重力热管两相传热特性影响参数的数值研究

重力热管以其极佳的传热能力广泛应用于工程领域，而对于单根热管传热性能的提升则能够更好地提高换热设备的效率。本文通过数值模拟方法，分析了重力热管参数变化对其传热特性的影响。结果表明：VOF (Volume of Fluid)模型能够捕捉重力热管内部的蒸发冷凝现象；热管热阻随着充液率或加热功率的增大而减小；在一定范围内，热管热阻随热管内径增大而减小，随冷凝段长度增大而先增大后减小，但冷凝段长度过小会导致气液循环效果变差，因此，在实际设计中应考虑热管传热极限及安全长度比，保证热管的安全运行。     

环路型脉动热管启动特性的试验研究

建立了部分可视化的环路型铜管-乙醇脉动热管试验台,通过合适的管路布置实现不同的环路数目,试验通过动态数据采集和对管内流型的观察,研究了不同环路数目、充液率、倾斜角度和加热量情况下无重力和逆重力运行的启动特性以及环路数目对传热性能的影响.结果表明:当脉动热管运行时,在相同加热功率下,热阻随着环路数目的增加而减小,在相同环路数目下,热阻随着加热功率的增加而减小;超过一定环路数目并且加热段有适量的工质和足够大的加热功率下,其可以无重力启动运行,但本装置还没有实现逆重力启动运行.     

不同工质沟槽式微热管传热性能实验研究

为了研究工质对沟槽式微热管传热性能的影响,通过试验对不同充液率下,不同工质对沟槽式微热管的温差、热阻与极限功率等性能的影响进行研究.结果表明:充液率对丙酮热管的温差变化影响较大,在相同情况下,丙酮热管需要更高的充液率.乙醇热管的温差性能较差,但充液率小的乙醇热管其热阻较小.水热管的极限功率最高,且在100%的充液率时,有着最为良好的传热性能,较另两种工质更适合用于高功率场合.该研究对实际生产和应用中的工质选择有着重要的参考意义.     

横管蒸发纵管冷凝式热管充液量、倾角对传热的影响

通过搭建试验台对横管蒸发纵管冷凝式热管进行试验研究,分析该型热管在不同充液量和不同的倾角的情况下传热性能的变化。经分析发现,充液量和倾角两个因素都对该型热管的传热性能有很大影响。当倾角变化时,其热阻随倾角增加而不断增加且存在临界角。倾角在到达临界角之前热阻上升缓慢,倾角大于临界角后其热阻急剧增大。当充液量变化时,随充液量增大热管热阻先减小后增大;且在60%充液量时热阻最小,传热性能最佳。     

甲醇/丙酮振荡热管的传热性能研究

作为高效传热元件,振荡热管在解决微小空间但热通量较高的电子器件散热方面具有独特的优势,其工质的选取对振荡热管的传热性能具有重要影响。采用甲醇、丙酮纯工质及两者不同配比(7︰1,4︰1,1︰4,1︰7)的混合工质,对不同充液率(45%,62%,70%)和加热功率(10~100 W)工况时的热阻特性进行试验,分析甲醇、丙酮工质的物性及其相互作用特性对振荡热管传热性能的影响,得到甲醇/丙酮二元混合工质振荡热管的传热特性。结果表明:小充液率时,振荡热管蒸发段均出现明显的烧干现象,混合工质振荡热管烧干时热阻较纯工质小,即在50 W时,甲醇、丙酮纯工质振荡热管热阻分别为1.509℃/W、1.484℃/W,而甲醇/丙酮1︰7时振荡热管热阻为0.88℃/W,其他配比时热阻在纯工质及混合工质配比1︰7之间,特别是在丙酮中加入少量甲醇(比如甲醇/丙酮1︰7)能有效地改善振荡热管的烧干情况;大充液率下,混合工质振荡热管热阻随着加热功率的增大变得较为平缓且相互之间相差不是不大,传热性能普遍较好。     

并联分离式热管内传热特性的试验研究

对一组毫米级的并联分离式热管进行了可视化试验研究。该热管由石英玻璃制成,蒸发段及冷凝段均由7根立管(内径为4 mm)组成,且蒸发段与冷凝段由绝热段(内径20 mm的横管)连接。采用甲醇为工质。本试验的目的是,揭示毫米级的小管径热管内部所存在的复杂的气液两相现象,更好地了解其运行特征。试验表明加热温度及充液率等对并联分离式热管的流型及热力性能有着重要的影响。     

一种新型低温热管传热性能的试验研究

对某内部一体式吸液芯结构的低温热管进行了一系列试验研究,主要分析了该型热管水平工况下不同加热功率及工作温度对其轴向温度分布、最大温差、当量导热系数、总热阻以及蒸发/凝结传热系数的影响。研究结果表明:该型热管元件在-30~0℃的工况下具有较好的均温特性和传热能力,适用于对恒温特性有一定要求的0~40W的小功率热量传输场合。     

多通路并联回路板式脉动热管可视化及启动性能试验研究

针对多通路并联回路板式脉动热管搭建试验台,选用无水乙醇作为工质,在不同的充液率、倾斜角度和加热功率情况下,观测工质的流型以及流动方式的变化,分析脉动热管的启动特性。结果表明,工质的流型为泡状流,汽液塞间隔分布的塞状流,塞状流与环状流并存的混合流,整个通道中不存在完全是环状流的流型;充液率为10%时,工质主要分布在脉动热管的中间部位,充液率为35%~85%,工质分布的均匀性增强;运行过程中工质以塞状流(靠近冷凝端)和环状流(靠近加热端)并存的混合流形式存在,随着加热功率的增加,环状流的平衡位置逐渐向冷凝端移动;启动方式为温度渐进式,启动时间随着加热功率的升高而缩短,倾角的减少而增加,在竖直状态下,脉动热管能够较快启动,正常启动范围为60°~90°,倾角为45°和30°时不能稳定启动。     

CTAB表面活性剂脉动热管性能研究

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)阳离子型表面活性剂水溶液为工质,对不同浓度的CTAB表面活性剂水溶液脉动热管的启动过程、温度振荡曲线、及传热特性进行了试验研究,并与去离子水进行对比。结果表明:随着表面活性剂浓度的增加,脉动热管的启动时间先增加后减少。浓度为0.25%的CTAB水溶液启动时间相比去离子水减少28.5%。高加热功率下,高浓度CTAB水溶液(≥0.125%)脉动热管在稳定运行阶段温度振荡幅度明显减小,且蒸发段运行温度相比去离子水降低20%。CTAB对脉动热管传热强化作用与加热功率密切相关。低加热功率下(≤40 W),CTAB表面活性剂的添加增大了传热热阻;高加热功率下,高浓度CTAB脉动热管的传热热阻明显降低。对于浓度为0.25%的CTAB水溶液脉动热管,当加热功率从20 W升高到100 W时,热阻从1.73 K/W降低到0.3 K/W,减小了83%。     

微沟槽热管拉削成形工艺及其传热性能研究

提出一种热管内表面微沟槽拉削成形方法,利用多齿拉刀在铜管内表面的挤压作用加工出具有连续翅结构的微沟槽,并通过实验研究了微沟槽热管的启动性能、等温性能以及不同倾角下传热功率.结果表明:拉削成形微沟槽热管在约(15～20)s内实现启动,具有快速热响应能力;热管还具有良好的等温性能,蒸发段和冷凝段的温差较小;热管内真空度对热管传热性能有很大的影响;热管在重力辅助条件下传热功率最大,水平放置时次之,反重力状态下传热功率最差.     

乙醇水溶液脉动热管传热特性研究

以体积分数为50％的乙醇水溶液为工质,在充液率为50％的情况下,对多环路脉动热管的传热特性进行试验与机理研究,并与无水乙醇的传热效果进行对比.结果表明,采用乙醇水溶液的热管热阻明显低于无水乙醇脉动热管的热阻,并且加热功率的极限值较高.当倾角为90°时,采用乙醇水溶液的热阻值最低约0.1℃/W,传热极限约为300W.采用无水乙醇作为脉动工质,倾角为60°时的热阻为采用酒精水溶液的1.34～1.49倍,倾角为30°时的热阻为1.28～1.50倍.     

微沟槽热管传热性能实验研究

为研究充液率、真空度和长度对热管传热性能的影响作用,利用基于虚拟仪器技术的热管传热性能测试平台对直径6mm的微梯形沟槽热管在不同充液率、不同真空度以及不同长度等条件下进行实验测试.实验表明:微沟槽热管的最佳充液率在(75～100)%之间.热管内必须具备足够低的真空度,且充液率需根据真空度的不同适当调整.热管长度缩短可以提高其传热性能,但长度较短时,需适当提高充液率.     

圆管式及方槽板式脉动热管的比较

对圆管式及方槽板式脉动热管试验进行了结构及运行特性的比较.分析表明,与圆管式脉动热管相比,方槽板式脉动热管存在尖角的毛细吸附力以及相邻槽道通过薄壁的横向热平衡.这些结构因素影响脉动热管的运行特性.试验表明,在水平及垂直顶部加热模式下,两种热管的最佳充液率范围相同,均为40%～70%;在垂直底部加热模式下,圆管式脉动热管的最佳充液率范围是30%～70%,而方槽板式脉动热管的最佳充液率则为15%.     

双蒸发管组冷风机重力再循环供液的试验研究

针对以往重力再循环供液制冷系统的气液分离器放置冷库外部造成冷量损失的问题,设计了带有双蒸发管组冷风机且气液分离器放置内部的重力再循环制冷系统并与直接膨胀制冷系统进行了对比试验,研究不同库温和不同冷凝温度对两种制冷系统的制冷量,压缩机功率等参数影响。结果表明,重力再循环采用双蒸发管组冷风机后,在库温-20,-25,-30℃工况下,相对于直接膨胀制冷系统的性能系数增加8.81%,9.27%和10.51%,在冷凝温度20,30,35℃工况下,相对于直接膨胀式制冷系统的性能系数增加5%～10%,因此带有双蒸发管组冷风机的重力再循环在低温下运行更具有优势。     

板式脉动热管强化传热方法研究

为了研究板式脉动热管的传热性能强化的方法,对原型和改进型两种不同板式脉动热管传热特性进行数值分析比较。基于VOF方法建立板式脉动热管汽液两相流动及相变传热三维非稳态数学模型,仿真得到不同加热功率条件下热管内流型演化和温度分布。仿真结果表明,改进型脉动热管在高功率阶段,整体等效热阻小于原型。     

夏热冬冷地区回路热管应用于农村通信基站散热的特性研究

农村通信基站的能耗已逐年上升,夏热冬冷地区如何利用自然冷源来代替基站空调成为当前农村通信基站节能减排的核心问题之一。针对这一情况提出了一种应用于农村通信基站散热的铜/甲醇回路热管(LHP)装置,试验研究了不同布置方式、不同充液率以及不同空气流速下LHP的换热特性。研究结果表明:当LHP蒸发端布置在机柜3/4处,能有效降低机柜整体散热量,满足基站运行温度30℃界限,同时能优化LHP启动特性和基站换热特性;保证热管运行在最优工况下,热管充液率应为50%;为了提高LHP换热效率,机械送风风速维持在3~5 m/s,能满足LHP换热要求,并且降低了风机能耗;当机柜的设备散热功率为1 k W的时候,热阻达到了0.008 K/W左右,表明回路热管系统运用在基站散热具有良好的传热特性。     

管径与蒸发段壁温对重力热管流型影响的数值模拟研究

以铜-水重力热管为研究对象,基于流体体积模型,对在不同管径和不同蒸发段壁温下的热管流型进行数值模拟研究。研究结果表明:随着管径增大,蒸发段截面含气率降低,重力热管内较难聚合大气泡,流型以泡状流为主;随着蒸发段壁温升高,泡状流聚合成弹状流的位置前移,且弹状流沿管程方向更易聚合为块状流;蒸发段截面含气率沿管程方向总体呈递增趋势;相对于蒸发段壁温,管径对气液两相流的流型影响更为明显。     

水基Fe_3O_4磁性液体脉动热管传热性能实验研究

针对磁性液体脉动热管传热性能及其影响因素问题,在风洞试验台上,采用电加热方式对13种水基Fe_3O_4磁性液体脉动热管及1根水工质脉动热管传热性能进行了试验研究。测量了磁性液体工质质量浓度(1. 5%,3%,4. 5%,9%,12%)、热管冷热段长度比(12∶14,14∶12,16. 5∶9. 5)、充液率(30%,50%,70%)、结构形式(等高,渐高,高低结构)、外磁场强度及作用角度,随电加热功率变化下的脉动热管传热性能,对脉动热管性能影响规律进行了对比分析与归纳。研究结果表明:4. 5%磁性液体质量浓度,50%充液率,冷热段长度比为14∶12,8弯头等高结构且在无外加磁场下的脉动热管传热性能最优;热阻最小值较水工质脉动热管降低了85%,并且热传导系数较紫铜导热系数提高了340倍。     

带汽液分离腔的树状微通道热管运行性能研究

设计了一种超薄的新型闭环热管(BLHP),该热管蒸发器部分采用树状仿生微通道代替吸液芯,并在冷端嵌入汽液分离腔。着重研究了30%～70%充液率下BLHP的运行特性和启动特性。试验结果表明:BLHP运行方向为逆时针单向循环;BLHP存在启动温度阀值,不存在启动功率阈值,最低启动温度为36.5℃;充液率70%时热阻最低(低至0.12 K/W),启动时间最短(43 s);汽液分离腔的"液池效应"具有稳定工质方向和加速启动的作用;热管中树状仿生微通道比并行通道具有更好的抗振荡特性。     

用于电子冷却的热管性能分析

进行了充水热管、铜棒及空热管的热性能对比实验,结果表明热管利用水的两相沸腾换热来对功率模块内的集中热源进行扩散,其热扩散能力大大高于以导热热扩散的金属基板,利于消除芯片中出现的热点,用于电子冷却比金属导热块有更大的优势,并且热源方向和重力对金属烧结粉末热管几乎没有影响.当蒸发端在冷凝端顶部时,槽道和丝网芯热管不理想,均温效果差.提出采用一种简化热管数学模型进行有限元模拟,大大缩短了计算时间和工作量.