振荡热管的运行特征和传热机理

选取62%充注率去离子水振荡热管实验为例,结合前人得到的振荡热管的可视化实验研究成果,揭示了随加热功率不同,振荡热管运行特征、温度振荡及传热机理的对应变化过程。结果显示:振荡热管在没有启动振荡之前,管内工质没有明显宏观质量迁移运动,蒸发段、冷凝段壁面温度均无振荡变化;在启动振荡之后,随着加热功率的增大,管内工质由上下徘徊振荡、不稳定振荡循环流动至稳定单向循环流动;流型的变化也由泡状流、弹状流、塞状流至环状流转变,流速增大;伴随流型、流速的改变,蒸发段、冷凝段壁面温度的振荡变化由没有振荡、大幅度小频率、至小幅度大频率振荡,传热能力不断增强,热阻不断减小。文中为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。     

吸湿性盐溶液振荡热管的传热特性研究

研究了10%(质量分数)LiCl吸湿性盐溶液作为工质的振荡热管传热特性。测试了在45%～90%充液率、10～100 W加热功率下振荡热管蒸发端温度及热阻的变化,并与去离子水工质的实验数据进行了对比。结果表明:在45%、55%的低充液率下,加热功率达到50 W以上时,LiCl溶液振荡热管的热阻明显比去离子水振荡热管低,能有效延迟烧干现象的发生。在62%的中等充液率,35W加热功率以上,LiCl溶液振荡热管的蒸发端温度较离子水振荡热管振荡频率快,幅度小且热阻低。在80%、90%的高充液率下,两种工质振荡热管的蒸发端温度曲线在平均温度、振荡频率、振荡幅度上都较为相似,热阻也比较接近。     

吸湿性盐溶液振荡热管的传热特性研究

研究了10%(质量分数)LiCl吸湿性盐溶液作为工质的振荡热管传热特性。测试了在45％～90％充液率、10～100 W加热功率下振荡热管蒸发端温度及热阻的变化，并与去离子水工质的实验数据进行了对比。结果表明：在45％、55％的低充液率下，加热功率达到50 W以上时，LiCl溶液振荡热管的热阻明显比去离子水振荡热管低，能有效延迟烧干现象的发生。在62%的中等充液率，35W加热功率以上，LiCl溶液振荡热管的蒸发端温度较离子水振荡热管振荡频率快，幅度小且热阻低。在80%、90%的高充液率下，两种工质振荡热管的蒸发端温度曲线在平均温度、振荡频率、振荡幅度上都较为相似，热阻也比较接近。     

碳纳米管悬浮液在重力热管中的沸腾特性

为研究纳米流体的沸腾传热效果,进行了以碳纳米管充装的重力热管的沸腾特性实验.以碳纳米管悬浮液为工质的重力热管的起沸温度、温度漂移及蒸发段管壁温度比水工质热管的高,热管的热阻增大,换热性能恶化.通过测定,水中添加碳纳米管颗粒后悬浮液的表面张力增大,使得加热壁面的活化成核点密度、数量、脱离频率、气泡体积、气泡间聚合能力发生改变,气液界面处的温度梯度和浓度梯度引发Marangoni流动,易蒸发组分水在界面处的蒸发产生质扩散效应.几种因素的共同作用使热管蒸发段管壁和热管的启动温度上升,热阻增大,热管的传热性能恶化.     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

新型三维脉动热管的性能

把传统脉动热管冷却段改进成双螺旋结构,形成新型三维脉动热管,并建立实验平台,考察了以丙酮为工质,在充液率54%、冷却水温度22℃的条件下,不同加热功率（20~700W）、不同倾斜角度（0°、50°、90°）对新型三维脉动热管的启动以及传热性能的影响,通过加热段以及冷却段管壁温度变化判断脉动热管启动运行特性,通过总热阻评价热管传热效果。实验结果表明,脉动热管在0°、50°和90°倾斜角度下均可以启动,但90°倾斜角时更有利于新型脉动热管的启动和稳定运行。90°倾斜角时,脉动热管在加热功率40W时启动,100W达到稳定运行状态,700W时到达传热极限,脉动热管的总热阻呈现先减小后增大的趋势,总热阻最小可达0.117℃/W。脉动热管在90°和50°倾斜角度下传热总热阻没有明显差异,但在0°倾斜角时,极易达到传热极限且在整个过程中热阻要比50°和90°倾斜角条件下高很多,加热功率180W达传热极限。     

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。     

等截面和变截面通道硅基微型脉动热管传热特性比较

为了解截面结构对微型脉动热管传热性能和内部工质流动特征的影响,采用可视化和温度测量的方法对比研究了等截面和变截面硅基微型脉动热管内的工质运动和传热特性。实验工质为R141b,充液率为40%～60%。实验结果发现,变截面通道结构的设计不仅有利于降低微型脉动热管的热阻,提高其传热能力,同时可有效改善其启动性能。随着充液率的增大,该优势更加明显,当充液率约60%时变截面微型脉动热管的启动功率和启动蒸发段平均温度比等截面热管分别下降约0.4 W和17.3℃。另外,因变截面结构而形成的附加毛细作用可使微型脉动热管内工质发生短暂定向运动,而在等截面热管中则未观察到上述现象。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%～70%充液率,10～100 W加热功率以及水/丙酮13：1、4：1、1：1、1：4、1：13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明：混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比（如水/丙酮13：1混合工质）以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水（如水/丙酮1：13混合工质）能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质（如水/丙酮13：1混合工质）对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35～50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率（50～100 W）,水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%~70%充液率,10~100 W加热功率以及水/丙酮13:1、4:1、1:1、1:4、1:13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明:混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比(如水/丙酮13:1混合工质)以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水(如水/丙酮1:13混合工质)能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质(如水/丙酮13:1混合工质)对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35~50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率(50~100 W),水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

基于BP神经网络的不凝性气体对脉动热管传热影响的分析

不凝性气体的存在会影响脉动热管的传热性能。本文以去离子水和聚丙烯酰胺（PAM）溶液为工质,搭建了脉动热管半可视化传热性能实验系统,研究了不凝性气体的存在对脉动热管传热特性和运行特性的影响;通过建立BP神经网络模型,在不同不凝性气体压力条件下,对脉动热管传热热阻做出了回归预测,并进行了验证。结果表明：不凝性气体的存在会恶化脉动热管的传热性能。随着加热功率的增加,在不同不凝性气体分压力条件下的热阻呈现下降趋势。而随着不凝性气体分压力的增大,工质的蒸发段平均温度明显增大。通过BP神经网络可以对不同不凝气体分压力下脉动热管热阻作出可靠的回归预测,可为脉动热管运行状态的优劣提供判定思路。     

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质,充液率为50%,对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果,探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明,在低加热功率条件下,甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型,甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长,但比水短。稳定运行时,甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇,且波动较大。在低、中加热功率条件下,甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇,甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。     

基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

基于红外热成像技术和高速可视化观测手段,得到了不同热负荷下脉动热管冷凝段表面的温度分布和管内工质的运行状态,分析了两者与热管传热性能间的内在联系。研究表明:随着热负荷的升高,工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式;冷凝段内主要出现泡状流和塞状流两种流型且离散气泡所占的份额逐渐减小;不同运行模式下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布各具特征;冷凝段表面的红外热图像可成为辨识管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。     

SDBS对铜-水脉动热管启动及传热性能影响

脉动热管工质气泡的产生、脉动、分裂、合并是脉动热管运行特性的重要影响因素。而表面张力是气泡产生、脉动、分裂、合并运行规律的重要影响参数。以表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)为溶质,以去离子水为基液,配制了质量分数为0.001%、0.005%和0.009%的3种溶液。测试发现表面活性剂的添加对水的表面张力改变较大,浓度为0.005%时表面张力降低了42.2%,而对水的比热容、密度、黏度影响较小。在自行设计搭建的脉动热管传热性能实验台上,对比实验测试了在不同浓度、不同加热功率下表面张力对脉动热管启动及传热性能的影响规律。研究结果发现:表面活性剂可以减小脉动热管启动时间,在低加热功率条件下(≤90 W),0.001% SDBS水溶液的启动时间最快,最快比水快了11.2%;而在大功率加热条件下,SDBS的添加对启动时间影响较小。而且表面活性剂可以改变脉动热管传热性能,使其热阻出现不同程度的减小。     

回路脉动热管运行稳定性分析

以简单回路脉动热管为热力系统，通过热力学分析，导出了系统的热平衡条件和稳定循环的特征，得到系统耗散功和系统体积功的关系，以及用水作为工质时膨胀功与汽化压力的关系。结果显示：耗散功是维持系统稳定运行的必要条件，且蒸发端的吸热量应等于冷凝端的放热量;稳定循环时，蒸发端的压力和温度必高于冷凝端;循环过程中工质的汽化膨胀功必大于冷凝压缩功，其差值用于克服系统耗散功;水的汽化功与汽化压力呈抛物线形变化，最大值分别出现在2.5 MPa，225℃。     

中温铯热管的启动及传热性能

由于铯化学性质活泼、易发生爆炸且价格昂贵,目前对中温铯热管的研究少见报道,而以高温钠、钾及钠钾合金热管的研究为主。鉴于中温热管应用及系统学术研究的需求,本文制备了铯热管,采用高频加热器调控其热流密度、数据采集系统监测管壁沿程的温度变化,对其启动性能及传热性能展开研究。实验结果表明,铯热管的启动演变规律与钠热管类似,利用Kn=0.01计算其转折温度更为准确。当热流密度q=18.04W/cm²时,通过热管沿程温度分布可知热管实现了声速极限下的启动,绝热段温度与蒸发段温度相差30.00℃。热流密度q=69.10W/cm²时,工作温度可达600.00℃,蒸发段与绝热段最大温差小于7.00℃,且有效长度为100％,表现出优异的换热性能和均温性。