低温毛细抽吸两相流体回路(CCPL)极限特性分析

    1 引 言

    低温毛细抽吸两相流体回路(Cryogenic CapillaryPumped Loop,CCPL)是基于常温CPL技术发展起来的用于低温条件下进行热量传输的新型传热元件,将CCPL与低温制冷器耦合使用,用于冷却低温工作的红外遥感探测系统,一方面可实现探测器与制冷器之间的高效热量传输,另一方面,可实现探测器与制冷器远距离分离,消除低温制冷器工作时对光学元件带来的振动和电磁感应影响,提高探测器的成像质量。另外,CCPL也可用于解决低温制冷系统的低温热排散问题。因此,CCPL在航空、航天、光学、电子等领域有着广泛的应用前景。

    如图1所示,CCPL主要由蒸发器、冷凝器、冷储液器、热储液器、液体冷却罩、蒸气管道和液体管道等组成。CCPL启动时,首先借助于工质在冷、热储液器之间来回往返,将系统冷却到工质液态临界温度以下后,加热蒸发器,使内部的工质汽化,产生的蒸气经蒸气管路进入冷凝器,在冷凝器内放出热量凝结成液体,凝结后的液体经液体管路重新回到蒸发器内,再次在蒸发器内吸热、蒸发、流动,循环工作,不断地将热量自蒸发器传向冷凝器,实现热量传输的目的,系统的驱动力由蒸发器内毛细芯产生的毛细抽吸力提供。

    与常温CPL一样,CCPL的传热能力受到一系列传热极限的限制。而且,由于低温下工质的热物性和常温时有很大不同,使得CCPL的工作性能和常温CPL有一定差异。另外,与常温CPL相比,CCPL增加了两个独特的部件:液体冷却罩和热储液器。显然,CCPL和常温CPL的传热极限会有很大的不同。因此,有必要对CCPL的极限特性进行研究,分析各种传热极限对CCPL传热能力的影响。

    2 CCPL的传热极限

    CCPL的传热极限主要有毛细限、沸腾限、粘性限、携带限和蒸气压限等,这些传热极限与CCPL尺寸、形状、工质、工作温度等有关,当然,并不是每一种传热极限都会在CCPL工作中出现,对于给定型式的CCPL,在某一工作温度下通常只有一种传热极限占主导地位。具体分析如下。

    2.1 毛细限(Capillary limit)

    在CCPL的正常运行中,气液交界弯月面能自动调节其半径的大小使毛细抽吸力等于回路中的总阻力。当系统总阻力超过最大毛细芯抽吸力时,蒸气将穿过毛细芯并阻塞液体流道,引起蒸发器倒灌,运行失效。因此,在CCPL设计中应首先考虑毛细限,运行的最基本条件为

    式中Δpcap max为最大毛细抽吸力;$ptot为系统总压降;式(2)中右4项分别表示蒸发器压降、蒸气管道压降、冷凝器压降和液体管道压降。

    (1)蒸发器压降Δpe

    蒸发器压降主要包括液体通道压降Δpe,l,毛细芯压降$pe,c和蒸气槽道压降Δpe,g3部分。