不同加热方式下环路热管蒸发器补偿器的可视化

为了探索不同加热方式对环路热管的启动及稳定运行性能的影响,对环路热管的蒸发器补偿器进行了可视化试验研究。环路热管以R245fa为工质,充液率为50%,分别采用了三种不同的热负载施加方法：蒸发器顶部加热、蒸发器上下同时加热、蒸发器底部加热。根据启动过程中蒸发器空腔内的主要相变模式不同,对应地分为3种启动模式：蒸发启动模式、蒸发沸腾混合启动模式、沸腾启动模式。结果发现：在5W启动过程中,蒸发沸腾混合模式和沸腾模式下的启动速度最快,并在蒸发器空腔气体槽道出口处伴有气泡溢出,分别历时760s、1180s,远小于蒸发启动模式的2370s。分析可知,环路热管的启动速度与蒸发器空腔内的初始液面及其平均液体消失速度密切相关。另外,为研究蒸发器空腔内液相工质的沸腾,对不同的启动模式下空腔内的气泡生长进行了探索。在稳定工况中,同热负载下不同加热方式的环路热管的热阻及补偿器液面高度都不相同,其中底部加热方式的环路热管热阻最小。经分析发现,同热负载下不同加热方式会影响蒸发器内液相工质的蒸发效率,同时也会改变补偿器液面高度和蒸发器向补偿器的漏热,进而影响环路热管性能。     

热负荷分布对双蒸发器环路热管传热性能的影响

针对各自带液体补偿器的双蒸发器环路热管,采用模块化建模方式,数值模拟了不同热负荷分布下蒸发器毛细芯内的温度分布,确定了最优负荷分布模式以及系统传热极限。结果表明:施加于双蒸发器上的热负荷将同时影响双芯的温度变化,最优的热负荷分布模式为等热量分布。在一定的热沉温度下,并联双蒸发器环路热管的传热性能要明显优于单蒸发器环路热管,并以此求得该模型的传热极限为130 W,远大于同尺寸单蒸发器环路热管的传热极限37 W。     

平板型小型环路热管的温度波动特性

环路热管(LHP)是一种靠蒸发器内的毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置。本文研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管（mLHP）,mLHP的毛细芯为25 μm不锈钢丝网,工质为甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性,实验结果表明,mLHP在1.5～4 W·cm^-2的热通量范围内容易发生温度波动;还研究了倾角以及充灌量等对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。     

平行流热管管内两相流动可视化实验研究

平行流热管换热器综合热管轴向高效换热和平行流换热器管外高效换热的优点,是一种新型的热管换热器。为了研究平行流热管工作机理及管内流动过程,搭建了平行流热管可视化实验台并对不同结构参数、不同加热功率和不同充注工质下的启动特性和传热传质规律进行了实验研究。实验结果表明：平行流热管工作机理复杂,并联管路内气柱和液柱在重力和不平衡压力的共同作用下进行互激振荡流动,并且管内出现泡状流、弹状流、环状流等多种流型,同时较高的加热功率和较大的管径会加剧工质在并联各管路之间的往复振荡,增加工质在蒸发段和冷凝段的扰动,提高热管的换热性能。     

倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响

针对多通路并联回路板式脉动热管建立实验台,采用铜质模块加热和水浴冷却方式作为热工条件,着重考察脉动热管在不同倾角（90°,75°,60°）及冷却工况（4.5 g·s^-1和9.0 g·s^-1）下的传热性能,通过壁面温度的振荡和传热热阻来评价其传热效果。实验结果表明,重力对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响较大,随着倾角的减少,工质的回流变弱,传热热阻变大,传热极限变低;脉动热管的加热功率与冷却能力是相互匹配的,匹配度越高,脉动热管越不易干烧,传热极限越高,在有倾角的工况下提高传热极限表现得更为明显;脉动热管运行时存在一个最佳水流量,在最佳冷却工况下,脉动热管的运行热阻最低。     

多蒸发器毛细泵回路热管的反重力工作特性

毛细泵回路(CPL)热管具有传热能力高、控温能力强等优点,可以实现小温差、长距离、无附加动力的热量传输,在航天器热控系统和电子器件冷却方面具有广泛的应用。利用自行设计的多蒸发器CPL系统,通过反重力布置时多蒸发器CPL的启动运行实验,分析了多蒸发器CPL的启动工作特性和稳定运行时的热管热阻。结果表明,多蒸发器CPL在反重力布置时具有良好的启动特性,多蒸发器共同工作时,运行稳定、温度分布均匀,可适应多种工况的要求。     

变管径单回路脉动热管传热特性数值研究

为了探究变管径结构对脉动热管传热性能及传热极限的影响,以水为工质,在不同加热功率、不同充液率工况下,对变管径单回路脉动热管传热特性进行了数值模拟,研究了变管径结构对温度特性、传热热阻及传热极限功率的影响规律,并与常规脉动热管进行了对比分析。研究结果表明:变管径热管在脉动过程中的脉动振幅较小,具有良好的均温性。变管径结构的设计有利于降低单回路脉动热管的热阻,提高其稳定运行时的脉动频率,随着充液率的增加,该优势更加明显。另外,使用变管径结构可以增加脉动热管内液膜的再湿润程度,从而提高脉动热管的传热极限。     

强化相变驱动的环路热管蒸发器可视化实验台建立及实验

以研究强化相变驱动的环路热管的传热机制为目的,设计了一种带有相变空间的新型结构可视化平板热管蒸发器,实验研究了相变空间高度对热管蒸发器启动时间的影响与加热功率对其启动传热特性的影响,并观察了启动过程中工质在相变空间内的相变特性。实验结果:在不同相变空间高度情况下,实验蒸发器系统的启动时间存在明显差异,当相变空间为1mm时,系统启动时间较短,工质不易出现干涸现象。并且在启动加热功率不同时,系统启动热阻也不同,更高的加热功率对应更低的整体热阻。通过可视化实验的观察与分析,为建立环路热管相变驱动机制的可行性研究奠定了基础,为建立描述这一驱动机制的数学模型提供了实验依据。     

不同灌充率对一种新型环路热管运行特性的影响

环路热管作为一种利用工质相变传输热量的装置,被广泛应用于电子器件散热。研究表明在环路热管运行中,蒸发相变产生的气相压头不能忽略。本环路热管与毛细力热管的区别在于,将吸液芯与蒸发器底板分离,专门形成一个蒸发腔,工质的相变发生在蒸发腔内,以此增大气相压头驱动工质循环。实验研究了在不同灌充率（15%～85%）下的热管运行特性。结果表明：突出气相压头的环路热管可以在较宽泛的灌充率（20%～75%）下正常运行,并且存在最佳的灌充率（35%）,可使蒸发器底板温度在65.1℃运行。通过不同灌充率的实验研究,可以为承担不同热负荷散热的环路热管设计优化提供参考,并指导后续的实验研究。     

用于高热通量电子散热的平板环路重力热管

为解决高热通量电子设备散热问题,设计一套蒸发器上下表面由多个方柱相连的平板型环路重力热管（LGHP）。通过实验研究其换热性能,包括在不同加热功率下平板热管的传热特性及均温特性,以及蒸发器摆放方式和不同种工质对平板热管传热性能的影响。实验结果表明,环路热管工质采用R134a的工作性能比R600a好,平板竖直放置比水平放置好。采用R134a且竖直放置时,其临界热通量（CHF）可达212.3 kW/m²,对应传热系数为16.2 kW/（m²·K）。该平板换热器可以保证电子设备工作温度不超过60℃,且运行过程中平板蒸发器与热源接触的壁面各测点间除出口处外温度差值小于5℃,均温性能优异。     

理想范围内充液率对环路热管温度振荡的影响

为研究充液率对平板式环路热管（flat loop heat pipe,FLHP）温度振荡的影响,设计并制造了一类带有透明蒸发器外壳的平板式环路热管,以实现蒸发区域、吸液芯和储液槽内蒸汽与液体流动的可视化研究。实验通过改变充液率对环路热管的启动和运行特性进行分析,发现在低热负荷条件下,当充液率较低时的环路热管运行温度出现第一类周期性振荡,而充液率增高后的环路热管运行温度则出现第二类周期性振荡,两种振荡的区别在于储液腔内是否存在干涸现象。而对应的可视化研究揭示该类环路热管低负荷时储液槽内液体回流出现了不连续现象,这意味着管内工质动态分布不均并最终导致了温度振荡。同时随着热负荷的提高,环路热管内部工质动态分布亦趋于稳定,温度振荡得以改善。研究表明：针对该类环路热管,52%的充液率综合性能最优,其温度振幅较小,且能在更低热负荷下进入稳定状态并同时具有较低的壁面工作温度。     

多尺度复合毛细芯环路热管的传热特性

为解决环路热管在蒸发腔不同区域对于毛细芯孔径尺度和热导率的不同需求, 制备了一种多尺度复合毛细芯环路热管, 并在不同加热功率、放置角度和冷却方式下对环路热管进行了热性能测试。实验发现该环路热管具有较好的传热性能, 在200 W加热功率下, 蒸发腔壁面中心温度T_c最低仅为64℃。与风冷方式相比, 冰冷方式可以显著强化环路热管的传热性能, 降低T_c和热阻。热阻最低为0.19 K·W^-1。同时冰冷方式也有利于改善均温性。当加热功率不同时, 放置角度对环路热管温度及热阻的影响有所不同。另外, 多尺度复合毛细芯的应用有效地降低了热泄漏。随着加热功率的增加, 放置角度不同的LHP的热泄漏变化趋势不同。     

双通道平板型环路热管的传热特性

以铜为主要材料、超纯水为工质研发了双通道平板型环路热管。分别在双通道环路热管的两根液管上安装阀门,通过阀门的开关,实现双通道平板型环路热管和单双道平板型环路热管的互相转换。通过实验,发现双通道平板型环路热管的传热性能比单通道平板型环路热管要好。在热源的加热量为30W时,蒸发器温度的降幅可达10℃。在不同的功率下,双通道环路热管比单通道环路热管总热阻的下降幅度在20%以上。但双通道平板型环路热管的总热阻与单通道平板型环路热管相比,降幅并没有达到50%,这是由于采用双通道的形式,只能减小通道压降造成的热阻以及冷凝热阻,但不能减小蒸发器热阻。     

高性能柔性环路热管设计与热特性分析

面向大功率、远距离复杂空间布局和相对移动等散热问题,设计制作了一种高性能柔性环路热管。以氨为工质,采用聚四氟乙烯(PTFE)材料作为毛细芯,在气液传输管线中耦合了不锈钢编织内衬平滑型PTFE金属软管。以薄膜加热器作为模拟热源,冷却循环水作为冷源,实验测试和评估了热管的传热性能,主要包括启动、加热功率增量测试、热阻和传热量。结果表明,样机具有良好的启动特性和传热性能,对功率的切换响应迅速平稳。能够在超过3.97m有效传输距离下实现最大传热量大于700W,系统热阻小于0.01K/W,工作温度小于35℃。为了更好地评估环路热管(loop heat pipe, LHP)设计的合理性,对稳态运行时环路各部件流动压降进行了计算比较。分析发现气体管线管径是主要影响因素,软管的应用不会显著增加系统流动阻力,相对于其提供的柔性是占优的。     

平板形蒸发器环路热管的研究进展

环路热管是一种高效的传热装置。与其他传统的热管相比,其最大的优势是传热距离大、可反重力运行。对环路热管进行总结和回顾,既有利于推进环路热管基础理论的发展,也可促进新型、高效环路热管的开发与利用。本文根据蒸发器的形状对环路热管进行了分类,全面系统地介绍了近五年国内外关于平板形蒸发器环路热管的实验研究和理论模型研究进展,包括吸液芯结构设计、工质选择、蒸发器优化、蒸发器的模型研究及环路热管系统的模型研究,分析了6种吸液芯结构各自的优缺点与应用现状,比较了几种常见工质及3种常规平板形蒸发器环路热管系统模型之间的差异。最后对平板形蒸发器环路热管的研究现状进行了总结,并对未来其在实验研究和理论模型研究方面提出了科学的分析与展望。     

金属3D打印复合毛细芯孔径配比对环路热管特性影响

环路热管（loop heat pipe,简称LHP）是一种利用工质相变进行热量传递的强化传热元件,广泛应用于余热回收、太阳能集热器以及电子器件散热等。而LHP蒸发器内毛细芯对其工作性能具有决定作用,3D打印毛细芯可克服烧结毛细芯孔径分布不均且随机性高的局限性。本文根据LHP蒸发器内气液两相的流动特点,将3D打印毛细芯的上层定义为吸液层,下层定义为蒸发层,并对其上下层孔径的配比进行研究后发现：在本文所研究的工况下,当蒸发层孔径一定时,增大吸液层孔径会使蒸发区内过热度降低;减小吸液层孔径会使蒸发区内出现干烧现象,二者皆会限制LHP的传热性能。此外,当吸液层孔径一定时,增大蒸发层孔径会造成热泄漏,减小蒸发层孔径可强化LHP在高负荷下的传热性能。蒸发层孔径为100μm、吸液层孔径为200μm的复合毛细芯具有更高的传热系数和热负荷。     

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管（LHP）中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。