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。     

平板脉动热管传热性能的实验研究

对一种具有双面三角形通道的平板脉动热管进行了实验研究,分析了工质、充液率、倾角等对传热性能的影响。结果表明,该热管具有优异的传热性能,最佳充液率为25%~30%,最佳工作角度为90°,在相同充液率和倾角下,当采用丙酮作为工质时,热管传热性能优于水工质。     

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。     

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。     

渐变式截面平板脉动热管的数值模拟及分析

为了研究提高矩形截面平板脉动热管的传热性能的方法,文中以水为工质对普通型和渐变式截面两类平板脉动热管的启动和传热特性进行数值分析。基于VOF方法和CSF模型建立了平板脉动热管内气液两相流动与传热的非稳态模型并进行了数值模拟,结果表明:渐变式平板脉动热管改变了流道的对称性和均衡性,其启动和传热性能得到有效的改善。渐变式结构的比值越大,渐变式脉动热管的启动优势越明显;随着渐变式结构比值的增大,渐变式脉动热管运行热阻先减小后增大,并在1.5∶1的比值时达到最优。     

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%。     

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。     

中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究

研制了一套中温水平环路热管(HLTS)。采用导热姆作为传热工质,搭建了其传热性能实验平台,考察了该HLTS的启动和传热性能。实验结果表明:U形段液封结构可有效避免热管内部两相工质的双向流动,提升其传热性能;充液率对环路热管传热性能影响较大,初始充液率为45.5%,加热功率为150W时,启动温度为130℃,启动时间为29min,启动性能优于初始充液率为70.5%工况;工作温度为200~400℃时传热热阻0.91~0.69℃/W,传热性能较好。该HLTS可移植和放大,设计用做槽式集热管,实现热管在太阳能中温热利用领域的高效利用。     

管板结构脉动热管冷却动力电池的传热特性

开发经济、高效和可靠的电动汽车电池冷却方案是其大规模商业化过程中需要解决的关键问题之一。本文提出并设计了一种对动力电池进行热管理的管板结构脉动热管装置,选用乙醇、水及两者二元混合物为工质,对不同加热功率、充液率和乙醇-水混合比下脉动热管的传热特性进行了实验研究。结果表明,使用乙醇-水混合工质的脉动热管表现出更好的启动和传热性能。在充液率为30%、加热功率为48W时,电池的平均温度可以控制为44℃;电池的表面平均温差可低至1.5℃,表现出较好的均温性。对乙醇-水二元混合工质强化脉动热管传热的机理分析表明,两者具有的互补热物性特征和热管内部混合工质浓度梯度引起的逆Marangoni流是改善脉动热管传热性能的主要原因。     

充液率及工质对复合中空热管传热性能的影响

建立了复合中空热管传热性能实验平台,对不同充液率(20%,25%,33%,40%,50%)和不同工质(蒸馏水,无水乙醇,重铬酸钾溶液)条件下的复合中空热管传热性能进行了实验研究。研究表明:当工质为蒸馏水时,复合中空热管的最佳充液率为33%;当充液率均为33%时,无水乙醇工质复合中空热管的传热性能最好,其次是蒸馏水工质和重铬酸钾溶液工质的复合中空热管;当充液率为20%时,蒸馏水工质的复合中空热管的传热性能变化趋势明显与充液率为25%,33%,40%,50%时不同,而且传热效果最差。当充液率均为33%、工质为纯水时,加热蒸汽热流密度(102,108,115 kW/m2)不同,复合中空热管的传热性能也不同,传热性能随着加热蒸汽热流密度的提高而提高。实验研究为工业应用提供了基础。     

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。     

新型水平环路热虹吸管启动性能

热管作为热超导元件已开始应用于中高温槽式太阳能热利用系统,但太阳辐射频繁变化的特点使得热管启动性能对热管集热性能影响很大。本文研制一套水平环路热管(HLTS),以导热姆为工质,搭建了热管启动性能测试平台,考察充液量、热通量及环境温度对启动性能影响。结果表明,工质流动方向为单向流,充液量对HLTS运行的影响较大,最佳充液量3.325 kg,当水平蒸发段工质充满度为100%时,蒸发段传热流型发生改变,管内形成脉动流;热通量增大时启动时间减少,启动温度为150℃不变;环境温度<9℃时,对热管启动有很大影响,冬季工质凝固,HLTS启动时间延长,影响热管集热。     

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2.82mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4mm(1^#)、4.0mm(2^#)和4.8mm(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305W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。     

甲醇、丙酮及其二元混合工质脉动热管的启动特性

以甲醇、丙酮以及二者体积比1：1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质,对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究,结果表明：在低加热功率下时,甲醇/丙酮混合工质的启动时间比丙酮长,比甲醇短,适当增加启动功率可以明显缩短脉动热管的启动时间,但是对丙酮及混合工质的启动温升影响不大;在60W高加热功率下时,3种工质的启动方式均为温度突变型,其中混合工质的启动时间最短,并且增加启动功率可以明显地提高混合工质脉动热管的启动温升;充液率对脉动热管的启动方式影响较为明显,丙酮和混合工质的启动温升均随着充液率的增加而逐渐减少,在中低充液率（≤50%）下,二者属于温度突变型启动,而在80%高充液率下,其启动方式变为温度平稳过渡型启动。     

紧凑型平板环路热管实验研究

环路热管因其紧凑、高效等优势在电子元件冷却方面十分具有应用前景。实验研究了一种紧凑型平板环路热管在不同工况下的启动特性和传热特性。结果显示部分低加热功率和充液率下的启动出现振荡,高加热功率和较高充液率有利于环路热管平稳启动。总结了温度振荡现象出现的工况范围。传热特性方面,存在一个最优充液率使热管散热性能最佳,这个最优充液率与散热负荷有关。低负荷时,最优充液率较低;高负荷时,最优充液率较高。     

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。     

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。     

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%。