定義
熱管是一種具有高導熱性能的傳熱元件,根據其工作溫度不同可分為高溫、中溫和低溫熱管。在空間技術中主要採用中、低溫熱管作為衛星、火箭、飛船等機件及有效載荷設備的散熱、均熱和熱能輸送元件。山於低溫熱管具有在工作區域傳輸效率高、能量消耗極小、無活動部件、結構緊湊、較小的體積質量比等突出的優點,己被作為低溫傳熱的重要手段。歐美等國家和地區,早已把低溫熱管作為空間低溫傳熱的首選元件,被廣泛用於太空飛行器熱控、空間輻射散熱、遙感技術中紅外探測器低溫製冷及光學元件表面的熱控等技術中 。
特性分析
目前低溫熱管主要分為4類:低溫熱虹吸管(thermosyphon)、帶網芯的低溫熱管(wick-basedheat pipe)、低溫柔性熱管(cryogenic flexible heatpipe)、低溫環形熱管(cryogenic loop heat pipe)。
由於低溫下工質的熱物性和常溫時有很大不同,如接觸角小、粘度小、導熱係數小等,使得低溫熱管的工作性能和中高溫熱管有一定差異。因此,以中高溫熱管實驗數據為依據的各種傳熱極限計算公式在低溫熱管的設計計算中存在較大誤差,僅能作為定性參考 。
影響低溫熱管的工作極限主要有:毛細力限、聲速限、攜帶限、沸騰限和乾涸限等。事實上,並不是每一種工作極限都會在熱管工作中出現,對於特定型式的低溫熱管通常只有其中某一種傳熱極限占主導地位。
帶有毛細芯的無重力輔助低溫熱管利用液體低溫工質對毛細芯浸潤產生的毛細力作為熱管的驅動力,使液態低溫工質從熱管的冷凝段回到蒸發段。當整個氣體液體循環壓力降與最大毛細壓頭達到平衡即為毛細力傳熱極限。達到這個狀態後,只要稍許加大蒸發量或減少冷凝量,蒸發段即發生乾涸和過熱。毛細極限往往在工作溫度區域出現,因此需要特別注意。對於沒有毛細芯的重力輔助熱管(即熱虹吸管),由於液體自身的重力遠遠大於液體回流的阻
力,因此一般情況下不會出現毛細極限。如果降低冷凝段溫度,使蒸發段出口達到聲速,進而達到壅塞流的條件,繼續降低冷凝段溫度傳熱量不會增加,蒸發段內溫度也不變,在此條件下熱管溫度沿軸向的變化很大,這就是所謂的聲速傳熱極限。
由於在熱管中蒸汽和液體流動方向相反,因此在液—汽分界面上存在剪下力。如果蒸汽的速度足夠高,液體就會被蒸汽扯下並帶走。發生攜帶現象後,一旦液體回輸系統無法補償工質循環流量的增加就會使蒸發段突然燒乾。
對於充注量較多的帶毛細芯熱管,當熱管處於小熱流量的情況下,熱量的傳遞一部分通過吸液芯和液體傳導到達汽液分界面上,另一部分則通過自然對流到達汽液分界面並使液體蒸發。如果熱流量增大並在吸液芯中引起熱點,與管壁接觸的液體將逐漸過熱,並在核化中心生成汽泡,進而阻礙液體的循環。因此熱管蒸發段與管壁接觸的液體生成氣泡時的最大傳熱量就是沸騰極限。
對於沒有毛細芯的重力輔助熱管或者是沒有網芯覆蓋的槽道熱管,由於沸騰產生的汽泡能夠很快溢出,加強換熱反而是有利的。對於這類熱管即使熱流量增大也不會出現沸騰極限。但是當處於大熱流量的情況下,這些汽泡可能形成汽膜,導致壁面溫度突然升高,這時就達到了這種熱管的沸騰極限。如果熱管的充注量較少,蒸發段底部沒有形成液池,在還沒有達到沸騰極限時,在冷凝液回流到蒸發段底部之前就已經蒸乾,達到了熱管的乾涸極限。所以乾涸極限和沸騰極限都是對於徑向傳熱的限制,因此不會同時出現。
低溫熱虹吸管
由於低溫熱管最初主要用於空間飛行器的溫度控制,因此以往大多數的研究都是針對無重力影響的低溫熱管 。隨著低溫超導技術的發展,重力輔助低溫熱管的研究成為了一個新的熱點。在地面套用時,低溫熱管可以利用重力運行,大大加強了冷凝液體返回蒸發段的抽吸力,從而提高了傳熱能力,而且液體有了較高的壓頭。因此,重力輔助熱管通常採用簡單的管芯結構,甚至完全不用管芯,使結構簡單,傳熱能力提高。傳熱量增加意味著工質循環速度的加快,也就相應地要求增加熱管的工質充裝量。因此,重力熱管中的工質數量一般也比較多。在實驗中要測定的性能主要有最大傳熱能力隨工作溫度、傾斜角度、充裝量的變化情況,從而得出最佳的充裝量和傾斜角。對於有管芯的重力熱管還要測定管芯格線大小以及層數的影響。對重力熱管最大傳熱能力的影響因素主要有:傾角β、熱管充注量m、運行溫度T。最大熱流密度qcr隨網芯層數的增加而減少,當層數相同時則隨著網的目數、管徑、冷凝段長度、蒸發段長度的增加而增加。
力熱管在工質足夠多、放置角度又比較大時,幾乎不可能出現毛細限,可能之前已達到沸騰極限或乾涸極限。較多的工質,尤其對於無管芯的光管來說,常常有一部分液體集聚在管的底部,對於小傾角的情況有較厚的液膜會使熱管的溫差增加。另外熱流增加時蒸汽流速加快,厚的液膜使蒸汽通道變窄,蒸汽對回流液體的剪下和攜帶作用也加強了,達到一定程度就會使回流中斷,達到攜帶限。在較多工質的情況下工作,在冷凝段容易形成阻塞液柱,這種液柱或者比較穩定地浮在一個位置上,或者上下波動,但都能部分阻塞冷凝段,妨礙熱管工作。無管芯重力熱管中還會出現淹沒現象,此類現象類似於攜帶現象,由於蒸汽攜帶液滴流向冷凝段,可以聽到液滴在冷凝段撞擊管壁的聲音,此現象並不影響熱管的正常運行,但是由於液滴在冷凝段積聚使冷凝段的徑向熱阻增大,反映出冷凝段外壁溫度下降。當液體積聚到一定程度以後其重力克服蒸汽流的剪下力而落下,冷凝段溫度有波動。
柔性低溫熱
1997年7月2日美國航天局在發現者號太空梭上進行低溫柔性熱二極體飛行試驗。由於熱傳遞的位置多種多樣,這種柔性熱管可以任意扭曲,而其傳熱性能並沒有太多的改變,這樣就可以在各種環境中使用這種熱管。同時由於它是熱二極體,當蒸發端和冷凝端變化時,可以有效地阻止熱量的逆向傳遞,保護內部被冷卻部件穩定安全的工作。它的最大傳熱量出現在95 K,有25 W,此後傳熱量隨著溫度升高而迅速下降 。
環形低溫熱管
環形熱管在1987年由Akaji首次在室溫下使用。1991年Kawai等人使用氮作為工質工作在80K,1992年他們使用氮作為工質,在不同充注量的情況下獲得了最佳工作充注量。同時Chandratilleke等人使用氮作為工質在60～77 K、水平以及水平夾角20以內做了一系列實驗,研究了環形低溫熱管連線制冷機的冷端的情況 。
為了使汽泡推動前面的液體,熱管的內徑必須和汽泡的直徑保持在同一個數量級。同時由於蒸汽泡的直徑很難精確計算,只能通過計算工質的拉普拉斯常數來確定汽泡的直徑。為了產生一個連續推動力,熱管蒸發段的直徑必須稍微大於汽泡直徑。這是因為在汽泡和熱管之間會形成非常薄的液層,通過蒸發在蒸發段和冷凝段之間形成壓差,以獲得希望的穩定推動力。
研究前景展望
1、目前低溫熱管的套用主要集中於航天航空和軍事技術,對於低溫熱管的研究屬於需要保密的內容,不允許寫有關這方面的論文 。
2、目前在國外對於低溫熱管的實驗和理論研究以及套用技術已經成熟,已經沒有研究機構進行這方面的研究。
3.由於低溫熱管制作複雜、實驗成本高,限制了對於低溫熱管理論與套用的研究。低溫液體在小體積密閉容器內的沸騰是研究的難點,雖然前人建立了各種模型,但理論預測與實驗結果之間的誤差還是很大。
