环路热管研究 - 图文

北京航空航天大学 2014－2015学年 第一学期

现代飞行器环境控制新技术

班 级 SY14055班学 号SY1405514

姓 名__武飞__成 绩 _______

航空科学与工程学院

二零一五年一月二十六日

环路热管

1. 基础知识 .................................................................................................................................... 3

1.1 传统热管简介 .................................................................................................................. 3

1.1.1 传统热管的工作原理 ........................................................................................... 3 1.1.2传统热管的优点与局限 ........................................................................................ 4 1.2 环路热管简介 .................................................................................................................. 5

1.2.1 系统构成与工作原理 ........................................................................................... 5 1.2.2 部件介绍 ............................................................................................................... 7 1.2.3 工质选择 ............................................................................................................... 9

2. 国内外研究现状 ...................................................................................................................... 10

2.1 环路热管的实验研究 .................................................................................................... 10 2.2 环路热管的理论建模 .................................................................................................... 12 3. 关键技术 .................................................................................................................................. 13 4. 主要研究内容 .......................................................................................................................... 15 5. 结论 .......................................................................................................................................... 15 6. 参考文献 .................................................................................................................................. 17

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环路热管

1. 基础知识

1.1 传统热管简介

1.1.1传统热管的工作原理

图1.1给出传统热管的结构示意图，沿管长方向依次为蒸发段、绝热段和冷凝段。传统热管利用工质的蒸发和凝结来传递热量，液体工质在蒸发段吸热蒸发，产生的蒸气沿热管中心蒸气通道经绝热段流至冷凝段冷凝放热，凝结的液体在毛细芯产生的毛细压力作用下经毛细芯从冷凝段回流至蒸发段，如此循环，实现热量从热源至热沉的高效传输，而无需外加动力。

热源回流方向 热沉蒸发段 毛细芯表面蒸发变成蒸气，致使气液界面的曲率半径逐渐减小，气液界面两侧的压差

应增大；而在冷凝段，蒸气不断在毛细芯表面凝结变成液体，致使毛细孔内的气液界面趋于一个平面，曲率半径细压力

段回流至蒸发段的压降

蒸气流向 绝热段 冷凝段 图1.1传统热管示意图图1.2毛细压力驱动工质循环

毛细压力是热管内工质循环的驱动力。如图1.2所示，在热管的蒸发段，液体不断从

Rc不断增大，气液界面两侧的压差?pc相应减小。毛细芯提供的毛

?pe相

?pcap可表示为：

?pcap??pe??pc?2?2?2?cos?e2?cos?c???ReRcrr

（1.1）

工质在热管内循环的压降主要包括蒸气从蒸发段流向冷凝段的压降

?pv，液体从冷凝

?pl以及重力对液体流动引起的压降?pg（蒸发器位于冷凝器下端

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时，重力辅助液体回流，此项为负值；蒸发器位于冷凝器上端时，重力阻碍液体回流，此项为正值）。热管的正常运行要求毛细芯提供的毛细压力与工质循环的总压降相平衡，如式（1.2）所示：

?pcap??pv??pl??pg （1.2）

工质在毛细芯内的接触角具有自调节功能，根据式（1.1），毛细芯提供的毛细压力随着接触角的变化而改变，从而保证式（1.2）一直成立。当蒸发段毛细芯内接触角θe为零度，冷凝段毛细芯内接触角θc为90度时，毛细芯提供的毛细压力达到最大值：

(?pcap)max??pe??pc?2?cos?e2?cos?c2???rrr

（1.3）

当热管内工质循环的总压降等于毛细芯所能提供的最大毛细压力时，热管的传热能力达到最大，即达到了毛细限。继续增大热载荷，毛细芯无法提供足够的驱动力，热管将无法正常运行。

1.1.2传统热管的优点与局限

热管作为一种具有超高导热性能的传热元件在业界已广为人知，在军用和民用领域均得到了广泛应用，如将热管应用于航天器热控制、电子器件冷却以及工业余热回收等。与其它传热元件相比，热管具有很多优点：(1) 热管具有极高的传热性能，能以很小的温差远距离传输较大的热量；(2) 热管具有优良的等温性，蒸发段与冷凝段壁面温度分别接近蒸发温度和冷凝温度，具有良好的温度一致性；(3) 热管内工质的循环由毛细芯产生的毛细压力驱动，无需外加动力；(4) 热管具有良好的启动性能，蒸发段与冷凝段两者存在很小温差时，热管便能迅速启动，实现热量的高效传输；(5) 对于水平放置的有芯热管，热量传输方向具有可逆性，而对于重力热管，具有热二极管（单向传热）的特性；(6) 热管具有良好的环境适应性，可根据热源和热沉的结构形式对热管结构进行一定的改变，如设置多个蒸发段或冷凝段，制成平板热管或分离式热管等。

然而，传统热管也存在一些固有的缺陷，限制了它的传热能力以及广泛应用，主要包括如下几个方面：

首先，传统热管受到使用方位和长度的限制。如图1.3所示，在重力场中，当蒸发段位于冷凝段上方会对热管运行产生不利影响，因为毛细芯可能无法提供足够的毛细压力去克服重力而使冷凝液体回流至蒸发段，即传统热管的反重力能力非常差，尤其对于槽道热

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管，这是使用方位对传统热管的限制。虽然根据式（1.3）可得，毛细压力随着毛细孔孔径的减小而增大，可采用减小毛细孔孔径的办法来增大毛细压力，但是减小毛细孔孔径的同时会使得液体经毛细芯回流的阻力显著增加，甚至抵偿或超过毛细压力增大的部分，因此，减小毛细孔孔径无法彻底解决使用方位的限制。此外，对应一定的热载荷，热管的传热距离存在一定限制，这是因为液体回流阻力随热管长度的增加而增大，工质循环的总压降可能超过毛细芯所能提供的最大毛细压力，造成蒸发段因供液不足而烧干，热管无法正常运行，这是长度的限制。

热源 热沉回流方向 图1.3 传统热管反重力运行的情形

其次，传统热管内有携带现象发生。由于热管内蒸气和液体直接接触且流向相反，导致蒸气对毛细芯内的回流液体施加剪切力。当蒸气流速较高时，可能将气液界面的液体以微滴形式携带回冷凝段，同时液体回流受阻。携带导致所需的工质循环量增大，当液体回流不能满足循环量增加时，蒸发段就会烧干。携带现象是限制传统热管传热能力的因素之一。

最后，传统热管安装不够灵活方便。传统热管的管壳通常是铜、铝合金、不锈钢等金属材料，只允许一定程度的弯曲，在一些复杂的安装场合应用往往受到限制。

1.2 环路热管简介

1.2.1 系统构成与工作原理

环路热管（Loop Heat Pipe，LHP）一般由蒸发器、冷凝器、储液器以及蒸气和液体管线构成。图1.4给出目前LHP典型的结构形式，与早期结构的显著区别是将液体回流管线引入到蒸发器中心，这段回流管线称为液体引管。

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地面实验中，重力场中不同方位、热沉温度以及工质充装量引起了不同的启动方式，其作者认为这四种启动方式主要区别在于启动前蒸气槽道和液体干道内的气液分布状态，并指出蒸气槽道存在蒸气而液体干道被液体充满的气液分布状态最容易启动。

美国空军实验室（AFRL）最先尝试将环路热管应用于美国空军F/A-18 型战斗机上的电子设备冷却系统和防冰系统，按照美军标要求，在加速度场和振动环境下对环路热管进行了测试，此外还进行了疲劳、压力爆炸、热循环和防冻解冻等一系列试验，试验结果表明，环路热管能在-55℃～65℃温度范围内、加速度为10g的振动环境下正常运行(文献[5, 6])。这项研究首次将环路热管引入飞机环境控制系统，通过实验验证了环路热管在飞机热量综合管理系统应用的潜力和可能性。

为了提高环路热管的最大传热能力，文献[7]设计了一种不同孔径分布的毛细芯，外层毛细芯的大孔径便于排散蒸气，内层毛细芯的小孔径可提供大的毛细驱动力。使用这种不同孔径分布的毛细芯后，环路热管蒸发器上的最大热流密度极限从10W/cm2量级提高到了100 W/cmP2P。这种毛细芯结构的环路热管可被用于解决高热流密度的散热问题。 在对环路热管进行地面研究的同时，许多飞行试验也在进行，验证了环路热管在发射状态和微重力条件下在轨工作的能力，考察了环路热管在空间环境（包括力学环境和热环境）下的工作特性。

1989 年，前苏联在Granat飞船上首次进行了环路热管的空间飞行试验。Granat飞船上的Alyona试验舱内安装了一套丙烯工质的环路热管，通过一块连接在蒸发器上的平板接收来自太阳的辐射，通过套管式的冷凝器释放热量。另一个舱内安装了一套并联的R11工质的环路热管系统，三个蒸发器并联连接，每个蒸发器加载40～120W的热量，通过一排并联管路的冷凝器进行冷却。这次飞行试验首次检验了环路热管在微重力环境下启动和运行的能力。

1997 年，NASA在其KC-135 失重飞机上对一套HFC-152a工质的环路热管进行了微重力场下飞行试验。当失重飞机进行弹道轨迹飞行时，这套环路热管在不同的姿态下进行启动和运行试验。与地面试验数据进行对比，飞行试验中的启动特性有所不同，这些差异被认为主要是因为飞行过程中气液分布不同引起的（文献[8]）。

1997 年4 月到11 月，美国先后在其航天飞机飞行任务STS-83、STS-94、STS-87 中进行了环路热管的飞行试验（文献[9]）。其中，在其发射的哥伦比亚号航天飞机（STS-87）上搭载了一套不锈钢管壳、镍粉芯、氨工质的环路热管，进行了一系列的启动、稳态运行、热载荷递增和热载荷循环试验。这套环路热管总共运行了213 小时，工作温区从－27℃到

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66℃，最大输入热载荷388W。此外，在分析此次飞行试验的数据后还得出回流液体并不一定要过冷的结论。自1998 开始，欧空局（ESA）也着手并已建成一套环路热管系统在轨实验台，并在2002 年8 月23 日发射的SPACEHAB STS107 上进行了一系列在轨试验。

我国中国空间技术研究院自 1997 年来在国家高技术发展计划（863）和“十五”计划的支持下相继对毛细抽吸两相回路和环路热管进行了从原理样机到工程样机的研制，经过数年的努力已经继俄罗斯、美国少数几家公司和研究所之后掌握了环路热管独立设计、生产、测试全套技术。特别是近年来对环路热管进行了大量地面实验、空间环境模拟试验等，为自主研制的环路热管进入航天器热控系统的应用作了大量基础性的研究工作。2003 年，我国的某型号卫星上对国产环路热管进行了一次空间搭载试验，试验中一套环路热管被用于拉平卫星南北板间的温度差。

2.2 环路热管的理论建模

理论分析和数学建模研究主要是为了对环路热管复杂的运行特性和过程进行解释和预测。由于环路热管蒸发器和储液器内存在复杂的两相传热和流动过程，而且这个过程不是独立的，而是涉及到回路系统的压力响应，分析起来比较困难，所以目前对环路热管的建模还主要是针对其稳态运行规律和特性。

为了解蒸发器内毛细芯厚度和导热系数对环路热管运行温度的影响，对毛细芯结构进行优化设计，文献[10]最早对毛细芯内工质的流动和传热进行了一维分析，并对蒸发器处于竖直姿态时储液器内工质的自然对流现象对运行温度的影响进行了分析，计算结果表明：储液器和液体干道内的自然对流越显著，储液器内工质温度越高；储液器内的液体越多（液面越高），储液器内工质温度越低。

文献[11]在饱和压力-温度曲线上对环路热管工质的运行过程进行了分析，首次建立了根据饱和压力和温度关系计算环路热管工作温度的理论方法，此后的大多数数学建模工作都是在这个理论基础上进行的。在随后的相关研究中，文献[12]在此基础上通过饱和压力和温度平衡关系建立了一维的数学模型，对环路热管的稳态工作温度进行预测。该模型作了较多假设：毛细芯内表面温度等于储液器内饱和温度；毛细芯内工质的流动和传热只沿着径向进行；忽略了外回路管线内的压降；忽略了与环境的换热。

文献[13]在蒸发器和冷凝器能量平衡的基础上建立了可计算环路热管工作温度和系统压降的稳态模型，其主要思想是通过迭代求解压力和能量平衡式，得出工质流量、压降、

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温度等参数。文献[13]还通过实验对模型进行了修正，得到一些实验关联式。文献[14]通过求解各部件能量和压力平衡的方法建立了环路热管的一维稳态数学模型。该模型将蒸发器和储液器的温度被当作一个集总参数处理，但蒸气、液体管线和冷凝器上划分了数个节点。文献[15]在能量平衡和压力平衡的基础上建立了一维的稳态数学模型，该模型考虑了与环境的散热，冷凝器内使用了两相流动关联式，同样液体干道和储液器内的工质温度被认为是一致的。

3. 关键技术

环路热管运行过程会涉及到处于饱和状态的各部件间的压力平衡和能量平衡，而它们之间又主要是通过工质的饱和状态曲线（饱和p-T 图）相互联系的。

氨工质的p-T 图上的热力循环过程如图3.16 所示，环路热管结构图上的主要特征点与热力图上的点一一对应。需要注意的是：图3.16 只是示意图，并非按实际比例绘制，因为环路热管内部的饱和温度变化范围很小，不易测量。

图3.16 环路热管的热力循环过程示意图

从图3.16 中的点1 开始分析环路热管内工质的整个循环的热力学过程。

点1 为毛细芯外表面弯月面蒸发侧的状态点，它位于饱和曲线上。蒸发后的工质通过蒸气槽道流入蒸气管线的过程中被蒸发器外壳继续加热变成过热蒸气，前文已经提到，这个过热度一般很小，如图中点1—2，蒸气在蒸气槽道内流动的过程经历了一定的流动压降损失。

具有非常小过热度的蒸气进入蒸气管线后被环境冷却，微小的显热迅速释放变为两相态，工质由过热蒸气变成饱和蒸气，如图中点2－2’。点2’－3 为两相区，饱和蒸气继续

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释放潜热，由于蒸气管线和环境的换热量十分小，这段区域内冷凝的蒸气量很少，这段区域也经历了一定的流动压降损失。

两相态的工质流到冷凝器入口点3 后潜热开始迅速释放，直到完全冷凝成液体（点4），图中3－4 点为冷凝器内的两相换热区，经历了冷凝过程的压降损失。而点4 则是冷凝器内过冷区的起始点，工质在冷凝器内继续流动被过冷，直到冷凝器出口5 点，过冷段也经历了流动阻力损失。

点5—6 为液体管线内的流动过程，过冷的液体工质被环境加热，同时经历一定的压降。如果环路热管在重力场中以反重力姿态运行，则这个过程中的压降除了包括流动阻力损失，还包含液体回流由于克服重力引起的压降损失。

仍具有一定过冷度的液体工质返回到储液器入口处6 点，在液体引管点6－7 段内流动时被透过毛细芯的漏热加热，并经历了一定的流动阻力损失。当过冷液体流到引管的出口（毛细芯内）时过冷度减小，在液体干道内向储液器方向流动不断被毛细芯吸收。 点8 代表毛细芯内表面的状态点，这一点在饱和温度附近，沿毛细芯轴向温度会不同，靠近液体引管出口段温度稍低，靠近储液器段稍高。

液体沿毛细芯径向流动如图点8—9，这个过程经历了一定的压降和温升（毛细芯外向内漏热的影响）。点9 和点1 分别是弯月面液体侧和蒸发侧的点，点9—1 实际上是对弯月面存在的描述，这两点温度很接近，但是却经历了一个较大压力差，这个压差就是毛细芯内液体和蒸气分界面因为弯月面的存在而产生的毛细压差，是整个工质循环进行的驱动力。

点9 在图上是比较特殊的一点，它虽然标在p-T 图的过热蒸气区，但这一点仍然是液态，9 点实际上表示的是过热液体这样一种状态。某些文献给出了对于该现象的解释，认为过热液体存在的这种状态为亚稳定状态，即一种不稳定的平衡状态，气液之间有一个界面，液相和蒸气相的压力不是平衡的，如果界面是凹的，曲线中心在蒸气侧（环路热管中毛细芯内的状态），蒸气侧和液体侧的压差可以由Laplace-Young 方程得出。相对于平的界面而言，弯月面蒸气侧的压力升高引起更多的蒸气分子脉动，有更多的蒸气分子被界面吸收，为了保持平衡，从液相逃逸出的分子也需要相应的增加，要实现这一点，液体的温度就必须比平界面时的液体温度要高。因此，毗邻弯月面的液体是过热的，其温度为上方蒸气压力所对应的饱和温度。

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4. 主要研究内容

对环路热管的主要研究集中在以下几个方面： （1）环路热管运行特性的实验研究 （2）环路热管运行特性的数学建模 （3）环路热管启动特性的研究

（4）环路热管在航空航天等领域的应用研究 （5）深冷环路热管的启动、运行特性研究

（6）不凝气体对环路热管启动、运行特性影响的研究 （7）双储液器环路热管的启动、运行特性研究 （8）环路热管的可视化实验研究

5. 结论

虽然环路热管是近二十年发展起来的新技术，但是国内外已开展了大量的研究工作，通过实验研究和理论分析逐渐揭示了环路热管的一些基本运行机理和工作特性，并针对不同场合的应用需求与背景开展了针对性的应用研究，不断的推进这种极具潜力的新型传热元件走向实际工程应用。总体而言，随着原材料生产、加工和装配等工艺水平的不断成熟以及各种地面实验和飞行试验数据的不断充实，环路热管传热技术已处于从实验验证逐渐转向实际应用的发展阶段。但是，目前环路热管的研究领域仍然存在一些研究空白和许多悬而未决的问题，可总结为以下三个方面：

（1）环路热管的稳态运行特性和数学建模

目前，已有的研究基础和成果已揭示了环路热管的一些基本原理和特性，基于回路内能量和压力平衡的分析已可以对环路热管的大多数原理和特性给出解释。但是，环路热管在一些特殊工况下以及以特殊结构形式应用时的运行机理和特性仍不明确，对某些运行机理的认识还存在误区，例如重力辅助姿态下的运行规律、启动和运行时一些特有的动态特性等。因此有针对性的实验研究仍需进一步开展。此外，目前国内外关于环路热管理论研究也相对较少。现有的从储液器能量平衡的角度建立起来的环路热管稳态一维数学模型，虽然可以模拟出环路热管的可变热导特性，但过多的假设导致还不能反映环路热管很多工作特性。关于环路热管的理论研究，国内外都尚未开展的内容包括：环路热管的动态数学建模、环路热管的反向式蒸发器内多孔介质中的相变传热过程仿真，毛细芯槽道和蒸发器

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内齿的优化问题以及高热流密度环路热管的极限传热能力分析等。这部分理论研究的深入将能进一步解释环路热管的传热机理和动态特性，从而提高环路热管的传热性能和实现目标设计和优化设计。

（2）启动问题和不稳定性问题

环路热管的各项性能仍有待提高，包括其启动性能、传热性能、运行适应性以及稳定性。目前仍阻挠环路热管步入实际应用的两个较大问题是其启动问题和运行不稳定性问题。从公开发表的文献来看，相关的研究比较缺乏，机理尚不明确。

第一，启动问题。我国的风云一号卫星热控系统中使用了俄罗斯提供的6 套环路热管，其中2 套在空间飞行期间出现了无法正常启动和运行的故障，由此引起被控对象温度上升。除了无法正常启动外，环路热管的启动还存在两个主要问题：一是启动时蒸发器温度过高，可能会超过仪器允许温度范围。为解决启动时蒸发器温度升高（Temperatureovershoot）过大的问题，提出过两种主动辅助启动措施——对蒸发器辅助加热和对储液器制冷，但这两种方式都需要额外的能耗和控制系统，破坏了环路热管本身自动工作的特性，且相关的实验研究结果也未见发表。另一个启动问题是某些启动方式会导致启动后稳态工作温度偏高，如高过热度的核态沸腾启动。NASA的环路热管研究者们推测高过热度启动时蒸汽槽道内发生核态沸腾后产生的蒸汽可能会穿透毛细芯进入芯内，增大漏热，并对稳态运行有持续影响。这种猜测存在很大的疑点，仍需进一步研究。

第二，不稳定性问题。目前环路热管的工作不稳定性也是尚未解决的一个问题。很多文献报导过环路热管工作时的不稳定性。环路热管的工作不稳定性主要表现在运行时会出现以下几种现象：温度迟滞（Temperature hysteresis）、温度波动和倒流现象。环路热管工作中出现的这些不稳定现象使系统某些时候处于一种亚稳态，并导致出现不稳定现象之后的工作温度偏高。为了进一步了解环路热管工作不稳定的原因，有必要进行更多相关的机理研究。正确理解启动和不稳定性的机理和特性，才能有效地对环路热管的部件结构进行改进。启动问题和工作不稳定性问题的解决将会使环路热管向工程应用迈进一大步。

（3）环路热管的应用研究

在环路热管的应用方面仍有大量工作需要开展，不同应用形式的实验和理论研究需要进一步拓展和完善。航空航天领域的需求促使环路热管的相关应用研究迫在眉睫。采用双储液器式的环路热管是解决重力场（如地面、船舶潜艇、航空飞行器等）中应用时储液器位于蒸发器下方时供液不足问题的有效措施，虽然双储液器环路热管的概念提出已久，但相关的理论和实验研究都还少见报道。而在航天领域，针对空间应用背景的可展开式辐射

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器也是发挥环路热管诸多优点的又一个典型应用范例，国外已有相关研究工作的报道，该系统存在许多关键技术尚需攻克和解决，包括热量收集技术、柔性热关节选取、辐射器的优化设计以及防冻解冻技术。此外，基于环路热管的可展开式辐射器的空间环境模拟实验结果较少，系统的运行特性和规律也尚未掌握，需要开展相关的理论和实验研究工作。

此外，目前对环路热管的主要研究手段都是理论建模和实验研究。其中理论建模的研究大部分是针对环路热管稳态运行性能进行的，对启动特性等重要性能的研究较少，并且过多的假设条件使得模型并不能最完整的展现环路热管的运行情况。实验研究多数都是根据实验结果结合理论进行推导总结环路热管内部的运行情况，而环路热管内部运行的真实情况并不能得到最直接的反映。因此对环路热管的可视化研究就显得非常有必要了，尤其是在研究不凝气体对环路热管运行性能影响的时候。

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