機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)CO2兩相流體回路穩(wěn)定性研究.pdf

1、機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)的兩相回路(Mechanically Pumped Two-phase Loop,MPTL)是以機(jī)械泵作為驅(qū)動(dòng)元件,驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在回路循環(huán)運(yùn)行,利用工質(zhì)相變潛熱來傳遞熱量的高效傳熱裝置,具有優(yōu)秀的均溫性、主動(dòng)控溫的優(yōu)點(diǎn)、適合于對(duì)長(zhǎng)距離分布式、不均勻的熱源進(jìn)行散熱和控溫,是航天器熱控以及高熱流密度電子器件散熱的有效冷卻系統(tǒng)之一。
　　 本文針對(duì)空間高能粒子探測(cè)器(AMS-02)中機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)二氧化碳兩相回路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)集熱和控溫

2、的關(guān)鍵部件——并聯(lián)蒸發(fā)器,進(jìn)行了包括熱載荷啟動(dòng)時(shí)以及運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究。
　　 一、熱載荷啟動(dòng)研究。該MPTL系統(tǒng)單和并聯(lián)蒸發(fā)器的熱載荷啟動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:低工作溫度下,工質(zhì)在蒸發(fā)器中會(huì)出現(xiàn)過熱現(xiàn)象,從而導(dǎo)致“爆炸沸騰”并造成壓力沖擊,且當(dāng)熱載荷足夠高時(shí)行核點(diǎn)下游還會(huì)出現(xiàn)的“暫時(shí)性干燒”的不穩(wěn)定現(xiàn)象。依據(jù)工質(zhì)在蒸發(fā)器出現(xiàn)沸騰的時(shí)間順序定義“階段性爆炸沸騰”和“一致性爆炸沸騰”。并聯(lián)蒸發(fā)器熱載荷啟動(dòng)特性與單蒸發(fā)器相似,

3、但是工質(zhì)在發(fā)生“爆炸沸騰”時(shí)還會(huì)在并聯(lián)蒸發(fā)器間進(jìn)行能量的交換,情況將更加復(fù)雜。此外,本文還實(shí)驗(yàn)研究了蒸發(fā)器上總熱載荷以及其內(nèi)外環(huán)加熱比例,相等與不相等熱載荷以及不同工作溫度下對(duì)MPTL系統(tǒng)蒸發(fā)器熱載荷啟動(dòng)時(shí)穩(wěn)定性的影響。
　　 二、運(yùn)行穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)研究。該MPTL系統(tǒng)并聯(lián)蒸發(fā)器運(yùn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)包括瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)。瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在工作溫度范圍之內(nèi),該MPTL系統(tǒng)中各種運(yùn)行參數(shù)如:機(jī)械泵轉(zhuǎn)速、并聯(lián)蒸發(fā)器熱載荷以及它們之間的熱分

4、配和冷凝器邊界溫度的變化,所引起的蒸發(fā)器溫度波動(dòng)最大為1.5℃。穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在一定的系統(tǒng)流量和總熱載荷下,該MPTL系統(tǒng)并聯(lián)蒸發(fā)器間會(huì)出現(xiàn)“密度波脈動(dòng)”的兩相流動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性,當(dāng)加熱載荷足夠高時(shí)其出口會(huì)出現(xiàn)溫度脈動(dòng)。總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),我們獲得了此“密度波脈動(dòng)”在不同工作溫度下的發(fā)生區(qū)域圖,并得出了此密度波脈動(dòng)周期()、聲速sound、蒸發(fā)器管長(zhǎng)L、出口空泡率ε與其混合雷諾數(shù)ReMix的關(guān)聯(lián)關(guān)系。此外實(shí)驗(yàn)研究和分析了蒸發(fā)器內(nèi)外環(huán)加熱比例對(duì)

5、此“密度波脈動(dòng)”影響。
　　 本文總結(jié)了MPTL系統(tǒng)并聯(lián)蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):(1)在熱載荷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)中,工質(zhì)過熱后出現(xiàn)的“爆炸沸騰”所產(chǎn)生壓力沖擊強(qiáng)度較小時(shí),會(huì)引起蒸發(fā)器進(jìn)口流量暫時(shí)性減少；壓力沖擊強(qiáng)度足夠大時(shí),可引發(fā)形核點(diǎn)上游處工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)回流。此外,在熱載荷啟動(dòng)工況中,初始形核點(diǎn)過熱度以及蒸發(fā)器上熱載荷分布對(duì)“爆炸沸騰”所產(chǎn)生的壓力沖擊強(qiáng)度有很大影響。初始形核點(diǎn)過熱度越大,壓力沖擊強(qiáng)度越高,工質(zhì)回流和“暫時(shí)性”干燒現(xiàn)象就越劇烈

6、。當(dāng)蒸發(fā)器外環(huán)熱載荷等于或高于內(nèi)環(huán)時(shí),“一致爆炸沸騰”發(fā)生的可能性增大,它會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力沖擊,這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部件如機(jī)械泵和壓力傳感器造成損害。(2)在穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)中,蒸發(fā)器上熱載荷分布和工作溫度對(duì)“密度波脈動(dòng)”有很大影響。當(dāng)蒸發(fā)器外環(huán)(上游)熱載荷等于或高于內(nèi)環(huán)(下游)時(shí),密度波脈動(dòng)幅度減小,穩(wěn)定性變好。隨著工作溫度逐步降低,密度波脈動(dòng)區(qū)域加寬,穩(wěn)定性變差。
　　 工質(zhì)在低溫工況小管徑或微小管徑流道直接熱載荷啟動(dòng)時(shí),均會(huì)由于過

7、熱而出現(xiàn)“爆炸沸騰”的不穩(wěn)定現(xiàn)象。本文使用板式換熱器上的加熱器對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)器前的過冷液體進(jìn)行加熱,使其吸熱蒸發(fā)成為兩相流體,從而消除工質(zhì)過熱現(xiàn)象。蒸發(fā)器增加熱載荷后沒有出現(xiàn)壓力沖擊或當(dāng)熱載荷足夠大時(shí)出現(xiàn)的“暫時(shí)性干燒”現(xiàn)象,儲(chǔ)液器控溫穩(wěn)定,整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)安全可靠,這為設(shè)計(jì)類似小流道兩相流體回路系統(tǒng)提供工程參考意義。
　　 “密度波脈動(dòng)”是兩相流系統(tǒng)中特別是并聯(lián)或多沸騰流道中最常見的動(dòng)態(tài)流動(dòng)不穩(wěn)定性之一,在該MPTL系統(tǒng)并聯(lián)蒸發(fā)器間同