机械泵驱动两相冷却系统启动特性的实验研究

机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵为驱动力的封闭式相变传热设备。该研究首先对该系统启动的加热增压、机械泵启动和热载启动三个阶段进行实验分析,并通过系统各主要参数的变化发现启动过程中将产生液体过热现象,并且有较大的压力冲击。然后通过大量实验对与过热度有关的启动温度、流量和启动热负荷进行比较分析,得出启动温度越低,产生的过热度越大的结论。最后对蒸发段在气态条件下启动进行实验研究,结果表明此时过热度要大于液体启动的过热度。

并行蒸发器机械泵驱动两相冷却系统特性的实验研究

机械泵驱动两相流冷却系统是一种新型的航天电子发热元件的冷却环路,其实验研究较少。文章通过启动实验和周期性边界实验对系统基本特性进行研究,结果表明:启动过程蒸发段上下两侧保持稳定状态,工质在各蒸发器支路温度都呈现从液态单相到过热液态再到两相的变化趋势,并且过热时间略有不同,这主要是由于管路布局不同和以及重力作用的影响;周期边界温度变化实验表明即使在冷凝器的边界温度波动超过30℃的条件下系统仍然保持良好的散热,并且在总长度约12米的蒸发段保持小于0.5℃温差。

CCD器件用机械泵驱动两相流体回路仿真与试验

电荷耦合元件(CCD)作为航天光学遥感器的核心部件之一,其工作性能受温度影响很大,传统的热控产品难以满足大功率CCD的精密控温需求。通过仿真与试验系统研究了机械泵驱动两相流体回路(MPTL)用于CCD控温时的启动特性、运行状态、内部工质的流动及传热特性。结果表明:MPTL可以通过干度的调节来吸收冷凝器外热流和CCD工作模式的影响; MPTL的控温精度可以达到±1℃,蒸发器并联支路、蒸发器负载和冷凝器温度在一定范围内变化等均不会对系统运行稳定性产生影响,其仍可将CCD器件控制在所需温度;通过仿真与试验对比,发现仿真模型的误差在±1℃以内,验证了模型的有效性和准确度。MPTL可以很好地满足航天光学遥感器CCD的控温要求,能够保证CCD始终具有较好的温度稳定性和均匀性,且系统具有良好的运行特性和鲁棒性,其在CCD精密控温方面具有很好的应用前景。

机械泵驱动分离式热管应用于空调冷量回收

为了探究机械泵驱动分离式热管对空调系统冷量回收和除湿能力的影响,搭建了四组该热管系统进行实验,其循环工质为R134a。在入口空气干球温度28.5℃、相对湿度60%的条件下,当运行热管由0增加到4组时,系统的机器露点由11.7℃降到8.2℃,供风温度由11.7℃升到24.1℃,系统的除湿能力增加了29.5%。指数δ(热管系统回收的冷量与制冷机蒸发器的制冷量之比)达到66.0%。研究结果表明,机械泵驱动分离式热管可以显著提高空调系统除湿能力,降低系统能耗。

机械泵驱动回路式热管阻力特性的试验研究

在空间应用的背景下由于热源发热量增加、热流密度的增大以及散热回路日趋复杂,用机械泵为驱动力的回路式热管系统逐渐引起各国热控科研人员的重视。阻力特性直接影响到散热系统工作性能,文中首先对该技术的工作原理及系统阻力进行计算分析,并在以CO2为循环工质的试验台上对系统的阻力特性进行试验研究,结果证明以机械泵为驱动力的环路式热管系统质量流量与系统压降为单调二次对应关系,与单相循环系统的阻力曲线形式较一致,从而使得系统具有运行稳定可靠和高控温精度的特点。

机械泵驱动冷却回路在模拟航天温度边界下散热能力分析

对机械泵驱动两相冷却系统在模拟太空工作的边界问题条件下散热能力和工作特性进行实验研究,从而得到结论:当系统的热负荷较小而边界温度较低时,放热量变大使系统平均温度降低,造成蒸发段温度无法控制,冷凝器的温度也可能会降到低于工质的凝固点冻结,冷凝段管路也将因固态工质堵塞而无法循环,此时需采取降低储液器设定温度的方法来减小系统的放热量。当系统的热负荷较大而边界温度较高时,系统在冷凝器的放热量较小而使得热负荷无法完全释放时,系统的平均温度上升,造成泵的入口温度达到工质的饱和温度,产生的气泡有可能会对机械泵内的部件产生气蚀,并引起机械泵工作不稳定,无法保证设定的流量循环。实验结论为该类系统的设计与应用提供了可靠的依据。

机械泵驱动两相冷却系统工作点温度控制

对系统的控温原理和主要方法进行理论阐述,从而确定采用对储液器温度的主动式控温方法实现对蒸发段工作温度的控制思路。提出"回路直接冷却"和"半导体制冷片——系统回路协同工作"这2种储液器温度控制方法,并且对其控温精度和降温速度等技术进行实验研究。结果表明,改进前,采用"冷回路"向储液器漏热并结合加热器实现温度控制的设计方案控温精度仅为±0.4℃,且在需要快速降低蒸发段工作温度时较难实现;改进后,采用半导体制冷片同系统管路协同运行的方法不仅可控性大大增加,而且降温速度从原来的0.12℃/min提高到0.36℃/min。在模拟外太空边界温度波动幅度的条件下,改进前、后温度控制方法蒸发段的控制精度分别为±0.4℃和±0.1℃,从而克服了该类系统在工作温度控制中降温速度慢、控温精度低的缺点,并可推广到热管、毛细泵驱动回路等类似的航空航天两相冷却系统中。

机械泵驱动两相回路的储液器控温策略研究

本文阐述了一种机械泵驱动两相回路的储液器的控温原理,并对待选的两种控温策略进行了解释:一种是基于电压的PI控制,另一种是基于功率的PI控制。文中将它们作了近似等效转换,并用SINDA/FLUINT软件进行模拟。结果显示:当控温点上升时,两种不同控制策略的控温效果大体一致;但当控温点下降时,由于基于功率的PI控制策略包含有Peltier的制冷功能,可以比基于电压的PI控制策略更快到达控温点。另外,基于功率的PI控制策略在死区内的跳跃更少,其应当为优先选择的控制策略。

机械泵驱动两相回路的实时动态模型分析

在航空航天领域,为了加速系统设计及测试进度,通常需要进行半实物实时仿真,即控制器用实物,受控对象采用数学模型。本文开发出了基于Matlab/Simulink的两相传热模块,并用其搭建了某机械泵驱动两相回路的实时动态模型。通过与实验的对比,验证了模型的可靠性,表明该模型满足实时要求,可以在下一步用于半实物仿真。

航天遥感器用机械泵驱动两相流体回路工作特性试验研究

为了提高航天遥感器的成像指标,光学探测器组件在工作期间需满足较低温度变化和较高温度稳定度的条件,传统的热控产品逐渐难以满足大功率探测器组件的精密控温要求.机械泵驱动两相流体回路(MPTL)具有控温精度高、传热距离远、传热功率大等优点,特别适合航天遥感器的高精度热控.为了深入研究核心探测器组件开机和关机时对MPTL系统工作特性的影响,本文搭建了航天遥感器用MPTL模拟实验装置,该装置使用具有被动冷却功能的两相控温型储液器作为系统的控温组件,并采用屏蔽式离心泵作为系统的驱动装置.本文通过温度、压力、流量等数据研究了储液器内部热力学变化特性、主回路与储液器之间的传热传质过程以及系统主回路的运行特性.本文重点关注了系统相态转变过程、热源开机和关机时系统的不稳定现象,并提出了减小系统不稳定性的措施.本文还研究了热源功率变化时系统主回路与储液器的工作特性.结果表明,被动冷却型储液器内气相和液相形成了一定的温差,通过温差保证了储液器冷量的供给;热源正常工作期间,蒸发器温度的稳定性和均匀性较好,为相机的稳定成像提供了良好的边界条件;热源开机和关机时,储液器内温度和压力、系统的流量和流阻会发生变化;预热器加载功率的变化会影响系统相变转变过程的稳定性;热源功率的变化会对储液器和主回路的工作状态产生影响.本文研究对航天相机用MPTL系统的设计和应用具有指导意义.

新型空间机械泵两相流冷却系统周期波动温度边界下的散热特性实验研究

分析了机械泵驱动两相流冷却系统的工作原理、数学模型以及主要参数。在CO2为循环工质的实验台上,对机械泵驱动的主动式两相流冷却系统的主要部件的温度分布特性、阻力特性和流量特性进行了实验研究。对系统的热量传递特性进行计算分析。研究结果表明:冷凝边界的温度波动接近于30℃,在沿10 m的蒸发段,进出口温差能够保证小于0.3℃,温度随时间的波动小于0.4℃。分析表明,机械泵驱动两相流冷却系统具有较高的等温性和较稳定的传热特性;以机械泵为驱动力使得机械泵驱动两相流冷却系统以较小的能耗就能实现较大的热量传递,使主动式热控系统的工作能力得以提高。

机械泵两相冷却系统过热现象的实验研究

机械泵驱动两相冷却系统是一种以机械泵为驱动力的封闭式相变传热设备。在对该系统进行研究过程中发现,当启动蒸发器热负荷时,在蒸发段出口将产生明显的过热现象,并且有较大的压力脉。通过对大量实验对与过热度有关的启动温度、流量和启动热负荷进行比较分析,得出启动温度越低,产生的过热度越大的结论:启动温度越低,启动需要的过热度相对要大;其次,热流密度越大,过热时间维持的越短;最后,从过热状态到两相状态的闪蒸过程将系统的阻力发生较大变化,流量越大压力脉冲越高。

半导体制冷在机械泵热管控温中的应用

机械泵驱动环路式热管冷却系统是近年来空间散热的研究热点,其工作点的温度控制,特别是对降温速率的控制一直是一项技术难题。新型的设计结构将系统回路同半导体制冷片有机结合,既可以保证热端热量即时释放,又能对储液器有效冷却。通过验证,该方法切实可行且效率较高。

泵驱动两相流体回路流量漂移现象的实验研究

针对因机械泵驱动两相流体回路(MPTL)特有的流量漂移现象导致的系统流量降低,使蒸发器出现蒸干的危险等问题,用实验对一定热负荷功率和初始流量下流量漂移现象进行了研究。设计了实验装置,选择初始流量和热负荷功率为实验因素,在不同初始流量和热负载功率的水平下,通过测量热负荷开始加载时至系统达到热平衡后的流量变化,并结合流量漂移过程各实验参数变化曲线,研究了泵驱动两相流体回路的流量漂移,进行了流量漂移实验,分析了实验因素对流量漂移的影响、流量漂移量与系统运行参数的关系,以及流量漂移中流型的变化。结果表明:在一定的热负荷功率下,初始流量越小,归一化流量漂移量越大;在一定的初始流量下,热负荷功率越大,归一化流量漂移量越大。实验还给出了流量漂移量与蒸发器出口含气率正相关的曲线,表明流量漂移量与系统阻力呈高度线性关系,并证明了流量漂移过程中系统管路中出现的流型变化。

高热流密度航空电子泵驱两相流冷却系统实验研究

航空应用领域正面临着高功率、高热流密度的电子设备冷却难题,传统的单相液冷散热方式已无法应对大于100 W/cm^(2)热流密度的散热需求。本文搭建了泵驱动两相冷却系统地面实验台并设计了系统控制策略,测试系统在多种散热工况下的散热能力和阻力特性并归纳数学模型。结果表明:机械泵驱动两相散热系统散热性能良好,设计的紫铜材质冷板可有效应对热流密度为120 W/cm^(2)的6 kW集中热源。泵驱两相系统可有效冷却10 kW的热源,在相同的运行状态下所需工质质量比单相散热系统所需工质质量减少70%。发热元件表面温度可以稳定在63~70℃之间,满足芯片表面温度要求,且蒸发器整体的温度均匀性良好,各支路间温差在5℃以内。系统相变段阻力在400 kPa以下,阻力特性可由Kim和Mudawar模型描述。

大功率空间激光载荷短时散热系统实验研究

大功率激光载荷在空间应用时具有瞬时热流密度高、工作时间短、间歇性工作的特点。为确保其高性能的工作,需要高效地解决激光载荷的热量获取、传递及排散问题。但受限于航天器有限的散热面面积,其散热能力往往难以满足大功率激光器的瞬时散热需求,而相变储热作为一种利用相变潜热的高效储热方式,可以解决航天器热控系统在供给侧和需求侧时空不匹配的问题。机械泵驱两相流体回路(Mechanically Pumped Two-phase Loop,MPTL)具有高效的传热效率和很强的传热能力,是解决大功率热量获取和传递的先进技术。文章针对大功率空间激光载荷的散热需求,将相变储热和两相传热技术相结合,提出基于固液相变储热和气液相变传热的短时大功率散热方案,完成了散热系统研制及性能测试。实验结果表明,散热系统能够很好的满足大功率激光载荷的散热需求,实现了12kW大功率载荷短时间稳定运行,具有很好的工程应用前景。

二氧化碳两相冷却系统的特性

将CO2作为新型机械泵驱动两相流冷却系统的循环工质研究其在两相区的工作特性.在对该系统的各个重要组成器件和工作原理进行阐述后,通过实验对系统在变热负荷变流量条件下的动态响应特性进行研究,并由实验数据对储液器与主回路之间的热质交换进行分析.结果表明:由于系统参数和边界条件的改变引起储液器内气液相界面的震动,使得系统的绝对压力有所变化,从而引起储液器内处于两相状态工质温度的变化,而储液器的温度决定了蒸发器的温度,所以在流量改变和热负荷变化的时候蒸发器内工质会产生温度的脉动;由于CO2具有稳定的化学性质和良好的热力学特性,特别是在饱和态下比其他制冷剂更小的液/气密度比,使其作为机械泵驱动环路式热管系统的循环工质不仅减小了系统的设计体积和质量,而且能够实现长距离复杂回路小温度梯度均匀的散热效果和稳定的工作状态.

两相冷却系统过热现象与启动温度关系分析

在以二氧化碳为工质的新型空间两相流冷却系统-机械泵驱动两相流冷却系统的实验过程中发现,在热量加载的同时在蒸发器出口将有过热现象产生。进一步的实验研究得出结论当启动过程蒸发温度越低,蒸发器出口的过热度也就越大,同时从过热状态变为两相状态所产生的压力脉冲也越大。通过经典核化理论的角度分析指出该现象的产生主要和工质的物性有关,又统计物理学和动力学成核理论方面分析指出随着蒸发温度的升高,核态沸腾产生气泡的直径变小,所以需要更少的热量就能推动从过热的亚稳态到更加稳定的两相状态的转变。

并行蒸发器两相冷却系统支路散热不平衡性的实验研究

对并行蒸发器机械泵驱动两相流冷却系统各个支路散热量不平衡条件下散热特性进行实验研究,结果表明并行蒸发段各支路的流量分配同管路的阻力有关,当上下两侧蒸发器的热量不平衡时,质量流量的分配始终是一个动态的变化过程,其中,热负荷较大的一侧,阻力不断增加,流量逐渐减小,而热负荷较小的一侧流量在不断变大,并且热量差越大,流量差变化越快;当减小并行支路的热量差有利于蒸发段的散热平衡,热量差越小,系统散热稳定性越强。同毛细泵驱动的两相冷却系统相比,机械泵驱动的两相流冷却系统的散热性好,等温性高,热不平衡处理能力强,并行支路热负荷之差可以达到100多倍,并且能够保持较长的稳定运行。

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学(CFD)方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。