平板式毛细抽吸两相回路系统启动实验研究

    毛细抽吸两相流体回路是基于分离式热管和毛细虹吸概念发展起来的与热管技术相仿的换热系统,优点突出.但其机理复杂,研究表明CPL的启动和运行中存在着严重的温度压力波动,极大制约了CPL系统的应用发展[1].Jentung Ku①通过实验对CPL启动的有利和不利情况进行了分析,并提出了三种能够正常启动CPL的方法.Kiper A①等建立了一个具有半敞开式蒸发器的CPL实验台,并根据实验台的特点对整个蒸发器提出了集总热容模型,对过冷液体的影响进行了较详细的分析.曲伟等[2]分析了CPL的启动过程,对蒸发器提出了物理模型和数学模型.将启动过程中蒸发器内毛细芯的传热过程看成是非稳态导热,对蒸发器壁采用集总参数法,应用能量守恒原理进行了分析求解,得到了CPL启动过程中蒸发器壁面温度随时间的变化规律.本文结合前人经验设计制造了一套新型的CPL实验系统,对此系统的启动特性进行了实验研究.

    1 平板CPL实验系统

    为研究毛细抽吸两相回路的工作机理,改善系统的启动与运行性能,设计高效可靠的系统,对传统的圆管式CPL系统作实质性改进,设计了一套平板式CPL实验系统(见图1).主要部件包括蒸发器、冷凝器、贮液器、过冷器、液体管道和蒸汽管道.蒸发器为平面结构,这将更有利于蒸发器吸热面与需要散热的电子器件表面的贴合.冷凝器突破了传统的光管型模式,设计成与蒸发器结构类似的平面结构.为降低系统中的压力波动,在冷凝器中加入多孔芯,以此形成一个比较稳定的冷凝界面,来抑制系统的压力波动[3].贮液器的注点选择在冷凝器的冷凝槽道的一端,以期冷凝槽道的冷凝面积变化能更快地响应贮液器的调节,从而使系统的温度调节更灵敏.

    图1所示中的a,b,,,k为CPL系统中比较有代表性的热力点,图2为图1中所选有代表性点的相图表示.假设系统的保温很好,在蒸发器中位置a,液体在饱和温度Ta下蒸发,相应的局部压力为pa.随着蒸汽流向槽道下游,由于存在摩擦阻力,压力降到蒸发器出口附近位置b处的pb.于蒸发器壁面向蒸汽传热,位置b也代表了蒸汽以过热状态流出蒸发器,液体也在位置b附近的毛细芯表面蒸发.因此液体不是在恒定温度Ta下而是在Ta~Tb范围内汽化.蒸汽沿蒸发器管线流动时,蒸汽压力继续降低.在位置b和位置c之间蒸汽经过了一个绝热膨胀过程,其温度略有降低.从位置c(冷凝器的入口)到位置d之间的散热面很小,蒸汽放出显热.从位置d到位置e蒸汽完全凝结,压力降低了(pd-pe),冷凝的温度范围为Td到Te.在冷凝器的其余部分液体继续放出显热,冷凝器出口温度降到Tf.到达过冷器压力降到pg.在经过过冷器后温度下降到Th,此后从h到i,压力继续下降,,液体温度保持近于恒定.从图2中可见,在蒸发器毛细芯弯月面的液体侧(即位置j),液体是过热的.位置k代表了贮液器内的饱和状态,在稳态运行时可认为CPL回路和贮液器间无工质流动,在重力场中位置f和位置k之间的压力差是由储液器中相应液位高度产生的静压.