CN112325495B - 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法 - Google Patents

一种瞬时高热流密度散热两相控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112325495B
CN112325495B CN202011066267.2A CN202011066267A CN112325495B CN 112325495 B CN112325495 B CN 112325495B CN 202011066267 A CN202011066267 A CN 202011066267A CN 112325495 B CN112325495 B CN 112325495B
Authority
CN
China
Prior art keywords
temperature
control loop
pump
preheater
evaporator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011066267.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112325495A (zh
Inventor
徐侃
于新刚
苗建印
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Spacecraft System Engineering filed Critical Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority to CN202011066267.2A priority Critical patent/CN112325495B/zh
Publication of CN112325495A publication Critical patent/CN112325495A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112325495B publication Critical patent/CN112325495B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/005—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle of the single unit type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/02—Arrangement or mounting of control or safety devices for compression type machines, plants or systems

Abstract

本发明公开了一种瞬时高热流密度散热两相系统控制方法，使用本发明能够利用多控制回路联合控制的方式对蒸发温度、工质过冷度、供液温度进行控制，达到瞬时高热流密度流动沸腾高效散热，同时保障系统在瞬时高热流冲击下的稳定性。本方法针对泵驱两相流体回路系统进行控制，由该系统分别构建蒸发温度控制回路、过冷度控制回路以及供液温度控制回路。蒸发温度控制回路的被控对象为储液器压力，目标为P0。过冷度控制回路的被控对象为冷凝器温度，目标为T2，供液温度控制回路的被控对象为预热器，由设置在蒸发器上游的第一温度传感器采集得到供液温度T1。若T1小于T0，增大预热器加热量为Q；当T1等于T0时，维持预热器加热量不变。

Description

一种瞬时高热流密度散热两相控制方法
技术领域
本发明涉及两相系统热控技术领域，具体涉及一种瞬时高热流密度散热两相控制方法。
背景技术
泵驱两相流体回路系统是利用工质在循环流动过程中的蒸发吸热和冷凝放热过程，进行热量收集、输运的热控系统。工质在循环泵的驱动下流入蒸发器，在进入蒸发器后工质吸收热量由单相变成气液两相状态，两相流体经过冷凝器释放热量后由气液两相变为液态，再进入循环泵，形成吸热、输运和放热的整个循环。
泵驱两相流体回路技术是目前解决大热耗输运、高热流密度散热、均匀一致性控温等问题的最有效的手段。国际上在机械泵驱两相流体回路技术(Pumped Two-phaseFluid Loop，PTFL)方面，多以宇航部门或大学等研究机构为主体。1997年，STS-85任务搭载NASDA和TOSHIBA研制的TPFLEX，为泵驱两相流体回路的首次空间搭载实验。2011年，采用泵驱两相流体回路系统的反物质探测器(AMS02)顺利升空，至今运行于国际空间站，为泵驱两相流体回路系统的首次在轨应用。国内在机械泵驱两相流体回路技术应用研究最早开始于反物质探测器(AMS02)的泵驱两相流体回路系统研究，中山大学、北京空间飞行器总体设计部等为其提供技术支持及相关部件的研制。2016年，北京空间飞行器总体设计部研制了高热流密度泵驱两相流体回路模块，搭载长征七号开展了在轨试验。此外，航天八院也开展了机械泵驱两相流体回路原理样机的研制。近年来，北京空间机电研究所，中国科学院，中航光电等分别开展了机械泵驱两相流体回路相关应用的试验研究。中国科学院研制的机械泵驱两相流体回路搭载货运飞船开展了在轨试验。
国内外目前尚没有关于泵驱两相流体回路系统控制方面的研究。但AMS-02两相系统氨泵故障，分析发现发生故障的原因是系统设计余量不够，两相回路控制设计不完善，没有将过冷度控制与目标温度控制关联起来，导致过冷度不足，使机械泵发生气蚀。目前，国内外关于泵驱两路流体回路的控制方面研究的报道，仅在稳态的储液器温度控制方面有较多研究，没有对过冷度、供液温度的控制及其关联性进行系统性研究，也没有瞬态热冲击控制的稳定性方面的报道。
泵驱两相流体回路是解决瞬时高热流密度散热的最有效手段，同时也面对一些稳定控制的难题。由于蒸发沸腾是一个非常剧烈的过程，瞬时高热流会导致蒸发器的温度、压力的剧烈波动，以及两相流体在输运过程中的不稳定性，从而引起控温目标的温度波动。综上所述，对瞬时高热流密度散热的泵驱两相流体回路系统的控制方法是两相散热系统技术的关键。因此，目前亟需一种能够在过冷度、供液温度、稳定性方面对瞬时高热流密度散热的泵驱两相流体回路系统进行有效控制的方法，以解决系统在瞬时高热流冲击下的稳定性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种瞬时高热流密度散热两相控制方法，能够利用多控制回路联合控制的方式对蒸发温度、工质过冷度、供液温度进行控制，达到瞬时高热流密度流动沸腾高效散热，同时保障系统在瞬时高热流冲击下的稳定性。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明提出一种瞬时高热流密度散热两相系统控制方法，针对泵驱两相流体回路系统进行控制，该系统由冷凝器、储液器、循环泵、回热器、蒸发器以及预热器组成，控制方法步骤包括：
针对泵驱两相流体回路系统分别构建蒸发温度控制回路、过冷度控制回路以及供液温度控制回路。
蒸发温度控制回路的被控对象为储液器压力P，控制储液器压力P目标为P0；
Figure BDA0002713826430000031
其中，f(*)为工质温度为*时所对应的饱和蒸汽压；DP为蒸发器到储液器之间的压差；P气蚀为循环泵的气蚀余量；|dP|为泵驱两相流体回路系统压力波动绝对值；ΔT为温度不确定度；T2为冷凝器温度，由设置在冷凝器下游、循环泵入口处的第二温度传感器采集获得；T0为实际蒸发温度，由设置在蒸发器下游的第0温度传感器采集获得。
过冷度控制回路的被控对象为冷凝器温度，控制冷凝器温度T2的范围如下：
Figure BDA0002713826430000032
供液温度控制回路的被控对象为预热器；由设置在蒸发器上游的第一温度传感器采集得到供液温度T1；若T1小于T0时，增大预热器加热量为Q：
Q＝cm(T1-T3)
其中，c为工质比热容；m为工质质量流量；T3为经回热器后的工质温度。
当T1等于T0时，维持预热器加热量不变。
有益效果：本发明提供了一种瞬时高热流密度散热两相控制方法，对泵驱两相流体回路进行控温，泵驱两相流体回路输运到蒸发器的工质温度为工质的饱和温度T0，当泵驱两相流体回路的压力稳定时，则该饱和温度为恒定的值。因为热冲击导致的蒸发器压力波动，通过储液器目标压力的控制可灵敏地进行稳定性调节，但蒸发器与储液器之间固有的传递阻尼使得储液器并不能及时完全地吸纳热冲击带来的波动，会表现出蒸发器表面温度的波动，使用本方法能使温度稳定性达到±0.6℃以内；同时，约10分钟后，控温重新达到稳定。
附图说明
图1为泵驱两相流体回路工程图。
图2为泵驱两相流体回路控温原理框图。
图3为控温稳定性实施效果。
图4为蒸发温度控制框图。
图5为过冷度控制框图。
图6为供液温度控制框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种瞬时高热流密度散热两相系统控制方法，包括以下主要步骤：
如图1所示，储液器中存储工质；储液器连接循环泵；工质由循环泵的驱动下经回热器和预热器流入蒸发器，在进入蒸发器后工质吸收热量由单相变成气液两相状态得到两相流体；两相流体经过回热器流入冷凝器，冷凝器连接循环泵；两相流体经冷凝器释放热量后由气液两相变为液态，再进入循环泵，形成吸热、输运和放热的整个循环；预热器用于为工质提供加热量。
如图1所示，瞬时高热流密度散热两相系统控制方法是基于泵驱两相流体回路系统开展的，所监控的温度为T0，T1，T2，监控的压力为P0；T0为实际蒸发温度，温度传感器布置在蒸发器附近靠下游，测量蒸发后的工质温度；T1为供液温度，温度传感器布置在蒸发器附近靠上游，测量进入蒸发器前的工质温度；T2为冷凝后的工质温度，温度传感器布置在冷凝器下游，泵入口附近；P0为储液器压力，压力传感器布置在储液器上。整个控温系统首先要确定的温度为T0，该温度与设备的控温需求相关，如一般TR组件、泵浦源等半导体器件的温度一般要求为20℃。确定T0之后，再按下述步骤逐一确定其它几个控制参数。
如图1和图2所示，第一步：将三路控制回路分解，分别建立各自的控制框图，明确各控制回路的执行器、被控对象及检测量。三者之间的关系为：蒸发温度控制回路和过冷度控制回路共同控制过机械泵工质的过冷度，保障系统的稳定运行，同时蒸发温度控制回路精确控制系统应用所需的蒸发温度T0；供液温度控制回路把蒸发温度作为目标进行控制，把进入蒸发器前的工质温度加热到蒸发温度T0。
第二步：蒸发温度控制回路被控对象为储液器，分解后的控制框图见附图4，蒸发温度控制是应用所需要的目标温度，其稳定性直接决定了热控系统性能，且作为过冷度控制的另一手段，需在剧烈变化的温度中，要保持高度灵敏性以满足两相系统稳定运行。
储液器是压力容器，储液器外壳为焊接的金属结构，两相系统在某蒸发温度T0下稳定运行时，回路中各个部件内工质的物态分布相对稳定。工况的改变会导致物态分布的变化，此时，储液器就需要容纳回路中多余的工质或者对回路所需的工质进行补给。如有瞬态高热流冲击蒸发器时，回路干度增大，工质进入储液器；当瞬态高热流关闭时，工质会从储液器内流出进入回路内。导致储液器温度改变的因素包括以下四个方面：
1)Q1：瞬态时回路中工质流进(或流出)储液器，给储液器带来的热量变化；只存在于瞬态过程中，稳态时其值为零。
2)Q2：环境通过对流和辐射的方式，给储液器带来的热量变化；取决于储液器和环境间的隔热情况、二者间的温差和储液器的外表面积。一般设计环境温度较高时，储液器应包覆保温材料，环境温度较低时，外表面不包覆，故认为此项只散热不吸热。
3)Q3：回路通过导热的方式给储液器带来的热量变化；取决于储液器与回路间的连接热阻和二者间的温差。由于流经储液器的工质均为过冷工质，故此项热量为流出。
4)Q4：通过储液器加热回路对储液器直接加热，本实施案例具体实施时在储液器外表面粘贴加热片。
由于温度与储液器压力有唯一对应关系：P0＝f(T0)-DP，即T0＝f-1(P0+DP)，因此，储液器控制具体方式为：
1)在稳态工况下，当实际蒸发温度低于目标温度T0时，由控制器控制储液器加热回路，增大加热量Q4，使储液器压力升高，实际蒸发温度趋近T0；由于稳态工况下Q1＝0，此时满足如下关系：Q4＝Q2(T0)+Q3(T0)，Q2和Q3均为T0的函数，因此Q4也是T0的函数，则Q4的调节量为，
Figure BDA0002713826430000061
则ΔT0为控温精度，实际情况下，由于温度测量远不及压力灵敏，因此将调节量写为压力的函数为
Figure BDA0002713826430000062
如本实施案例中，压力测量的分辨率可到1kPa，如氨工质在20℃时1kPa对应的温度为0.04℃，远优于温度传感器的分辨率0.1℃，因此，在Q4连续可调的情况下，对储液器压力的控制可以实现很高的控温精度0.04℃。高精度控温能力下，可以灵敏地实现控温稳定性。
2)瞬态大热流冲击时，Q1为热冲击和外界环境变化造成的储液器热量变化，根据热冲击剧烈程度、环境变化的剧烈程度，结合不同系统的承载能力，分析Q1值的大小；则Q4的取值满足如下关系：Q4＝Q1+Q2(T0)+Q3(T0)，则Q4的调节量为，
Figure BDA0002713826430000071
由于Q2和Q3均为稳定的值，在大热流冲击下，可以认为其变化为0，同样为提高控温灵敏度，以压力波动代替温度波动，因此将调节量写为压力的函数为
Figure BDA0002713826430000072
如本实施案例中，压力测量灵敏度极高，以毫秒计，控制回路的灵敏度取决于，加热量Q4以及压力对Q4的反应速率。在Q4足够大的情况下，对储液器压力的控制可以实现很高的控温灵敏性，但加热器太大会因为热惯性的原因，导致高温过冲，因此要结合工程实际对加热能力进行设计，一般不过冲1℃。然而，由于瞬态高热流冲击蒸发器时，下游干度增大，则蒸发器到储液器的流阻DP也随之增大，对储液器的压力P0控制无法及时反馈该部分压力的变化，因此T0在热冲击下仍然会产生一定的波动。本实施案例中，温度波动为±0.6℃。
3)当过冷度不足时，即冷凝温度T2对应的饱和蒸汽压f(T2)与气蚀余量P气蚀、压力不确定度|dP|、温度不确定度引起的压力波动
Figure BDA0002713826430000073
之和超过储液器控制的目标压力P0时，会引起泵气蚀，回路不稳定，此时，以控制回路稳定为目标，将压力控制为二者的较高值，即压力目标为
Figure BDA0002713826430000074
第三步：过冷度控制回路被控对象为冷凝器，执行器为冷凝器的温控阀，分解后的控制框图如图5所示，过冷度控制是维持系统稳定运行的关键。具体控温方式如下：
冷凝温度为T2，温度设置值为
Figure BDA0002713826430000081
当实际冷凝温度高于设置值时，由控制器调节温控阀，使实际冷凝温度T2降低，当实际冷凝温度低于设置值时，由控制器反向调节温控阀，使实际冷凝温度T2升高；根据泵的气蚀余量，分析系统压力和温度不确定性，本实施案例中将T2设置为(T0-5)℃。当过冷度不足又来不及调节时，由下述储液器控制回路来保证过冷度。
第四步：供液温度的控制回路控制进入蒸发器的工质温度，控制好供液温度可以有效提高散热性能，当进入蒸发器的供液温度为饱和态时，可以获得最高的流动沸腾散热性能。分解后的控制框图如图6所示，被控对象为预热器，执行器为预热器加热回路。具体控温方式如下：
(1)由于蒸发器上下游压差即该流量和热耗下，蒸发器的流阻ΔP，供液温度T1＝T0+f-1(f(T0)+ΔP)，如对于氨工质，蒸发器上下游流阻为52kPa时，设置T1＝T0+2℃。加热量的最大值应为过回热器后的工质到饱和态的显热，
Q＝cm(T1-T3)
预热器下游实际温度低于饱和温度T1时，由控制器增大加热器回路的加热量，预热器下游实际温度高于饱和温度T1时，则反向操作，降低加热量。
本案例的泵驱两相流体回路测试过程中，实际加热常值热耗500W，瞬态周期热耗700W，温度稳定性可以达到±0.6℃以内。升温控温的响应速率较快，降温控温速率较慢，约10分钟后，控温重新达到稳定，如图3所示。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种瞬时高热流密度散热两相控制方法，针对泵驱两相流体回路系统进行控制，所述系统由冷凝器、储液器、循环泵、回热器、蒸发器以及预热器组成，其特征在于，所述控制方法步骤包括：
针对所述泵驱两相流体回路系统分别构建蒸发温度控制回路、过冷度控制回路以及供液温度控制回路；
所述蒸发温度控制回路的被控对象为储液器压力P，控制储液器压力P控制目标为P0；
Figure FDA0003283609600000011
其中f(*)为工质温度为*时所对应的饱和蒸汽压；DP为蒸发器到储液器之间的压差；P气蚀为循环泵的气蚀余量；|dP|为泵驱两相流体回路系统压力波动绝对值；ΔT为冷凝器温度不确定度；T2为冷凝器温度，由设置在冷凝器下游、循环泵入口处的第二温度传感器采集获得；T0为实际蒸发温度，由设置在蒸发器下游的第0温度传感器采集获得；
所述过冷度控制回路的被控对象为冷凝器温度，控制冷凝器温度T2的范围如下：
Figure FDA0003283609600000012
所述供液温度控制回路的被控对象为预热器；由设置在蒸发器上游的第一温度传感器采集得到供液温度T1；若T1小于T0时，增大预热器加热量为Q：
Q＝cm(T1-T3)；
其中c为工质比热容；m为工质质量流量；T3为经回热器后的工质温度；
当T1等于T0时，预热器加热量维持不变。
CN202011066267.2A 2020-09-30 2020-09-30 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法 Active CN112325495B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011066267.2A CN112325495B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011066267.2A CN112325495B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112325495A CN112325495A (zh) 2021-02-05
CN112325495B true CN112325495B (zh) 2021-11-19

Family

ID=74314538

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011066267.2A Active CN112325495B (zh) 2020-09-30 2020-09-30 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112325495B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113473822B (zh) * 2021-09-01 2021-11-23 中兴通讯股份有限公司 两相液冷测试系统和方法
CN115377778B (zh) * 2022-10-24 2023-02-07 中国航天三江集团有限公司 基于两相流体的光纤激光器热控装置及方法
CN115942708B (zh) * 2022-12-26 2024-02-02 北京微焓科技有限公司 一种两相流体回路的控制方法及控制装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7900468B2 (en) * 2007-07-11 2011-03-08 Liebert Corporation Method and apparatus for equalizing a pumped refrigerant system
DK2543242T3 (da) * 2010-03-03 2014-06-10 Parker Hannificn Corp Kondensator-bypass til tofaset elektronisk kølesystem
CN202158621U (zh) * 2011-06-30 2012-03-07 艾默生网络能源有限公司 高热流密度节能制冷系统
CN104483147A (zh) * 2014-12-02 2015-04-01 北京空间飞行器总体设计部 一种两相流体回路真空热性能试验装置
CN105972893A (zh) * 2016-05-10 2016-09-28 合肥天鹅制冷科技有限公司 特种车用宽温空调
CN106325322B (zh) * 2016-09-22 2018-04-10 北京空间飞行器总体设计部 一种泵驱两相流体回路用两级控温装置
CN107454797B (zh) * 2017-06-27 2019-09-27 北京空间飞行器总体设计部 一种用于高热流电子器件散热的泵驱两相回路装置
CN111102761B (zh) * 2019-12-13 2021-07-13 北京空间飞行器总体设计部 一种基于热泵的泵驱两相流体回路控温系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112325495A (zh) 2021-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112325495B (zh) 一种瞬时高热流密度散热两相控制方法
Pratt et al. Thermocapillary effects on the stability of a heated, curved meniscus
Zhang et al. Review of recent developments on pump-assisted two-phase flow cooling technology
Lin et al. Experimental investigation of a dual compensation chamber loop heat pipe
Wang et al. A highly self-adaptive cold plate for the single-phase mechanically pumped fluid loop for spacecraft thermal management
Wang et al. Comparative study of the heating surface impact on porous-material-involved spray system for electronic cooling–an experimental approach
Bai et al. Theoretical analysis of steady-state performance of a loop heat pipe with a novel evaporator
Bai et al. Startup characteristics of a dual compensation chamber loop heat pipe with an extended bayonet tube
Furst et al. An additively manufactured evaporator with integrated porous structures for two-phase thermal control
US6742347B1 (en) Feedforward control for absorption chiller
Zhang et al. Simulation of evaporation and sublimation process in porous plate water sublimator based on a reduced CFD model
HAMDAN Loop heat pipe (Lhp) modeling and development by utilizing coherent porous silicion (Cps) wicks
Liu et al. Experimental investigation on mechanical pumped cooling loop for application in future space missions
Huang et al. Coupling between an accumulator and a loop in a mechanically pumped carbon dioxide two-phase loop
Cotter et al. Status report on theory and experiments on heat pipes at Los Alamos
Ku et al. The Hybrid Capillary Pumped Loop
Gellrich et al. Two-degree-of-freedom heater control of a loop heat pipe based on stationary modeling
Chang et al. Thermal performance of pump-assisted loop heat pipe using R245fa as working fluid
Sakamoto et al. Development of Two-Phase Mechanically Pumped Fluid Loop with Large Isothermal Evaporator using Porous Wick Structure
Riehl Extensive development of the loop heat pipe technology
Nagai et al. Design for large isothermal evaporator mounted on two-phase mechanically pumped fluid loop
Verlaat Controlling a 2-phase CO2 loop using a 2-phase accumulator
Kim et al. Experimental study of a reversible loop heat pipe
Sahuquet et al. Particle Flow Distribution in a Fluidized-Particles Multitube Solar Receiver
van Es et al. Accumulator testing in multiple on-ground orientations for a small Mechanically Pumped Two-phase Loop (MPTL) for CCD thermal control

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant