩(wěn)定性。目前仍阻撓環(huán)路熱管步入實際應(yīng)用的兩個較大問題是其啟動問題和運行不穩(wěn)定性問題。從公開發(fā)表的文獻來看，相關(guān)的

37、研究比較缺乏，機理尚不明確。第一，啟動問題。我國的風云一號衛(wèi)星熱控系統(tǒng)中使用了俄羅斯提供的6 套環(huán)路熱管，其中2 套在空間飛行期間出現(xiàn)了無法正常啟動和運行的故障，由此引起被控對象溫度上升。除了無法正常啟動外，環(huán)路熱管的啟動還存在兩個主要問題：一是啟動時蒸發(fā)器溫度過高，可能會超過儀器允許溫度范圍。為解決啟動時蒸發(fā)器溫度升高（Temperature overshoot）過大的問題，提出過兩種主動輔助啟動措施對蒸發(fā)器輔助加熱和對儲液器制冷，但這兩種方式都需要額外的能耗和控制系統(tǒng)，破壞了環(huán)路熱管本身自動工作的特性，且相關(guān)的實驗研究結(jié)果也未見發(fā)表。另一個啟動問題是某些啟動方式會導致啟動后穩(wěn)態(tài)工作溫度偏高

38、，如高過熱度的核態(tài)沸騰啟動。NASA的環(huán)路熱管研究者們推測高過熱度啟動時蒸汽槽道內(nèi)發(fā)生核態(tài)沸騰后產(chǎn)生的蒸汽可能會穿透毛細芯進入芯內(nèi)，增大漏熱，并對穩(wěn)態(tài)運行有持續(xù)影響。這種猜測存在很大的疑點，仍需進一步研究。第二，不穩(wěn)定性問題。目前環(huán)路熱管的工作不穩(wěn)定性也是尚未解決的一個問題。很多文獻報導過環(huán)路熱管工作時的不穩(wěn)定性。環(huán)路熱管的工作不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在運行時會出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：溫度遲滯（Temperature hysteresis）、溫度波動和倒流現(xiàn)象。環(huán)路熱管工作中出現(xiàn)的這些不穩(wěn)定現(xiàn)象使系統(tǒng)某些時候處于一種亞穩(wěn)態(tài)，并導致出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象之后的工作溫度偏高。為了進一步了解環(huán)路熱管工作不穩(wěn)定的原因，有必

39、要進行更多相關(guān)的機理研究。正確理解啟動和不穩(wěn)定性的機理和特性，才能有效地對環(huán)路熱管的部件結(jié)構(gòu)進行改進。啟動問題和工作不穩(wěn)定性問題的解決將會使環(huán)路熱管向工程應(yīng)用邁進一大步。（3）環(huán)路熱管的應(yīng)用研究在環(huán)路熱管的應(yīng)用方面仍有大量工作需要開展，不同應(yīng)用形式的實驗和理論研究需要進一步拓展和完善。航空航天領(lǐng)域的需求促使環(huán)路熱管的相關(guān)應(yīng)用研究迫在眉睫。采用雙儲液器式的環(huán)路熱管是解決重力場（如地面、船舶潛艇、航空飛行器等）中應(yīng)用時儲液器位于蒸發(fā)器下方時供液不足問題的有效措施，雖然雙儲液器環(huán)路熱管的概念提出已久，但相關(guān)的理論和實驗研究都還少見報道。而在航天領(lǐng)域，針對空間應(yīng)用背景的可展開式輻射器也是發(fā)揮環(huán)路熱管諸

40、多優(yōu)點的又一個典型應(yīng)用范例，國外已有相關(guān)研究工作的報道，該系統(tǒng)存在許多關(guān)鍵技術(shù)尚需攻克和解決，包括熱量收集技術(shù)、柔性熱關(guān)節(jié)選取、輻射器的優(yōu)化設(shè)計以及防凍解凍技術(shù)。此外，基于環(huán)路熱管的可展開式輻射器的空間環(huán)境模擬實驗結(jié)果較少，系統(tǒng)的運行特性和規(guī)律也尚未掌握，需要開展相關(guān)的理論和實驗研究工作。此外，目前對環(huán)路熱管的主要研究手段都是理論建模和實驗研究。其中理論建模的研究大部分是針對環(huán)路熱管穩(wěn)態(tài)運行性能進行的，對啟動特性等重要性能的研究較少，并且過多的假設(shè)條件使得模型并不能最完整的展現(xiàn)環(huán)路熱管的運行情況。實驗研究多數(shù)都是根據(jù)實驗結(jié)果結(jié)合理論進行推導總結(jié)環(huán)路熱管內(nèi)部的運行情況，而環(huán)路熱管內(nèi)部運行的真實情

41、況并不能得到最直接的反映。因此對環(huán)路熱管的可視化研究就顯得非常有必要了，尤其是在研究不凝氣體對環(huán)路熱管運行性能影響的時候。6. 參考文獻1 Meyer R., Muller R., Beckmann K., et al. Investigation of the Heat Transfer Performance of a Capillary Pumped Ammonia Loop under Gravity R. Society of Automotive Engineers, Paper NO.932304, 19932 Maidanik Y. F., Fershtater Y. G.,

42、and Solodovnik N. N. Design and Investigation of Methods of Regulation of Loop Heat Pipe for Terrestrial and Space Applications R. Society of Automotive Engineers, Paper NO.941407, 19943 Wolf D. A. and Bienert W. B. Investigation of Temperature Control Characteristics of Loop Heat Pipes R. Society o

43、f Automotive Engineers, Paper NO.941576, 19944 Maidanik Y. F., Solodovnik N. N., Fershtater Y. G. Investigation of Dynamic and Stationary Characteristics of a Loop Heat Pipe A. Proceedings of the 9th International Heat Pipe Conference C, Albuquerque, 1-5 May, 1995: 1002-10065 Philips A. L., Fale J.

44、E., Gernert N. J., et al. Loop Heat Pipe Qualification for High Vibration and High-g Environments R. American Institute of Aeronautics and Astronautics, paper No. 98-0885, 19986 Baldassarre G. J., Gernert N. J., and Gottschlich J. Loop Heat Pipe for Avionics Thermal Control R. Society of Automotive Engineers, Paper NO.961318, 19967 North M. T., Sarraf D. B., Rosenfeld J. H., et al. High Heat Flux Loop Heat Pipes A. Proceedings of American Institute of Physics Conference C. Issue 387(2), 1997:561-5668 Kurwitz C. and Best F. R. Experimen