脉动热管技术研究进展

脉动热管作为一种新型热管技术,具有结构简单、成本低廉和传热性能好,适应性强的优点,尤其在微电子散热、冷冻技术以及航空航天热控技术中郝极具应用潜力.本文介绍了脉动热管的结构及其工作原理,在综述有关脉动热管实验、数值模拟、实际应用的基础上,指出其今后的研究方向是脉动热管的多样化、微小化、实用化.     

脉动热管技术研究及应用进展

脉动热管由于具有结构简单、成本低廉、传热性能突出及环境适应性强的优点,已成为近年来热管技术领域的一个研究热点。本文在介绍脉动热管基本工作原理和结构特征的基础上,系统综述了其在可视化、传热特性实验和理论模拟分析等方面的研究现状,并就纳米流体脉动热管和微型脉动热管的研究进展作了一定报道,同时还总结了脉动热管在微电子冷却、余热回收、干燥、太阳能集热和制冷空调等方面的应用研究情况。最后,分析探讨了脉动热管研究中包括模型预测、设计优化、传热极限等在内的一些尚需解决的关键问题和今后的研究发展趋势。     

脉动热管强化传热的研究进展

介绍了脉动热管传热中存在的问题,归纳了目前国内外对脉动热管强化传热改进的几种方法,分析了目前热管结构改进对脉动热管传热性能的影响和其传热机理,概括了混合工质和在工质中添加表面活性剂、长链醇、纳米颗粒、磁性颗粒等方法对工质的物性改进的研究情况,并对脉动热管强化传热的进一步研究做了展望。     

用于空调能量回收的板式脉动热管换热器

为提高脉动热管换热器在空调系统排风能量回收中的换热效率,提出了一种新型并联槽道板式脉动热管及由其组成的换热器。首先对单片热管在空调排风夏季工况下的能量回收情况进行了传热性能实验研究,影响因素包括槽道当量直径、充液率、工质种类、风速、风温、微倾角;然后对一组由7片热管顺排形成的板式脉动热管换热器的换热效率进行了计算。研究表明：新型板式脉动热管的适用工质为R141b,最佳充液率为25%;传热性能随新风温度及风速的升高而增强,新风、排风温差小于6℃时热管不启动;随风速增加,换热量增加,但换热效率有所降低;给定工况下板式脉动热管散热器的换热效率为44.1%;微倾角可使空调能量回收系统在保证良好换热效率的同时实现换季不换向,热管安装宜采用+2°左右的微倾角。     

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。     

不同结构下两弯头脉动热管的数值模拟

脉动热管以其独特的换热优势,在电子器件的散热领域取得了卓越的成效。因此提出一种带有锯齿波纹段的两弯头新型脉动热管,并采用数值方法研究了波纹段的布置位置对脉动热管运行性能的影响。结果表明新结构脉动热管的传热性能和启动特性都优于传统结构的脉动热管。此外,当锯齿段布置在热管两端时,具有较短的启动时间,尤其位于冷凝段时锯齿型脉动热管具有更低的温差和最大的换热量。因此可以认为当波纹段位于冷凝段时,新结构脉动热管具有最优的运行特性。     

脉动热管间协同耦合强化传热特性实验分析

引言 脉动热管是一种新型热管,其结构简单、可以实现高热流密度传热,在电子元器件的冷却及航天领域极具发展潜力,由Akachi于20世纪90年代最早提出.现有的脉动热管技术只是将单个热管应用到传热领域,从自激振荡流热管的工作原理可以看出,要进一步强化其热量传递过程有2个基本途径:一是强化管内汽-液介质与管壁之间的传热;二是提高其振荡频率和运行的循环动力.     

板式脉动热管的实验与应用研究进展

板式脉动热管具有结构简单、成本低、适应性好、传热性能极佳、易于微小型化等优点,因此作为微小设备冷却系统更具竞争力,也吸引了众多研究者的关注,但目前仍缺乏有效的设计准则指导工程应用。本文在介绍了脉动热管的工作原理及特点基础上,综述了近年来针对板式结构所开展的研究,以水力直径变化为主线总结了传热性能的研究,包括管内流型和振荡特征、主要参数的影响以及进一步提高传热性能的途径;回顾了有关启动特性的研究,涉及启动条件、启动过程时间与温度的关系及相关理论分析;介绍了目前传热极限发生机理的分析,同时简述了板式脉动热管应用方面的研究进展;最后指出了目前未能解决的关键问题,特别是为充分发挥板式结构微小型化的优势,对影响启动条件的参数研究至关重要。     

倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响

针对多通路并联回路板式脉动热管建立实验台,采用铜质模块加热和水浴冷却方式作为热工条件,着重考察脉动热管在不同倾角（90°,75°,60°）及冷却工况（4.5 g·s^-1和9.0 g·s^-1）下的传热性能,通过壁面温度的振荡和传热热阻来评价其传热效果。实验结果表明,重力对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响较大,随着倾角的减少,工质的回流变弱,传热热阻变大,传热极限变低;脉动热管的加热功率与冷却能力是相互匹配的,匹配度越高,脉动热管越不易干烧,传热极限越高,在有倾角的工况下提高传热极限表现得更为明显;脉动热管运行时存在一个最佳水流量,在最佳冷却工况下,脉动热管的运行热阻最低。     

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。     

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。     

表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响

为了深入理解表面浸润性对脉动热管传热性能的影响,利用碱性辅助表面氧化技术,通过控制氢氧化钠和过硫酸铵溶液与铜表面反应浓度的变化,制备了具有不同浸润程度表面的脉动热管,其表面接触角分别为0°、33.9°、55.7°、84.3°。通过实验研究了表面浸润程度对脉动热管传热性能的影响。结果显示,随着脉动热管内部浸润性的增强,其脉动频率及幅度增加,脉动热管热阻及温差降低,传热性能得到强化。     

闭式重力热管的强化传热研究进展

重力热管具有传热性能优良、工作可靠、结构简单、制造方便、成本低廉、热流密度可变性、二侧热阻可调性等优点,使其应用领域不断增加。但随着能源的高效利用和强化传热技术的进一步发展,在某些特殊场合,普通重力热管满足不了传热和冷却的需求。为了从根本上提高管内的沸腾和凝结换热系数,提高重力热管的传热能力,科学研究者提出了多种强化传热的途径。文中主要从改变热管自身表面结构强化传热、热管内插件强化传热、多相流强化传热3个方面,综述了近年来闭式重力热管强化传热的途径及强化传热的效果,并对今后重力热管的强化传热研究的方向进行了展望。     

高热流密度电子元件中热管散热技术的进展

散热器的散热性能是影响电子元件使用寿命与安全性的重要因素,热管以其空间尺寸小、冷却能力高、无需消耗动力等优点在高热流密度元件的散热技术领域得到广泛应用.文中总结了热管散热器整体结构设计的创新尤其是热管的不同排布和组合,研究了热管元件性能的提高包括热管内部吸液芯的改进、复杂结构吸液芯的制造,分析了纳米流体工质的引入对换热效果的强化,介绍了散热器热性能分析和参数优化的相关方法.通过分析总结国内外研究成果,提出了新概念热管散热器的结构设计、纳米流体理论模型及复合吸液芯的加工制造等方面的发展趋势与展望.     

振荡热管内的振荡及传热传质特性

通过分析振荡热管内部气液两相系统的受力和传热传质过程,对振荡热管进行了合理的简化和假设,建立了详细的理论模型.以n型单液塞振荡热管为例,采用显示差分法求解建立的控制方程,并预测传热传质特性和液塞的振荡行为,结果显示：液塞在毛细管路内的运动既有宏观振荡又有局部振荡,振荡的幅度和频率在增大和减小中交替变化,没有固定的周期;液塞两侧气泡间的压差是其振荡的主要驱动力,当振荡热管非水平工作时,需考虑重力的影响,与其他力相比,毛细阻力对液塞振荡的影响可以忽略;液膜短时间内的干涸是诱发新一轮振荡以及强化传热的源动力.     

相变储热的传热强化技术研究进展

相变储热技术具有储热密度大、相变温度稳定以及过程容易控制等优点,具有广泛应用前景。相变储热技术在应用中需完成热能的储存与释放过程,其传热特性直接决定应用效果。储热技术的传热强化主要包括三个方面：一是相变材料本身的导热强化;二是潜热型功能热流体的对流传热强化;三是储热器的传热强化。本文综述了国内外在相变储热技术的传热强化研究方面的进展,主要介绍了膨胀石墨、泡沫金属等复合相变材料的导热强化,相变微胶囊及相变微、纳米乳液潜热型功能热流体传热强化以及管壳式储热器、板式储热器、螺旋盘管储热器等储热器的传热强化。文章指出,膨胀石墨基复合相变材料具有高热导率、大储热密度以及良好的定型特性,且价格低廉,极具应用前景。纳米乳液功能热流体具有表观比热容大、流阻较小等优势,但存在稳定性较差、过冷度大等问题。板式储热器具有较大的传热面积、较高的传热功率,适宜应用于相变材料传热系统。但应用背景不同,针对不同场景提供不同储热器的选型及指导值得作进一步的研究。     

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%。     

振荡热管内不同形态纳米颗粒流动及传热特性

主要针对不同形态的纳米颗粒在振荡热管内的流动及热传输特性进行了实验研究。在相同的压力、相同的热管倾角、不同的充液率条件下,对振荡热管内工质分别为Cu-水纳米流体以及Cu-水纳米流体中Cu纳米颗粒沉积后溶液的流动以及热传输特性进行了实验研究,并与工质为蒸馏水时进行了对比实验分析,以此来研究振荡热管内气、液以及纳米颗粒多相流动存在时,对热管传输特性的影响。实验表明：当振荡热管内存在气、液以及不同形态的纳米颗粒多相流动时,对其传热特性会产生很大的影响,在一定条件下会起到强化传热的作用。     

翅片重力热管传热性能实验研究

热管是一种利用工质相变传热,具有传热温差小、热响应速度快、换热量大等优点的传热元件。为研究翅片重力热管的传热性能,实验测试了翅片重力热管与平板重力热管（铝-丙酮工质）的传热性能,比较了其瞬态热响应速率,获得了翅片与平板重力热管在蒸发段不同电功率稳定加热条件下表面温度沿高度方向的变化规律,计算了平板热管的等效热导率,并与铝板测量结果进行了对比。结果表明：重力热管传热速度快、表面均温效果好,热导率随功率的增大先升高后降低,整体上热导率高达纯铝的84~258倍,翅片热管相比于平板热管具有更好的均温性和散热效果,在建筑供暖、车载电池散热、余热利用等领域具有广泛的应用前景。