微槽道脉动热管的启动及传热特性

对竖直和水平放置情况下微槽道脉动热管(当量直径2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(3~#)的3个光管脉动热管进行了比较。实验工质为去离子水,充液率为50%。实验结果表明,竖直放置(底部加热)时,微槽道结构可以显著降低脉动热管的最小启动功率和启动温度,在约305 W的加热功率下其热阻分别比1#、2#和3#光管脉动热管下降41.7%、35.6%和30.9%,蒸发段壁面平均温度分别下降12.1、11.8和7.6℃;水平放置时,微槽道脉动热管在一定加热功率下能够正常启动,光管脉动热管难以有效运行。使用微槽道结构后,脉动热管显热和潜热传热能力的提高以及微槽道毛细作用利于冷凝液向蒸发段回流可认为是实现热管传热强化的主要原因。     

带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管传热特性

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管,蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm,内部含有平行圆通道,通道内径为2 mm;热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质,对该脉动热管在不同放置方式(竖直、水平和侧放)和体积充液率(20%~70%)下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明,充液率介于30%~70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行,表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高,启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置,且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇,使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度,显示出更好的传热性能和均温性。     

带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管传热特性

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管,蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm,内部含有平行圆通道,通道内径为2 mm;热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质,对该脉动热管在不同放置方式（竖直、水平和侧放）和体积充液率（20%～70%）下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明,充液率介于30%～70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行,表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高,启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置,且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇,使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度,显示出更好的传热性能和均温性。     

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。     

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现：热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。     

乙烷脉动热管的启动性能和传热特性

设计了三维柱状管式脉动热管,铜管尺寸为内径2 mm,外径3 mm,蒸发段和冷凝段长度分别为220 mm和180 mm。以乙烷为工作流体,在中低温(-100—0℃)范围内对脉动热管的启动性能和传热特性进行了研究,并分析了工质热物理性质对脉动热管的影响。实验结果表明:在蒸发段无热输入下,脉动热管的自启动受到工作温度的影响。只有当工作温度降低至某一程度时,脉动热管才能成功实现自启动,同时当工作温度越接近工质的沸点,脉动热管越容易启动。研究还发现脉动热管的最佳工作温度不受加热功率的影响,不同加热功率下脉动热管的最佳工作温度均为-60℃。     

梯度润湿表面脉动热管传热性能的研究

为提高脉动热管水平方向的运行性能，本文通过控制化学刻蚀时间，制备出冷凝段到蒸发段接触角由83.8°至0°均匀变化的纳米草结构梯度润湿表面。并将此结构引入至6弯管板式脉动热管中，在不同充液率、加热功率以及运行方向下开展可视化和传热性能试验。试验结果表明，在竖直运行时，梯度润湿表面脉动热管相比于纯铜脉动热管展现出较好的传热性能。水平方向上，相较于纯铜脉动热管几乎完全烧干、无法启动的情况，梯度润湿表面由于附加的梯度润湿驱动力，促进了液体工质的回流，脉动热管成功启动。且汽液界面脉动振幅、脉动速度以及脉动热管的传热性能显著提高，充液率50%时热阻最多降低45%。     

水平蒸发与冷凝结构脉动热管的热力性能

为解决实际工程应用中平面间的传热问题,文中提出一种水平蒸发与冷凝结构的新型脉动热管,采用数值模拟方法,对该热管在4种加热方式下的启动与热力性能进行了研究分析。结果表明:脉动热管内部存在小气泡、短气塞、长气塞等流型。均匀加热时,该脉动热管的临界启动加热功率为20 W。非对称式(以蒸发段几何中心线为对称轴)与递增式(沿蒸发段端部至绝热段加热量逐渐增加)加热方式均可有效改善脉动热管的启动性能和热力性能,且采用非对称式加热时,可使脉动热管的热阻最多降低13.26%。     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

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。     

高热通量水平管外池沸腾传热

在制冷空调的满液式蒸发器中,制冷剂在壳侧沸腾蒸发,管内为水的单相对流传热。实验研究了高热通量下R134a在一根光管和一根强化管（No.1）外的池沸腾传热,并将光管实验结果和Cooper公式进行了比较。在不同的饱和温度下,热通量10～250 kW·m^-2的范围内,研究了R134a在光管和强化管外的沸腾传热系数随热通量的变化关系。光管和强化管外径分别为15.93 mm 和 25.36 mm。通过研究发现,在热通量10～250 kW·m^-2的范围内,光管的池沸腾传热系数和Cooper公式符合较好,偏差小于±15%。在双对数坐标下传热系数和热通量实验结果拟合直线斜率为0.67。在较高热通量,即热通量大于250 kW·m^-2时,光管的传热系数相对Cooper公式偏差开始增大。对于高效管,在小于40 kW·m^-2热通量下的传热效果最好。强化管的强化倍率随热通量增加一直减小,在较高热通量250 kW·m^-2下,强化管的传热系数和光管相同,甚至比光管小。     

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。     

纳米石墨冷冻机油对R600a流动沸腾换热的影响

搭建了纳米冷冻机油/制冷剂水平光管内流动沸腾换热测试实验台,研究了石墨/R600a纳米制冷剂在水平直光管内流动沸腾换热特性,分析了纳米石墨对含油制冷剂流动沸腾换热的影响。实验测试段为总长2.5 m、外径9.52 mm、内径8 mm、壁厚0.76 mm的紫铜管。在质量流速为150、200、250、300 kg·m^-2·s^-1下,分别测量纯R600a、含油R600a、不同质量分数(0.05%、0.1%、0.2%)纳米石墨冷冻机油和R600a混合物在水平光滑圆管内流动沸腾传热系数随干度的变化趋势。实验结果表明:纳米石墨的添加增强了含油制冷剂的流动沸腾换热。实验获得了基于石墨的含油纳米制冷剂流动沸腾换热关联式,关联式的预测值与94.5%的实验数据偏差在±15%以内。     

脉动热管强化传热及其应用研究进展

脉动热管作为一种新型热管技术,由于其结构简单、传热性能好以及环境适应性强等优点,在热管理、太阳能集热、余热回收等热传输领域都极具应用潜力。高热通量器件、热能的利用和回收等领域的快速发展,对传热装置的传热性能和工况适应性提出了更高的要求。为进一步强化内部两相流传热以及适应不同工况,结构多样的新型脉动热管应运而生。针对新结构脉动热管的研究进展,主要从强化传热性能的内部结构优化、适应不同应用需求的外部新结构及新结构脉动热管的应用研究三个方面进行总结。后续的研究应该在明晰运行机制的基础上,设计出通用性的新结构脉动热管。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论：蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

异形整体式热管散热器传热实验与分析

针对电子电气设备散热和均温的需求,提出了一种新型结构形式的异形整体热管散热器：平板热管形式的蒸发段与具有高肋化比翅片的冷凝铜管集成。对该热管进行了传热实验与分析,研究热管在不同工况下温度数值及分布,探究影响热管性能的因素和规律,验证其传热能力。结果表明：在各种工况下热管温差始终在1.75℃之内,均温性能良好。加热功率和对流散热状况对热管启动性能、总体热阻、当量热导率、传热系数都有影响。随着加热功率和对流速度增加,热管启动时间和热阻均降低,当量热导率和传热系数则逐渐上升。热阻最低为0.189℃·W^-1,最佳当量热导率为20964 W·m^-1·K^-1。相比于同等尺寸的传统热管,热阻降低了37%,传热效率提升15%。     

折弯异型对铜-水热管传热性能影响的实验研究

为了研究异型对于热管性能的影响,对三支铜-水热管进行了实验研究。加热温度范围为50~90℃,冷却水流量范围为40~104 L/h,对比不同工况下的启动性能、等温性能,结果表明,异型管在加热温度较低时可能出现“温度滞后”现象,从而使启动时间显著增加;异型使得热管等温性能变差但仍在可接受的范围内。对不同应用条件下的最大传热功率、蒸发段传热热阻、整体热阻进行了研究,实验表明：加热温度较低时,异型对于最大传热功率及传热热阻的影响较大,当加热温度大于80℃时,异型管与直管之间最大传热功率的差值缩小到30%以内,且此时的传热热阻达到10^-2量级水平。     

竖直多孔管降膜蒸发传热实验

研究了内表面烧结型多孔管对降膜蒸发换热效果的影响。采用单管降膜蒸发器,由壳程的蒸汽加热管程的水降膜传热。在热通量q=13~90 kW·m^-2,传热温差ΔT=2.87~9.5℃,液体Reynolds数Re_L=4500~15000 范围内,求不同工况下管内降膜传热系数,并将其与相对应的光管换热性能进行比较。比较数据可知:多孔管的管内降膜传热系数是光管的2.03 倍,总传热系数是光管的1.78 倍,多孔管强化传热效果明显。     

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。     

氧化石墨烯/水脉动热管的启动及传热特性

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种新型二维平面结构碳纳米材料,具有高导热性和强亲水性。通过实验研究GO纳米流体对脉动热管(PHP)启动及传热的影响。PHP是由3个弯头构成的闭式回路,采用垂直底部加热,功率范围10~105 W;冷凝段强制风冷。去离子水为基液,GO浓度范围0.02%~0.11%(质量分数);固定充液率约50%。结果表明：适当添加GO纳米颗粒可有效改善启动性能。当浓度为0.05%、0.08%时,启动温度可分别降低28.6℃(33.9%)、26.2℃(31.1%),启动时间分别缩短320 s(19.5%)、304 s(18.5%),启动过程更加平稳。GO纳米流体对PHP的传热强化作用与浓度及功率有关。当浓度在0.02%~0.08%范围、加热功率在20~105 W范围时,传热强化率在18.6%~57.1%之间,强化作用明显。在上述浓度范围(0.02%~0.08%)内,随着加热功率增加,热性能改善程度先增加,而后逐渐减少;加热功率为30 W时,热性能改善程度可达到46.1%~57.1%。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Bo、Mo、Pr、Ja^* 等无量纲数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能。