[科普中国]-低温热管

简介

热管是一种具有高导热性能的传热元件,根据其工作温度不同可分为高温、中温和低温热管。在空间技术中主要采用中、低温热管作为卫星、火箭、飞船等机件及有效载荷设备的散热、均热和热能输送元件。山于低温热管具有在工作区域传输效率高、能量消耗极小、无活动部件、结构紧凑、较小的体积质量比等突出的优点,己被作为低温传热的重要手段。欧美等国家和地区,早已把低温热管作为空间低温传热的首选元件,被广泛用于航天器热控、空间辐射散热、遥感技术中红外探测器低温制冷及光学元件表面的热控等技术中2。

低温热管的特性分析目前低温热管主要分为4类:低温热虹吸管(thermosyphon)、带网芯的低温热管(wick-basedheat pipe)、低温柔性热管(cryogenic flexible heatpipe)、低温环形热管(cryogenic loop heat pipe)。

由于低温下工质的热物性和常温时有很大不同,如接触角小、粘度小、导热系数小等,使得低温热管的工作性能和中高温热管有一定差异。因此,以中高温热管实验数据为依据的各种传热极限计算公式在低温热管的设计计算中存在较大误差,仅能作为定性参考3。

影响低温热管的工作极限主要有:毛细力限、声速限、携带限、沸腾限和干涸限等。事实上,并不是每一种工作极限都会在热管工作中出现,对于特定型式的低温热管通常只有其中某一种传热极限占主导地位。
带有毛细芯的无重力辅助低温热管利用液体低温工质对毛细芯浸润产生的毛细力作为热管的驱动力,使液态低温工质从热管的冷凝段回到蒸发段。当整个气体液体循环压力降与最大毛细压头达到平衡即为毛细力传热极限。达到这个状态后,只要稍许加大蒸发量或减少冷凝量,蒸发段即发生干涸和过热。毛细极限往往在工作温度区域出现,因此需要特别注意。对于没有毛细芯的重力辅助热管(即热虹吸管),由于液体自身的重力远远大于液体回流的阻
力,因此一般情况下不会出现毛细极限。如果降低冷凝段温度,使蒸发段出口达到声速,进而达到壅塞流的条件,继续降低冷凝段温度传热量不会增加,蒸发段内温度也不变,在此条件下热管温度沿轴向的变化很大,这就是所谓的声速传热极限。

由于在热管中蒸汽和液体流动方向相反,因此在液—汽分界面上存在剪切力。如果蒸汽的速度足够高,液体就会被蒸汽扯下并带走。发生携带现象后,一旦液体回输系统无法补偿工质循环流量的增加就会使蒸发段突然烧干。

对于充注量较多的带毛细芯热管,当热管处于小热流量的情况下,热量的传递一部分通过吸液芯和液体传导到达汽液分界面上,另一部分则通过自然对流到达汽液分界面并使液体蒸发。如果热流量增大并在吸液芯中引起热点,与管壁接触的液体将逐渐过热,并在核化中心生成汽泡,进而阻碍液体的循环。因此热管蒸发段与管壁接触的液体生成气泡时的最大传热量就是沸腾极限。

对于没有毛细芯的重力辅助热管或者是没有网芯覆盖的槽道热管,由于沸腾产生的汽泡能够很快溢出,加强换热反而是有利的。对于这类热管即使热流量增大也不会出现沸腾极限。但是当处于大热流量的情况下,这些汽泡可能形成汽膜,导致壁面温度突然升高,这时就达到了这种热管的沸腾极限。如果热管的充注量较少,蒸发段底部没有形成液池,在还没有达到沸腾极限时,在冷凝液回流到蒸发段底部之前就已经蒸干,达到了热管的干涸极限。所以干涸极限和沸腾极限都是对于径向传热的限制,因此不会同时出现。

低温热虹吸管由于低温热管最初主要用于空间飞行器的温度控制,因此以往大多数的研究都是针对无重力影响的低温热管1。随着低温超导技术的发展,重力辅助低温热管的研究成为了一个新的热点。在地面应用时,低温热管可以利用重力运行,大大加强了冷凝液体返回蒸发段的抽吸力,从而提高了传热能力,而且液体有了较高的压头。因此,重力辅助热管通常采用简单的管芯结构,甚至完全不用管芯,使结构简单,传热能力提高。传热量增加意味着工质循环速度的加快,也就相应地要求增加热管的工质充装量。因此,重力热管中的工质数量一般也比较多。在实验中要测定的性能主要有最大传热能力随工作温度、倾斜角度、充装量的变化情况,从而得出最佳的充装量和倾斜角。对于有管芯的重力热管还要测定管芯网格大小以及层数的影响。对重力热管最大传热能力的影响因素主要有:倾角β、热管充注量m、运行温度T。最大热流密度qcr随网芯层数的增加而减少,当层数相同时则随着网的目数、管径、冷凝段长度、蒸发段长度的增加而增加。

力热管在工质足够多、放置角度又比较大时,几乎不可能出现毛细限,可能之前已达到沸腾极限或干涸极限。较多的工质,尤其对于无管芯的光管来说,常常有一部分液体集聚在管的底部,对于小倾角的情况有较厚的液膜会使热管的温差增加。另外热流增加时蒸汽流速加快,厚的液膜使蒸汽通道变窄,蒸汽对回流液体的剪切和携带作用也加强了,达到一定程度就会使回流中断,达到携带限。在较多工质的情况下工作,在冷凝段容易形成阻塞液柱,这种液柱或者比较稳定地浮在一个位置上,或者上下波动,但都能部分阻塞冷凝段,妨碍热管工作。无管芯重力热管中还会出现淹没现象,此类现象类似于携带现象,由于蒸汽携带液滴流向冷凝段,可以听到液滴在冷凝段撞击管壁的声音,此现象并不影响热管的正常运行,但是由于液滴在冷凝段积聚使冷凝段的径向热阻增大,反映出冷凝段外壁温度下降。当液体积聚到一定程度以后其重力克服蒸汽流的剪切力而落下,冷凝段温度有波动。

柔性低温热二极管1997年7月2日美国航天局在发现者号航天飞机上进行低温柔性热二极管飞行试验。由于热传递的位置多种多样,这种柔性热管可以任意扭曲,而其传热性能并没有太多的改变,这样就可以在各种环境中使用这种热管。同时由于它是热二极管,当蒸发端和冷凝端变化时,可以有效地阻止热量的逆向传递,保护内部被冷却部件稳定安全的工作。它的最大传热量出现在95 K,有25 W,此后传热量随着温度升高而迅速下降1。

环形低温热管环形热管在1987年由Akaji首次在室温下使用。1991年Kawai等人使用氮作为工质工作在80K,1992年他们使用氮作为工质,在不同充注量的情况下获得了最佳工作充注量。同时Chandratilleke等人使用氮作为工质在60～77 K、水平以及水平夹角20以内做了一系列实验,研究了环形低温热管连接制冷机的冷端的情况1。

为了使汽泡推动前面的液体,热管的内径必须和汽泡的直径保持在同一个数量级。同时由于蒸汽泡的直径很难精确计算,只能通过计算工质的拉普拉斯常数来确定汽泡的直径。为了产生一个连续推动力,热管蒸发段的直径必须稍微大于汽泡直径。这是因为在汽泡和热管之间会形成非常薄的液层,通过蒸发在蒸发段和冷凝段之间形成压差,以获得希望的稳定推动力。

研究前景展望1、目前低温热管的应用主要集中于航天航空和军事技术,对于低温热管的研究属于需要保密的内容,不允许写有关这方面的论文1。

2、目前在国外对于低温热管的实验和理论研究以及应用技术已经成熟,已经没有研究机构进行这方面的研究。

3.由于低温热管制作复杂、实验成本高,限制了对于低温热管理论与应用的研究。低温液体在小体积密闭容器内的沸腾是研究的难点,虽然前人建立了各种模型,但理论预测与实验结果之间的误差还是很大。