平板蒸发器环路热管启动及充灌率特性研究

结合环路热管系统的优点与太阳能的广泛利用前景,设计并搭建了以太阳能利用为背景的新型毛细芯平板蒸发器环路热管系统,采用泡沫镍为毛细芯、乙醇为工质,实验研究了系统的启动运行特性,以及不同的工质充灌率对环路热管系统性能的影响。结果显示,在实验条件下,环路热管热源功率在300~1 600 W时具有良好的启动运行特性,55%的充灌率为最佳充灌率,具有更短的启动时间,相对更低的蒸发器温度与热阻。     

一种纵向供液式环路热管传热性能研究

为解决高热流电子元器件的小空间散热问题,本文研制了一种纵向供液式甲醇-铜环路热管系统,并搭建实验测试平台。对该系统在水平状态与重力辅助状态下进行了启动与变负荷性能测试。实验结果表明:加热壁面温度不超过100℃,水平状态下系统能在热负荷20～60 W成功启动运行,最大热流密度8.3 W/cm~2,最小热阻0.139℃/W。重力辅助状态下系统能在热负荷10～150 W成功启动运行,最大热流密度20.8 W/cm~2,最小热阻0.123℃/W。研究表明纵向供液结构可以极大减小环路热管系统厚度,但也带来了供液能力不足和漏热加剧的问题,对蒸发器结构进行优化设计可以提升纵向供液LHP系统性能。     

氨工质平板式环路热管的传热性能研究

为了解决平板式蒸发器环路热管面对高集成电子元器件在较长传热距离下的散热能力不足等问题,本文采用更大面积的毛细芯和蒸发器,研制了一个传热距离达到1.6m的氨-不锈钢环路热管系统并进行了大量实验.实验过程中,加热壁面温度控制在70℃以下.实验结果表明,在热沉温度为-10℃的情况下,该环路热管可以在2.5W到180 W的热负荷范围内稳定运行,相应的热流密度是0.15 W/cm2和10.8W/cm2.蒸发器热阻的最小值为0.096℃/W,系统热阻的最小值为0.252℃/W.系统存在变热导率和定热导率两种工作特性,实验过程中没有观察到明显的温度过冲和温度波动现象.在启动测试和变热负荷测试中,系统均能够快速响应,展现出优良的可靠性.研究表明,与一般的平板式蒸发器环路热管相比,该系统更好地兼顾了传热距离和传热能力,拓展了平板式蒸发器的应用场景.     

一种新型微热管传热性能的实验研究

对一种新型的平板式微热管一零切角曲面微热管进行了实验研究。以热阻为基础，研究不同倾角、工质、充液比下微热管的热性能。为便于分析，将热管总热阻分解为4个部分：加热热阻、蒸发段热阻、冷凝段热阻和热沉热阻。通过实验得出如下结论：微热管总热阻的主要变化因素是冷凝段热阻和蒸发段热阻；与相应的无工质平板式换热器相比，实验件主要热阻变为热沉热阻．蒸发段和冷凝段热阻所占比例较低。根据不同的充液比和倾角。微热管传热极限分别由局部干烧和核态沸腾向膜态沸腾转化引起。实验表明。这种新型的微热管具有良好的应用前景，但是对于其机理还需要更深入的研究。     

脉动热管水平及小倾角条件下的传热性能

为了研究脉动热管放置方式对其传热性能的影响,以超纯水作为工质,对水平及倾角为30°放置的脉动热管的传热性能进行研究,用壁面温度振荡性能和传热热阻来描述其传热能力。在不同的放置条件下,着重分析不同加热功率和充液率(35%,50%,70%)对其传热性能的影响。研究表明：水平放置时,充液率为35%和50%时脉动热管不能启动,充液率70%时可以启动运行;脉动热管在运行时存在临界热量输入值,倾角为30°时,临界值为60 W,但水平放置条件下临界值为90 W;水平放置下的脉动热管传热热阻在不同加热功率下,显著高于倾角为30°的情况;倾角为30°,充液率为35%时的脉动热管适合在低加热功率范围运行,此时传热热阻要低于充液率为50%的情况,但传热范围很窄,传热极限低;30°倾角时,与充液率35%和50%相比,高充液率70%的脉动热管整体传热性能最优。     

一种振荡热管换热器热性能的研究

设计了一种振荡热管换热器,将其内插于太阳能集热器中,应用于蓄能型内插热管式太阳能热水系统,根据太阳辐射强度切换工作模型,可实现对太阳能的分季节最大化利用。搭建了蓄能型振荡热管换热器性能试验台,对充灌工质分别为R134a、乙醇/水、丙酮/水的振荡热管换热器在不同加热功率下启动时间、水侧温升和热阻等性能进行研究。结果表明:无论振荡热管换热器内充灌哪种工质,热管的启动时间都随着加热功率的增大而减小;相似环境温度下,充灌不同工质的振荡热管换热器的热阻都随着加热功率的增大而减小;在相同的环境温度下,充灌不同工质的振荡热管换热器的循环水温都会随着加热功率的增大而升高,充灌R134a的振荡热管换热器的循环水温增幅最大。     

平板型双毛细芯蒸发器LHP的实验研究

实验设计了平板型双毛细芯蒸发器环路热管系统,并针对所设计的系统搭建了实验平台,对其进行启动和变工况特性研究,考虑不同因素如充灌率、重力倾角特对系统性能的影响。实验结果显示:平板型LHP的双毛细芯蒸发器可以提高系统的热传输能力,减小侧壁导热对补偿腔的影响,降低系统的运行温度,改善和提高系统的运行性能。     

脉动热管运行可视化及传热与流动特性的实验研究

对脉动热管的运行进行了可视化实验 ,在不同的充灌率、倾角、截面形状、加热量条件下对脉动热管的运行进行了测试 ,实验结果表明 :脉动热管是一种十分有效的散热技术 ;脉动热管存在传热极限 ;在最佳充灌率 (5 0 % )和最佳倾角 (5 0°)下运行的脉动热管传热极限最高 ,高热流密度下的传热热阻最低 ;当热流密度较小时 ,三角形通道的脉动热管要优于正方形通道的脉动热管 ,但当热流密度较大时 ,通道形状对热阻和单位截面传热极限影响不大 ;通道大小对热管的热性能影响很小     

甲醇乙醇混合工质振荡热管传热性能研究

混合工质可为振荡热管带来独特的传热性能．比较甲醇、乙醇纯工质以及甲醇-乙醇混合工质振荡热管在不同充液率时的热阻随加热功率的变化情况,结果发现：在小充液率（45％）时甲醇-乙醇混合工质和乙醇振荡热管开始烧干时的加热功率高于甲醇工质振荡热管;在加热功率不是很大（低于65W）和大充液率（62％～90％）时,甲醇以及甲醇-乙醇混合工质振荡热管的传热性能优于乙醇振荡热管;在大加热功率（高于65W）和大充液率（62％～90％）时甲醇以及甲醇-乙醇混合工质振荡热管的热阻十分接近,均低于乙醇工质振荡热管的热阻,且热阻随着充液率的增加曲线变化越来越平缓．     

长距离环路热管传热性能实验研究

基于航空航天等领域对环路热管长距离传热的需求,设计制造了一套传热距离8.1m的圆柱型蒸发器环路热管,试验了不同加热功率、不同冷凝温度下该环路热管的启动和变工况运行性能,并对其热阻及最大传热能力进行了分析。研究结果表明：当其他条件一致、初始气液分布相同和不同时,加热功率由100W增大至160W后,本研究中的环路热管启动时间和启动温升均发生一定程度的下降;加热功率100W时,冷凝温度由10℃降低至-10℃使得环路热管启动时间增加,加热功率160W时,冷凝温度由10℃降至-10℃对环路热管的启动时间影响不大。在冷凝温度0℃下,该环路热管在100~500W范围内均能稳定运行,且200W时环路热管传热效率最高,传热温差最小,稳定运行温度最低;另外,由于系统传输距离较长,每个工况达到稳定所需要的时间也较长,分布于1000至3500S内。随着加热功率的增大,环路热管热阻先减小后逐渐增大,该环路热管传热热阻最大不超过0.09℃/W,最小为0.024℃/W;随着传热距离的增大,管路的热损失增加,总压降和热阻也变大。当传热距离基本相同时,蒸发器容积的大小、冷凝器的冷凝能力及气液管线的布置形状均在一定程度上影响环路热管的最大传热能力。     

低温环路热管综述

环路热管是以多孔毛细芯抽吸力为动力的相变传热设备,可根据实际应用改变结构形式,能在远距离传热的同时保持良好的均温性,并且可在微重力环境下运行。环路热管工作温区较广,按照其工作温区一般可分为高温环路热管(350 K以上)、常温环路热管(200～350 K)和低温环路热管(200 K以下)。为了满足深空探测的需要,低温环路热管广泛应用于航天设备温控系统中并表现出优异的性能。按照孔隙特征和结构形式将用于环路热管的毛细芯分为四种,简要阐述每种毛细芯制备和特点;综合分析了近年来低温环路热管技术主要理论和实验研究成果,将目前低温环路热管常见的工作温区分成五个部分,分析影响低温环路热管传热性能的因素,包括工质充装量、反重力高度、次蒸发器功率等。最后,提出优化措施以满足未来深空以及地面应用的需求。     

Superposition method to investigate the thermal performance of heat sink with embedded heat pipes

This article utilizes the thermal performance experiment with superposition method to investigate the thermal performance of heat sinks with one and two pairs of embedded heat pipes. A heat sink with embedded heat pipes transfers the total heat capacity from the heat source to both the base plate and heat pipes, and then disperses heat into the surrounding air via the forced convection. The heat capacity carried by embedded heat pipes can be found using the thermal resistance analytical approach stated in this article. The results show that two and four heat pipes embedded in the base plate carry 36% and 48% of the total dissipated heat respectively; in addition, when the total heating power of the heat sink with two embedded heat pipes is 140 W, the total thermal resistance reaches its minimum value of 0.27 °C/W, while for the heat sink with four embedded heat pipes, when the total heating power is between 40 W and 240 W, the total thermal resistance is 0.24 °C/W, meaning that the thermal performance is better than that of heat sink with two embedded heat pipes.     

Experimental investigation of pulsating heat pipe performance with regard to fuel cell cooling application

A pulsating heat pipe (PHP) is a closed loop, passive heat transfer device. Its operation depends on the phase change of a working fluid within the loop. Design and performance testing of a pulsating heat pipe was conducted under conditions to simulate heat dissipation requirements of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack. Integration of pulsating heat pipes within bipolar plates of the stack would eliminate the need for ancillary cooling equipment, thus also reducing parasitic losses and increasing energy output. The PHP under investigation, having dimensions of 46.80 cm long and 14.70 cm wide, was constructed from 0.3175 cm copper tube. Heat pipes effectiveness was found to be dependent upon several factors such as energy input, types of working fluid and its filling ratio. Power inputs to the evaporator side of the pulsating heat pipe varied from 80 to 180 W. Working fluids tested included acetone, methanol, and deionized water. Filling ratios between 30 and 70 percent of the total working volume were also examined. Methanol outperformed other fluids tested; with a 45 percent fluid fill ratio and a 120 W power input, the apparatus took the shortest time to reach steady state and had one of the smallest steady state temperature differences. The various conditions studied were chosen to assess the heat pipe's potential as cooling media for PEM fuel cells.     

Heat transfer characteristics of spray cooling in a closed loop

A closed loop spray cooling test setup is established for the cooling of high heat flux heat sources. Eight miniature nozzles in a multi-nozzle plate are used to generate a spray array targeting at a 1 × 2 cm² cooling surface. FC-87, FC-72, methanol and water are used as the working fluids. Thermal performance data for the multi-nozzle spray cooling in the confined and closed system are obtained at various operating temperatures, nozzle pressure drops (from 0.69 to 3.10 bar) and heat fluxes. It is exhibited that the spray cooler can reach the critical heat fluxes up to 90 W/cm² with fluorocarbon fluids and 490 W/cm² with methanol. For water, the critical heat flux is higher than 500 W/cm². Air purposely introduced in the spray cooling system with FC-72 fluid has a significant influence on heat transfer characteristics of the spray over the cooling surface.     

热电联供系统中烟气冷凝传热性能试验研究

针对烟气余热不能充分回收的问题,对能够充分回收烟气余热的新型热电联供系统中的烟气冷凝热回收设备进行试验研究,重点研究该工况下光滑管烟气冷凝设备的传热性能.研究结果表明,在该试验工况下,干式、冷凝段传热系数可达60 W/(m~2·K),冷凝段传热系数为90～100 W/(m~2·K),冷凝段传热系数约为干式段传热系数的1.5～1.7倍,并整理了该工况下的传热准则关系式,为该系统型式的推广应用提供设计与运行依据.     

自激振荡流热管内Cu-水纳米流体的传热特性

对工质为Cu-水纳米流体的自激振荡流热管在不同激光加热功率下的热传输特性进行了实验研究,并对工质为蒸馏水的自激振荡流热管的传热性能进行了比较.通过对不同的充液率、Cu纳米颗粒份额的Cu-水纳米流体自激振荡流热管实验结果分析发现:自激振荡流热管内Cu-水纳米流体的热传输具有一定的特殊性,在一定条件下纳米流体可以起到强化传热的作用,但决定纳米流体自激振荡流热管热传输性能的参数应是充液率.     

复合热沉环路热管的热点散热性能模拟研究

针对芯片功耗与集成度提高而导致的局部热点问题,设计了一种用于芯片散热的复合热沉环路热管系统。建立了环路热管蒸发段模型,通过数值模拟的方法,证明了复合热沉环路热管系统能够降低热点温度,提高散热表面的温度均匀程度,且散热效果与热点的分布位置有关。当热点的热流密度为160W/cm2,热沉横向、纵向导热率分别为1500W/(m?K)、24W/(m?K)时,热点温度为88.88°C,相比于无热沉时降低了5.96°C。研究了不同热沉导热率下的热沉厚度对热点温度的影响,结果表明：若导热率各项同性,热点温度随热沉厚度的增加而降低,之后趋向不变;若为各项异性,存在最优的热沉厚度,使热点温度最低。     

Miniature loop heat pipes for electronics cooling

The paper is devoted to the development of miniature loop heat pipes (mLHPs) with a nominal capacity of 25–30 W and a heat-transfer distance up to 250 mm intended for cooling electronics components and CPU of mobile PC. It gives the results of investigating several prototypes of mLHPs incorporated into remote heat exchanger (RHE) systems in different conditions. It has been established that in the nominal range of heat loads orientation does not practically affect the mLHPs operating characteristics. Under air cooling the total thermal resistance of such a system is 1.7–4.0 °C/W and depends strongly on the cooling conditions and the radiator efficiency. In this case the mLHP’s own thermal resistance is in the limits from 0.3 to 1.2 °C/W, and the maximum capacity reaches 80–120 Bt. The obtained results make it possible to regard mLHPs as quite promising devices for RHE systems providing thermal regimes for electronics components and personal computers.     

非均匀截面自激振荡流热管内热传输特性实验研究

针对两种不同截面结构的回路型自激振荡流热管,其中,一种内径为3 mm的均匀截面;另一种是在此均匀截面的基础上,将其加热段和绝热段断面加工成垂直交错布置的椭圆形非均匀截面。运用实验研究的方法,在热管壁面不同部位分别布置了温度测点,在不同功率的激光加热条件下,通过对热管壁温监测数据的采集和分析,研究了这种非均匀截面回路型自激振荡流热管内部的热传输性能,并与均匀截面自激振荡流热管进行了对比分析。结果表明:非均匀截面自激振荡流热管内的脉动机制以及热传输特性与均匀截面有很大不同,在中、高负荷条件下,非均匀截面结构热管可以明显起到强化传热效果,与均匀截面结构热管相比,热传输功率提高了13.6%。     

集中供热热管太阳能集热系统

在原有平板集热器的基础上研制了一种与建筑结合的太阳能集中供热热管系统，并对策略热管的传热机理进行了分析，提出正常工况下该热管的集总参数模型，给出了热管的倾角范围。文中给出了该集热系统的理论预测和实验结果对比。热管太阳能集热器的理论模型以Duffie 和Beckman理论（1980）为基础，修改后用于能量传输。该文还给出了该集热器和传统的太阳能集热器的对比试验结果。热管太阳能集热器的瞬时效率在早上低于传统的太阳能集热器的，而当热管达到工作温度时，前者高于后者。