不等径脉动热管的传热性能研究

设计了一套不等径脉动热管,并对其进行了性能测试。脉动热管由内径为2.5 mm和外径为3.0 mm的铜管制成,其中蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为400,360,40 mm。分析比较倾角0°(水平),30°,45°和90°(垂直)对不等径脉动热管的传热性能的影响。丙酮作为不等径脉动热管的工作流体,充液率分别为30%,50%和70%。超纯水作为冷却水,流量分别为0.1,0.3,0.5 m~3/h。实验结果表明:在不同热负荷下充液率、倾角和冷却水流量对装置的传热性能影响很大。最大传热量出现在充液率为50%、倾斜角度为90°、冷却水流量为0.5 m~3/h的情况下,装置的最小热阻为0.10℃/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....     

钠热管的性能试验研究

为测试钠热管的可行性与实用性 ,对直径为 2 5mm、长度为 1 0 0 0 mm的钠热管进行性能试验测试。结果表明 ,该高温钠热管具有较好的起动性能、等温性能和较高的传热系数。验证了该高温钠热管具有工程实际应用的价值。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

分离式热管的传热极限

应用热管理论和自然循环流体动力学理论,对分离式热管内的传热极限作了分析,指出了分离式热管的传热极限与传热过程中的热流密度和热管内的充液量有关,在高热流密度传热和充液量偏多或偏少的情况下,会存在以下几种传热极限：（１）蒸发段的干涸传热极限;（２）蒸发段的沸腾传热极限;（３）冷凝段的凝结传热极限;（４）循环回路的流动传热极限。     

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。     

纳米流体热管启动过程的试验研究

对Al2O3-水、CuO-水和SiO2-水3种纳米流体热管进行测试,给出了这3种纳米流体热管启动过程的温度分布,并与水热管进行比较。结果表明,纳米流体热管启动方式为均匀启动;与水热管相比,其加热段启动温度降低,启动时间缩短;加热段和冷凝段的温差相比水热管降低了2~5℃;加热段长度对其启动过程影响较小。     

分离式环形充气热管传热性能实验研究

针对除尘器出灰管冷却的实际需要，提出了分离式环形充气热管结构，并对该热管的传热性能进行了实验研究。这种环形充气热管不仅满足了既传热又控制温度的需要，还具有可以异地传热和便于工程中设备安装与运行调节等特点。     

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。     

双面蒸发器环路热管的瞬态特性

环路热管是一种高效的两相热控装置,主要应用于航天航空热控和地面高热流电子器件的散热。现有的平板式环路热管只有一个面可以进行散热,一方面,不利的背向导热使得环路热管在低热负荷的条件下启动困难,另外,蒸发器的另一个面也存在散热的潜能。针对上述不足,提出了平板型甲醇-铜双面蒸发器环路热管。在重力辅助倾角为10°,热沉温度为0℃的条件下,对单面加热和双面加热的启动性能和变工况运行进行了实验研究。实验结果表明:该新型环路热管在单面加热和双面加热条件下,均可以成功启动和正常运行,且双面工况时的启动性能比单面更稳定、迅速;在加热面的温度不超过(90±2)℃的情况下,单面可以传递的最大热负荷为210 W,对应热流为21.8 W·cm^-2,而双面传递的最大热负荷为240 W;双面交替运行时,LHP能够快速从一个面转向另一个面运行,没有出现运行失败。     

窄缝环形管内流动与传热实验研究Ⅰ.单相强制流动换热

对垂直窄缝 (窄缝尺寸规格分 1、1 5和 2 5mm 3种 )环形管内氟 1 1 3单相受迫对流换热进行了研究 ,环缝的加热方式采用热水逆流双面加热。详细介绍了实验装置、过程和方法。实验结果表明 ,窄缝环形管内单相流动换热的Nu数与普通圆管内层流公式计算值相差较大 ,不能套用传统的单相流动换热模型来计算管内的对流换热系数。根据实验数据 ,将修正的Dittus Boelter公式用于计算窄缝环形管内的Nu数 ,平均误差在 1 8 6%以内。     

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。     

内冷式刮膜薄膜蒸发器的传热性能研究

在内冷式刮膜薄膜蒸发器中试装置上以粘性流体甘油为物料进行传热性能研究 ,发现刮膜薄膜蒸发时夹套导热油侧传热系数为液膜侧传热系数的 1.5～ 2 .0倍 ,传热热阻主要在液膜侧。实验还发现 ,随进料流量增大 ,进料温度升高 ,刮板转速增大 ,蒸发温度降低 ,操作压力降低 ,液膜侧传热系数会增大。结合因次分析和实验数据 ,关联物料物性、操作条件及设备尺寸等因素得到液膜侧传热系数的准数关联式。     

HEAT TRANSFER AND FLUID FLOW IN A NONISOTHERMAL CONSTRAINED VAPOR BUBBLE

A Constrained Vapor Bubble (CVB) with a relatively large Bond number formed by partially underfilling liquid in an evacuated cavity is capable of high thermal conductance. Il operates on the principle of closed loop phase-change along with capillarity to circulate the working fluid. Analytical investigations were conducted to compare with existing experimental data. A steady-state fluid flow model combined with a two-dimensional heat transfer model was developed and solved to yield key operating parameters ( i.e., temperature and liquid meniscus curvature) of the CVB. The modeling results of the outside wall temperature in the evaporator were found to agree well with the measured experimental data. An area average heat transfer coefficient was used to characterize the heat transfer on the inside wall of the evaporator. The value of this heat transfer coefficient was found to increase with the heat flow rate. The fluid flow model with the heat transfer model in the evaporator to provide the energy balance was used successfully to fit the experimental curvature data. The mass flow rate in the bottom corners of the CVB was found to be higher than that in the top corners due to the gravitational body force.     

HEAT TRANSFER AND FLUID FLOW IN A NONISOTHERMAL CONSTRAINED VAPOR BUBBLE

A Constrained Vapor Bubble (CVB) with a relatively large Bond number formed by partially underfilling liquid in an evacuated cavity is capable of high thermal conductance. Il operates on the principle of closed loop phase-change along with capillarity to circulate the working fluid. Analytical investigations were conducted to compare with existing experimental data. A steady-state fluid flow model combined with a two-dimensional heat transfer model was developed and solved to yield key operating parameters ( i.e., temperature and liquid meniscus curvature) of the CVB. The modeling results of the outside wall temperature in the evaporator were found to agree well with the measured experimental data. An area average heat transfer coefficient was used to characterize the heat transfer on the inside wall of the evaporator. The value of this heat transfer coefficient was found to increase with the heat flow rate. The fluid flow model with the heat transfer model in the evaporator to provide the energy balance was used successfully to fit the experimental curvature data. The mass flow rate in the bottom corners of the CVB was found to be higher than that in the top corners due to the gravitational body force.     

分离式热管倾斜布置蒸发管流动特性的试验研究

采用加热石英玻璃管模拟分离式热管倾斜布置蒸发段,通过可视化试验和壁温侧量,对蒸发段工质的流型进行了观测和分析,发现在蒸发段前部存在一种脉冲对流的流动状态,分析了其流动特点;着重研究了倾斜角度、充液量和热流密度对流动规律的影响;由试验数据回归整理了相应的合理充液率关系式,与试验数据吻合较好,并与垂直蒸发段的流动特性进行了比较。