機械泵驅動CO2兩相流體回路穩(wěn)定性研究.pdf

1、機械泵驅動的兩相回路(Mechanically Pumped Two-phase Loop,MPTL)是以機械泵作為驅動元件,驅動工質在回路循環(huán)運行,利用工質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、主動控溫的優(yōu)點、適合于對長距離分布式、不均勻的熱源進行散熱和控溫,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之一。
　　 本文針對空間高能粒子探測器(AMS-02)中機械泵驅動二氧化碳兩相回路系統中實現集熱和控溫

2、的關鍵部件——并聯蒸發(fā)器,進行了包括熱載荷啟動時以及運行時的穩(wěn)定性實驗研究。
　　 一、熱載荷啟動研究。該MPTL系統單和并聯蒸發(fā)器的熱載荷啟動特性的實驗研究結果表明:低工作溫度下,工質在蒸發(fā)器中會出現過熱現象,從而導致“爆炸沸騰”并造成壓力沖擊,且當熱載荷足夠高時行核點下游還會出現的“暫時性干燒”的不穩(wěn)定現象。依據工質在蒸發(fā)器出現沸騰的時間順序定義“階段性爆炸沸騰”和“一致性爆炸沸騰”。并聯蒸發(fā)器熱載荷啟動特性與單蒸發(fā)器相似,

3、但是工質在發(fā)生“爆炸沸騰”時還會在并聯蒸發(fā)器間進行能量的交換,情況將更加復雜。此外,本文還實驗研究了蒸發(fā)器上總熱載荷以及其內外環(huán)加熱比例,相等與不相等熱載荷以及不同工作溫度下對MPTL系統蒸發(fā)器熱載荷啟動時穩(wěn)定性的影響。
　　 二、運行穩(wěn)定性的實驗研究。該MPTL系統并聯蒸發(fā)器運行穩(wěn)定性實驗包括瞬態(tài)實驗和穩(wěn)態(tài)實驗。瞬態(tài)實驗結果表明:在工作溫度范圍之內,該MPTL系統中各種運行參數如:機械泵轉速、并聯蒸發(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)器溫度波動最大為1.5℃。穩(wěn)態(tài)實驗結果表明:在一定的系統流量和總熱載荷下,該MPTL系統并聯蒸發(fā)器間會出現“密度波脈動”的兩相流動態(tài)不穩(wěn)定性,當加熱載荷足夠高時其出口會出現溫度脈動?？偨Y實驗數據,我們獲得了此“密度波脈動”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周期()、聲速sound、蒸發(fā)器管長L、出口空泡率ε與其混合雷諾數ReMix的關聯關系。此外實驗研究和分析了蒸發(fā)器內外環(huán)加熱比例對

5、此“密度波脈動”影響。
　　 本文總結了MPTL系統并聯蒸發(fā)器的實驗發(fā)現:(1)在熱載荷啟動實驗中,工質過熱后出現的“爆炸沸騰”所產生壓力沖擊強度較小時,會引起蒸發(fā)器進口流量暫時性減少；壓力沖擊強度足夠大時,可引發(fā)形核點上游處工質在蒸發(fā)器內回流。此外,在熱載荷啟動工況中,初始形核點過熱度以及蒸發(fā)器上熱載荷分布對“爆炸沸騰”所產生的壓力沖擊強度有很大影響。初始形核點過熱度越大,壓力沖擊強度越高,工質回流和“暫時性”干燒現象就越劇烈

6、。當蒸發(fā)器外環(huán)熱載荷等于或高于內環(huán)時,“一致爆炸沸騰”發(fā)生的可能性增大,它會產生強大的壓力沖擊,這可能會對系統關鍵部件如機械泵和壓力傳感器造成損害。(2)在穩(wěn)態(tài)實驗中,蒸發(fā)器上熱載荷分布和工作溫度對“密度波脈動”有很大影響。當蒸發(fā)器外環(huán)(上游)熱載荷等于或高于內環(huán)(下游)時,密度波脈動幅度減小,穩(wěn)定性變好。隨著工作溫度逐步降低,密度波脈動區(qū)域加寬,穩(wěn)定性變差。
　　 工質在低溫工況小管徑或微小管徑流道直接熱載荷啟動時,均會由于過

7、熱而出現“爆炸沸騰”的不穩(wěn)定現象。本文使用板式換熱器上的加熱器對進入蒸發(fā)器前的過冷液體進行加熱,使其吸熱蒸發(fā)成為兩相流體,從而消除工質過熱現象。蒸發(fā)器增加熱載荷后沒有出現壓力沖擊或當熱載荷足夠大時出現的“暫時性干燒”現象,儲液器控溫穩(wěn)定,整個系統啟動安全可靠,這為設計類似小流道兩相流體回路系統提供工程參考意義。
　　 “密度波脈動”是兩相流系統中特別是并聯或多沸騰流道中最常見的動態(tài)流動不穩(wěn)定性之一,在該MPTL系統并聯蒸發(fā)器間同