Y 形分叉流道圓盤狀冷凝器環(huán)路熱管的實驗及仿真研究

趙潤澤 李南茜 閆凱芬 陸 燕

(1 中國科學院大學 北京 100039)

(2 中國科學院上海技術(shù)物理研究所 上海 200083)

1 引 言

環(huán)路熱管是以蒸發(fā)器內(nèi)毛細芯的毛細壓力為驅(qū)動力的兩相傳熱設(shè)備。環(huán)路熱管具有傳熱效率高、抗重力強、傳輸距離遠、布置靈活等特點。隨著空間制冷機技術(shù)的日漸成熟,航天飛行器、低溫光學系統(tǒng)等使用制冷機與環(huán)路熱管集成將成為普遍的熱控手段,但因制冷機冷頭直徑較小,在空間實際應用中,與之耦合的環(huán)路熱管需要實現(xiàn)大熱流密度下的冷量傳輸。

冷凝器是制冷機與熱管間換熱的核心,既是制冷機與熱管的熱交換單元,又是熱管的冷凝單元,是環(huán)路熱管研究的關(guān)鍵部件之一。目前常用的冷凝器是盤管式結(jié)構(gòu),在與制冷機集成時,由于制冷機冷頭可連接面積有限,在大冷量傳輸時,熱管冷凝器面積遠大于制冷機冷頭面積,為此通常設(shè)置過渡冷板來實現(xiàn)與冷頭的耦合,這樣將帶來額外的冷量損失。目前,對環(huán)路熱管應用中冷凝器結(jié)構(gòu)優(yōu)化所做的研究較少。楊帆[1]在冷凝器內(nèi)部添加螺紋槽道,使冷凝器兼具類似于次蒸發(fā)器的功能,提高了冷凝換熱效率;陳躍勇[2]設(shè)計了矩形并行微通道冷凝器,使用該冷凝器的乙烷工質(zhì)熱管樣機能在200 K 時傳遞50 W 熱量。Zhao[3]在過渡板內(nèi)部加工平行流道代替焊接,避免了焊接處的接觸熱阻;Bai[4]將冷凝器盤管焊接在圓柱形冷塊圓周上,解決了普通冷板與制冷機冷頭尺寸形狀不匹配的問題。但是,以上研究在制冷機-環(huán)路熱管集成應用時仍需冷板過渡連接,本研究通過設(shè)計與冷頭尺寸接近的小型圓盤狀高熱流密度冷凝器能實現(xiàn)與冷頭的直接耦合。

在高熱流密度小面積換熱方向,如電子散熱熱沉中常用的一種樹狀網(wǎng)絡(luò)流道,兼具換熱效率高、壓降較小、溫度分布均勻的優(yōu)點。樹狀網(wǎng)絡(luò)流道主流設(shè)計理論包括構(gòu)形理論和分形理論。應用構(gòu)形理論設(shè)計傳熱系統(tǒng)首先由Bejan[5]提出,隨后Bejan 和Errera[6]使用構(gòu)形理論進行了散熱流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作,從單點出發(fā)覆蓋整個體積的流道最終形成樹狀網(wǎng)絡(luò)。Chen[7]設(shè)計了矩形芯片分形散熱流道網(wǎng)絡(luò),并研究了流道壓降和傳熱特性。Pence[8]將分形理論應用于圓盤狀散熱網(wǎng)絡(luò),建立了一維模型對樹狀網(wǎng)絡(luò)流動壓降和壁溫進行預測。研究者們在此基礎(chǔ)上對分形、構(gòu)形及樹狀結(jié)構(gòu)進行了大量的研究。徐國強[9]對樹狀構(gòu)形流道進行改進,提出了Y 形構(gòu)形流道并對最佳分叉角、最佳結(jié)構(gòu)比例進行了研究。Liu[10]和馬欣榮[11]分別針對矩形熱沉設(shè)計了T-Y 形流道和雙層Y形流道。Huang[12]使用數(shù)值仿真方法研究了不同管內(nèi)強化措施下的圓盤形Y型流道熱沉,流道布置采用上進側(cè)出結(jié)構(gòu),冷卻液從上方垂直入射到熱沉中心并向圓周發(fā)散。Miguel[13]對不同尺寸約束下Y 形分形流道兩級間最佳尺寸比進行了理論研究,通過使與流動和傳熱相關(guān)的功耗最小化來獲得最優(yōu)尺寸。

目前為止,樹狀網(wǎng)絡(luò)流道主要應用于芯片冷卻用熱沉中,形狀設(shè)計多為矩形或圓盤狀上進側(cè)出結(jié)構(gòu),且集中應用于泵驅(qū)動流體回路中。本研究將Y型樹狀流道應用于環(huán)路熱管冷凝器,根據(jù)冷凝器形狀對流道進行了設(shè)計,并通過CFD 仿真對流道結(jié)構(gòu)分布進行了優(yōu)化。由于環(huán)路熱管毛細驅(qū)動力較小,且需保證一定的流道長度以使工質(zhì)充分冷凝,設(shè)計了側(cè)進側(cè)出型的圓盤狀Y 形分叉流道冷凝器,通過實驗和數(shù)值仿真方法對熱管整體性能及冷凝器內(nèi)部流動換熱進行了研究。

2 實驗系統(tǒng)

2.1 冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

根據(jù)Murray 定律,當兩級分叉管路直徑和長度符合一定關(guān)系式時,分形結(jié)構(gòu)壓降最小。根據(jù)該理論,Wechsatol[14]針對圓盤形熱沉內(nèi)部分形樹狀網(wǎng)絡(luò)提出了流道尺寸的最佳比例。

式中:D為流道的水力直徑,m;L為流道長度,m;n為每個分支流道分叉處子流道的個數(shù);下標i為分叉處母流道的流道級數(shù),i+1 為分叉處子流道的流道級數(shù)。

對于Y型結(jié)構(gòu)的分形網(wǎng)絡(luò),水力直徑最佳比例同樣遵循式(1),但由于每一級流道長度包括水平段的母流道長度和分叉段的子流道長度,流道長度比例遵循下式。

式中:下標i表示第i級分支的母流道,下標i1表示第i級分支內(nèi)的子流道。

為了貼近制冷機冷頭形狀及尺寸,設(shè)計圓盤狀冷凝器外徑為60 mm,厚度為10 mm,流道橫截面為矩形。選擇流道級數(shù)為4 級,每級流道分支數(shù)為2,其中第4 級流道僅有水平段作為對稱3 級流道之間的連接段。根據(jù)冷凝器尺寸限制及分叉Y 形流道的最佳尺寸比例,設(shè)計得到3 級側(cè)進側(cè)出型流道,末端分支數(shù)為8,流道長度比例及分叉角大小以末端分支均勻分布為設(shè)計原則,流道寬度比例按照式(1)所得最佳比例設(shè)計。

完成冷凝器加工后,組裝環(huán)路熱管并進行了測試實驗,結(jié)果表明Y 形分叉流道的冷凝器在大熱載下優(yōu)勢明顯,但在較低熱負載下,熱管的總熱阻偏大。以實驗值為初始參數(shù)對冷凝器進行了數(shù)值仿真優(yōu)化工作,使用ANSYS Fluent 進行建模仿真,蒸發(fā)冷凝過程使用UDF 自編程建模。以冷凝器253 K,加熱功率20 W 工況下實驗值作為仿真初始參數(shù)。冷凝器固體域包括進口段管線、出口段管線及冷凝器殼體,設(shè)置殼體下表面為冷源面,其余各面均為絕熱邊界,固體域與流體域接觸面為熱耦合邊界。

冷凝器內(nèi)部氣相體積分數(shù)分布如圖1 所示。入口過熱氣體進入冷凝器內(nèi)部后逐漸降溫,在3 級流道處及4 級流道處,流體溫度逐漸低于相變溫度并進入兩相區(qū)。在右側(cè)流出段分支流道,隨著兩相流被逐漸冷卻,流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄦蜗嗔?并在流動過程中被進一步冷卻為過冷液體。兩相段位于流道末端分支處,由于此時換熱面積增大、流動速度降低,流體與壁面充分換熱,兩相段長度較短,有利于冷凝器性能提升。

圖1 流道內(nèi)部相分布云圖Fig.1 Phase distribution inside channel

圖2 給出了流道中線上沿程壓力分布情況及分叉點1 附近速度分布云圖。在流道左側(cè)流入段3 處分叉點分別可見壓力回升現(xiàn)象,這是由于兩支子流道截面積之和大于母流道截面積,總流動面積增大,速度降低。同樣的,在右側(cè)流出段合并點處存在壓力下降現(xiàn)象,壓降幅度相比流入段壓力回升的幅度更小,這是因為流出段的液相流速度較低。壓力回升現(xiàn)象使得分叉流道相比相同水力直徑、相同流道長度的串行單管流道壓降更小。在速度分布云圖中分叉點處可以觀察到速度滯止點的存在,分叉后的高速流體沿子流道內(nèi)壁流動,子流道外壁處存在一定程度的回流,增大進口速度后發(fā)現(xiàn)回流逐漸增強直至產(chǎn)生渦旋區(qū)域。由于冷凝器入口矩形流道與氣體管線圓形管線間有尺寸差異,流道的突縮導致速度陡增,表現(xiàn)為沿程壓力分布曲線中分叉點1 前的壓力突降。

圖2 沿程壓力分布曲線及分叉點1 附近速度分布云圖Fig.2 Pressure distribution curve along channel and velocity distribution near bifurcation point 1

對冷凝器的仿真結(jié)果表明,分叉流道有利于加強換熱和降低壓降,是有效的冷凝器流道結(jié)構(gòu),但是矩形流道導致的流道突縮會造成冷凝器性能的惡化。根據(jù)仿真結(jié)果對流道截面進行優(yōu)化,設(shè)計了橢圓截面的Y 形分叉流道冷凝器,冷凝器結(jié)構(gòu)透視效果及側(cè)進側(cè)出Y 形流道結(jié)構(gòu)如圖3 所示,各分支詳細參數(shù)見表1,其中Da為橢圓長軸,Db為橢圓短軸。由于分叉流道左側(cè)流入段和右側(cè)流出段關(guān)于垂直中線對稱,故只給出流入段流道尺寸參數(shù)。由于流道分支數(shù)較多,每級流道半徑變化較大,因此采用3D 打印一體成型的加工方式,材料為鋁6061,材料粒度15—33 μm,成型致密度99%。

圖3 3D 打印冷凝器Fig.3 3D printing condenser

表1 Y 形流道幾何參數(shù)表Table 1 Structural characteristics of Y-shaped channels

2.2 實驗系統(tǒng)

熱管蒸發(fā)器殼體、補償器、氣體管線、液體管線均為銅材質(zhì),蒸發(fā)器尺寸為Φ20 mm ×80 mm,氣液管線長度分別為990 mm 和690 mm,總?cè)莘e為44.895 ml。工質(zhì)采用丙烯,充裝量15.499 g,283 K 溫度下充液率為65%。為減小熱管與環(huán)境之間的漏熱,實驗在真空罐內(nèi)進行,真空度小于10-3Pa,同時,熱管各部件均包裹多層絕熱材料。冷凝器溫度由耦合的兩級脈管制冷機控制,蒸發(fā)器熱源由50 mm ×50 mm/20Ω薄膜加熱片提供。采用鉑電阻溫度計對熱管各部件進行測溫,測點分布及熱管結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 LHP1 結(jié)構(gòu)及溫度測點示意圖Fig.4 Structure and temperature measuring points distribution of LHP1

為了對比小型化設(shè)計后的Y 形流道冷凝器與常規(guī)冷凝器的性能,在原熱管的基礎(chǔ)上更換上常規(guī)壓管式渦旋形冷凝器并進行對比實驗,管線內(nèi)徑與分叉流道最大直徑相同,根據(jù)工程經(jīng)驗計算50 W 傳熱量所需的冷凝器管線長度,設(shè)計得到冷凝器尺寸為120 mm ×120 mm。兩根熱管分別編號LHP1(Y 形流道冷凝器熱管)和LHP2(壓管式渦旋冷凝器熱管),充液率相同。兩種冷凝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。由于壓管式渦旋冷凝器形狀為矩形且尺寸遠大于制冷機冷頭,為了保證較好的熱均勻性,在冷凝器和冷頭之間需要使用尺寸與冷凝器相近的銅板過渡連接。

表2 兩種冷凝器參數(shù)對比Table 2 Comparison of two condensers

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 降溫與啟動

實驗開啟前對真空罐抽真空,罐內(nèi)真空度達到1 ×10-2Pa 后開啟制冷機對環(huán)路熱管冷凝器進行降溫。圖5 為LHP1 在冷凝器223 K 工況下的降溫及啟動曲線。制冷機開機后,冷凝器及冷凝器進出口溫度迅速下降,冷凝器溫度接近223 K 時,對薄膜加熱片輸入5 W 的功率。蒸發(fā)器吸熱后溫度略有上升,毛細芯內(nèi)液態(tài)工質(zhì)吸熱蒸發(fā)并進入氣體管線,隨后經(jīng)過氣體管線進入冷凝器并推動其中的冷凝液體進入液體管線,導致氣體管線和冷凝器入口溫度顯著提升,液體管線溫度加速下降;隨著蒸發(fā)器內(nèi)部工質(zhì)的持續(xù)蒸發(fā),冷凝器中的液態(tài)工質(zhì)逐漸流入蒸發(fā)器核心和補償器,蒸發(fā)器和補償器的溫度逐漸下降。工質(zhì)在熱管內(nèi)部形成循環(huán),環(huán)路熱管啟動。由于5 W 時加熱功率較小,毛細芯內(nèi)產(chǎn)生的毛細壓力較小,熱管穩(wěn)定所需時間過長,在確認熱管啟動后,將加熱功率增大到10 W。各測點溫度穩(wěn)定后,加熱功率以10 W 為步長逐漸增大,調(diào)整制冷機功率將冷凝器控制在工況要求溫度下。

圖5 LHP1 降溫啟動曲線Fig.5 Start-up process of LHP1

3.2 穩(wěn)態(tài)傳熱性能對比分析

LHP1 及LHP2 在不同冷凝器溫度下均能順利啟動,通過調(diào)整制冷機功率分別控制冷凝器溫度為283 K、253 K、223 K,在蒸發(fā)器端施加不同的加熱功率,研究熱管在穩(wěn)態(tài)傳熱時各部分溫度變化及熱阻變化。環(huán)路熱管熱阻計算為:

式中:R為環(huán)路熱管熱阻,K/W;Te為蒸發(fā)器溫度,K,即測點T3;Tc為冷凝器溫度,K,即測點T7、T8的平均值;Q為熱負荷,W。

圖6 為冷凝器溫度253 K 熱管穩(wěn)態(tài)溫度及熱阻分布,其中,(a)為LHP1,(b)為LHP2。對于LHP1,蒸發(fā)器施加5 W 加熱功率啟動后,將加熱功率增大至10 W 以加速穩(wěn)定,加熱功率每次增加10 W,由于薄膜加熱片最大熱流密度不宜超過3 W/ cm2,因此最大功率為70 W;對于LHP2,蒸發(fā)器施加5 W 加熱功率啟動后,加熱功率每次增大5 W,由于蒸發(fā)器溫度過高,因此最大功率為40 W,整個過程中兩種熱管均正常工作。對于LHP1,當加熱功率不大于60 W時,LHP1 的溫差隨加熱功率的增大逐漸降低,這說明冷凝氣液分界面處于冷凝器內(nèi)部,在兩相段之后存在過冷液態(tài)工質(zhì),液態(tài)工質(zhì)的過冷度足以平衡蒸發(fā)器向補償器的漏熱量以保持蒸發(fā)端溫度的相對穩(wěn)定,同時隨著加熱功率增加,工質(zhì)流速增大,液體管線段的漏熱量降低,導致蒸發(fā)端溫度隨著加熱功率的增加而降低。加熱功率大于60 W 時,氣液界面接近冷凝器出口,液態(tài)工質(zhì)過冷度不足以彌補補償器吸收的漏熱量,蒸發(fā)器溫度和補償器溫度明顯上升,同時冷凝器出口溫度高于冷凝器壁面溫度,工質(zhì)在冷凝器內(nèi)未能充分冷凝。結(jié)果表明Y 形流道冷凝器的冷凝能力大于60 W。隨著加熱功率升高,LHP1 的熱阻在工況范圍內(nèi)逐漸降低并基本穩(wěn)定在0.4 K/W。對于LHP2,蒸發(fā)端溫度隨加熱功率增大而逐漸升高,冷凝器出口溫度較為穩(wěn)定,但是由于流阻較大,工質(zhì)流速較低,液體管線段的漏熱導致補償器和蒸發(fā)器溫度迅速上升,熱管熱阻隨加熱功率增大先減小后穩(wěn)定在1.2 K/W。對比可得,LHP1 具有更大的傳熱量和更小的傳熱熱阻,其性能明顯優(yōu)于LHP2。

圖6 穩(wěn)態(tài)溫度及熱阻分布圖(冷凝器溫度253 K)Fig.6 Distribution of steady state temperature and thermal resistance (condenser temperature at 253 K)

為了更清晰地對比LHP1 與LHP2 的穩(wěn)態(tài)傳熱熱阻,圖7 給出了LHP1 和LHP2 在3 個不同冷凝器溫度下熱阻隨加熱功率的變化曲線。結(jié)果表明,兩種冷凝器環(huán)路熱管熱阻均隨冷凝器工作溫度升高而減小,這是因為,在實驗溫度范圍內(nèi),隨著工作溫度上升,丙烯工質(zhì)在蒸發(fā)器補償器之外的理論環(huán)路壓降降低,根據(jù)壓差平衡,蒸發(fā)器和補償器之間的飽和壓差、對應的飽和溫差及漏熱量隨之減小,蒸發(fā)器和補償器的工作溫度也越低,從而導致環(huán)路熱管傳熱熱阻降低。實驗值與丙烯工質(zhì)傳熱效率品質(zhì)因數(shù)所指出的熱管熱阻趨勢一致。對于LHP1,隨著加熱功率增大,熱阻逐漸降低并進入穩(wěn)定熱導區(qū);對于LHP2,在冷凝器溫度223 K 時,其熱阻變化趨勢與LHP1 一致,但在冷凝器溫度253 K 和283 K 時,傳熱熱阻隨加熱功率增加先減小后增大,最小傳熱熱阻均出現(xiàn)在15—20 W 加熱功率下。加熱功率小于30 W 時,LHP2 較LHP1 具有更低的熱阻;加熱功率不小于30 W 時,LHP1 的傳熱熱阻顯著低于LHP2。在熱阻值基本穩(wěn)定后,LHP1在283 K、253 K、223 K 下的最小傳熱熱阻分別為0.34 K/W、0.42 K/W、0.56 K/W,LHP2 對應的最小傳熱熱阻分別為0.24 K/W、0.77 K/W、1.63 K/W。在低溫大冷量傳輸應用時,Y 形流道冷凝器環(huán)路熱管有顯著的性能優(yōu)勢。

圖7 不同冷凝器溫度下LHP1/LHP2 熱阻對比圖Fig.7 Comparison of thermal resistance for LHP1/LHP2 at different condenser temperatures

對制冷機冷頭和環(huán)路熱管冷凝器分別測溫,得到冷頭與冷凝器間的耦合傳熱溫差,該溫差由冷頭-過渡銅板-冷凝器間的熱損失造成,隨熱管熱負荷增加而線性增大,耦合傳熱熱阻約為0.4 K/W。在功率較大時,該熱阻大小與環(huán)路熱管熱阻比較接近,由過渡銅板帶來的額外熱損失不可忽略。

3.3 冷凝器性能分析

熱管整體熱阻主要來自于冷凝器熱阻,實驗數(shù)據(jù)表明冷凝器熱阻在熱管總熱阻中占比超過50%,因此有必要對冷凝器部件熱阻進行進一步研究,冷凝器熱阻(K/W)為:

式中:Tin和Tout分別對應冷凝器進出口溫度,K,即測點T6和T9;Qc為冷凝器熱負荷,W。

定義冷凝器熱阻率εc,K·m/W,即為當量導熱系數(shù)的倒數(shù)為:

式中:S為冷凝器與冷源換熱面面積,m2;δ為冷凝器厚度,m。通過定義冷凝器熱阻率,可以在不考慮冷凝器尺寸形狀的情況下衡量冷凝器本身換熱能力的大小,熱阻率越小,表征冷凝器本身換熱能力越強。

圖8 為冷凝器253 K 時兩種冷凝器的熱阻率。Y形流道冷凝器的熱阻率隨熱負荷上升逐漸降低并趨于穩(wěn)定,渦旋形冷凝器熱阻率隨熱負荷上升先下降后升高,并在35 W 以上時逐漸趨于穩(wěn)定。在熱負荷小于15 W時,兩種冷凝器的熱阻率較為接近;熱負荷大于15 W 時,渦旋形冷凝器的熱阻率迅速增大,Y形流道冷凝器的熱阻率遠低于渦旋形冷凝器,在40 W熱負荷下,其熱阻率分別為0.07 和1.22。結(jié)果表明,在大冷量的應用場合下,Y 形流道冷凝器的換熱能力遠大于常規(guī)渦旋形冷凝器,Y型流道冷凝器在大冷量傳輸方面有更高的應用價值。

圖8 2 種冷凝器熱阻率對比圖(冷凝器溫度253 K)Fig.8 Comparison of thermal resistance rates of two condensers(condenser temperature at 253 K)

4 結(jié) 論

應用Y 形分叉流道,設(shè)計了環(huán)路熱管小型圓盤狀冷凝器,通過CFD 仿真對流道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,使用3D 打印技術(shù)一體化加工。對安裝分叉冷凝器和渦旋冷凝器的熱管LHP1、LHP2 進行不同冷凝器溫度下的實驗對比,得到以下結(jié)論:

(1)Y 形流道冷凝器可直接與制冷機冷頭耦合,避免通過過渡板傳熱的熱損失(本研究中耦合傳熱熱阻0.4 K/W)和額外的重量負擔,同時面積小、重量輕,可以有效促進環(huán)路熱管與制冷機集成熱控系統(tǒng)輕量化設(shè)計。

(2)使用Y 形分叉流道冷凝器的環(huán)路熱管最大傳熱量大于90 W,冷凝器溫度283 K/ 253 K/ 223 K下的最小傳熱熱阻分別為0.34 K/W、0.42 K/W、0.56 K/W,其最大傳熱量和傳熱熱阻均遠優(yōu)于傳統(tǒng)渦旋冷凝器的環(huán)路熱管。