非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质（HFE-7100和水）,其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质, HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明：相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/dT)_sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%～70%充液率,10～100 W加热功率以及水/丙酮13：1、4：1、1：1、1：4、1：13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明：混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比（如水/丙酮13：1混合工质）以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水（如水/丙酮1：13混合工质）能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质（如水/丙酮13：1混合工质）对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35～50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率（50～100 W）,水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%~70%充液率,10~100 W加热功率以及水/丙酮13:1、4:1、1:1、1:4、1:13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明:混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比(如水/丙酮13:1混合工质)以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水(如水/丙酮1:13混合工质)能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质(如水/丙酮13:1混合工质)对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35~50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率(50~100 W),水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

戊醇/丙酮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,文中将戊醇/丙酮混合溶液应用于振荡热管中,研究戊醇/丙酮混合工质振荡热管的传热性能,并与戊醇、丙酮纯工质振荡热管比较。分别对不同充液率(45%,55%,62%,70%)下,不同体积比(1∶2,1∶4,1∶7)的戊醇/丙酮混合工质振荡热管的传热特性进行了实验研究,结果表明:戊醇/丙酮混合工质振荡热管及戊醇纯工质振荡热管的热阻比较接近;在低、中充液率(45%与55%)下,戊醇/丙酮混合工质振荡热管以及戊醇纯工质振荡热管的抵御烧干能力比丙酮纯工质振荡热管要好;在高充液率(62%与70%)下,丙酮纯工质振荡热管的传热性能最优。     

两组元乙醇基混合工质振荡热管的传热性能

通过实验研究乙醇中分别加入少量水、丙酮、甲醇,体积比分别为2：1、4：1,加热功率从10 W到100 W,充液率为45%、55%、62%、70%、90%时振荡热管的热阻特性,并与纯乙醇工质振荡热管相比较。结果表明,45%充液率时,乙醇中加入水可以改善烧干,混合工质较乙醇、水纯工质振荡热管热阻小;55%充液率时,乙醇-丙酮混合工质较乙醇、丙酮纯工质振荡热管热阻小;大充液率62%～90%时,两组元乙醇基混合工质振荡热管传热性能略不如各纯工质振荡热管。混合工质对振荡热管的影响主要与物性、分子间相互作用、溶液汽液相平衡及相变特性、传质阻力有关。     

振荡热管的运行特征和传热机理

选取62%充注率去离子水振荡热管实验为例,结合前人得到的振荡热管的可视化实验研究成果,揭示了随加热功率不同,振荡热管运行特征、温度振荡及传热机理的对应变化过程。结果显示:振荡热管在没有启动振荡之前,管内工质没有明显宏观质量迁移运动,蒸发段、冷凝段壁面温度均无振荡变化;在启动振荡之后,随着加热功率的增大,管内工质由上下徘徊振荡、不稳定振荡循环流动至稳定单向循环流动;流型的变化也由泡状流、弹状流、塞状流至环状流转变,流速增大;伴随流型、流速的改变,蒸发段、冷凝段壁面温度的振荡变化由没有振荡、大幅度小频率、至小幅度大频率振荡,传热能力不断增强,热阻不断减小。文中为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。     

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。     

液态金属微液滴脉动热管的传热性能

利用室温液态金属和表面活性剂溶液混合工质的振荡运动,在脉动热管中形成液态金属微纳液滴分散的高热导率混合流体并提高其传热性能。本文将液态金属表面活性剂混合工质引入六弯管板式脉动热管中,在不同液态金属填充量和加热功率下开展可视化和传热性能实验。实验结果表明,液态金属在表面活性剂混合工质中通过振荡自分散成球形液滴且相互之间不易发生合并,并在表面活性剂工质中留下粒径在410~520nm的纳米颗粒。传热性能方面,液态金属填充量在20%~25%时,液态金属球形液滴的黏度高、质量大,会阻碍混合工质的振荡运动从而降低脉动热管的传热性能,填充量在5%~10%时,混合工质耦合了液态金属的高热导率特性,有效提高传热性能,热阻最多降低11.21%。     

工质表面张力和黏度对脉动热管启动及传热热阻的影响

以表面活性剂全氟辛酸钾(potassium perfluorooctanoate,PFOK)为溶质,以纯水为基液,配制了质量分数为0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%共5种溶液并进行了物性测试,发现PFOK对水的表面张力改变较大,黏度其次,比热容、密度、热导率等参数影响较小;实验研究了不同表面张力及黏度工质对内径为2.5mm的脉动热管在不同加热功率下的启动时间和传热热阻的变化规律。结果表明:加热功率对启动时间的促进作用在≤60W时较为明显;由于黏度增加的影响,表面张力对启动时间及传热热阻的变化规律都呈现W形图像;并且随着加热功率的增加,表面张力和黏度对传热热阻的影响作用下降。     

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。     

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。     

SDBS对铜-水脉动热管启动及传热性能影响

脉动热管工质气泡的产生、脉动、分裂、合并是脉动热管运行特性的重要影响因素。而表面张力是气泡产生、脉动、分裂、合并运行规律的重要影响参数。以表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)为溶质,以去离子水为基液,配制了质量分数为0.001%、0.005%和0.009%的3种溶液。测试发现表面活性剂的添加对水的表面张力改变较大,浓度为0.005%时表面张力降低了42.2%,而对水的比热容、密度、黏度影响较小。在自行设计搭建的脉动热管传热性能实验台上,对比实验测试了在不同浓度、不同加热功率下表面张力对脉动热管启动及传热性能的影响规律。研究结果发现:表面活性剂可以减小脉动热管启动时间,在低加热功率条件下(≤90 W),0.001% SDBS水溶液的启动时间最快,最快比水快了11.2%;而在大功率加热条件下,SDBS的添加对启动时间影响较小。而且表面活性剂可以改变脉动热管传热性能,使其热阻出现不同程度的减小。     

氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性

以氧化石墨烯分散液(浓度为0.5mg/mL)和正丁醇水溶液(质量分数为0.5%)的混合溶液(体积比2:5)为工质,充液率为50%,对不同加热功率条件下环路脉动热管稳定运行的传热特性进行实验研究,并与正丁醇水溶液和去离子水的传热性能进行对比,分析了混合溶液在脉动热管稳定运行时冷热端温差和传热热阻的变化特点,探究了氧化石墨烯对自湿润流体传热性能的影响。研究结果表明:在自湿润流体中加入氧化石墨烯能够强化脉动热管的传热特性,但是和脉动热管的加热功率密切相关;在低加热功率下,氧化石墨烯对自湿润流体脉动热管的传热特性没有强化作用;随着加热功率的增加,强化作用明显增强,而当加热功率过大时,强化作用又会逐渐减弱。     

振荡热管的热阻变化规律及烧干特性

振荡热管作为高效传热元件,在解决微小空间而热通量较高的元器件散热方面具有独特的优势。虽然振荡热管结构简单,但其内部运行规律多变复杂,目前还处于探索研究阶段。通过对实验结果的分析,得到随加热功率和充液率改变振荡热管的热阻变化规律,探讨了不同工况所对应的传热机理;同时还对振荡热管的烧干特性进行了分析和研究。所做工作为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

基于红外热成像技术和高速可视化观测手段,得到了不同热负荷下脉动热管冷凝段表面的温度分布和管内工质的运行状态,分析了两者与热管传热性能间的内在联系。研究表明:随着热负荷的升高,工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式;冷凝段内主要出现泡状流和塞状流两种流型且离散气泡所占的份额逐渐减小;不同运行模式下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布各具特征;冷凝段表面的红外热图像可成为辨识管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。     

氧化石墨烯/水脉动热管的启动及传热特性

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种新型二维平面结构碳纳米材料,具有高导热性和强亲水性。通过实验研究GO纳米流体对脉动热管(PHP)启动及传热的影响。PHP是由3个弯头构成的闭式回路,采用垂直底部加热,功率范围10~105 W;冷凝段强制风冷。去离子水为基液,GO浓度范围0.02%~0.11%(质量分数);固定充液率约50%。结果表明：适当添加GO纳米颗粒可有效改善启动性能。当浓度为0.05%、0.08%时,启动温度可分别降低28.6℃(33.9%)、26.2℃(31.1%),启动时间分别缩短320 s(19.5%)、304 s(18.5%),启动过程更加平稳。GO纳米流体对PHP的传热强化作用与浓度及功率有关。当浓度在0.02%~0.08%范围、加热功率在20~105 W范围时,传热强化率在18.6%~57.1%之间,强化作用明显。在上述浓度范围(0.02%~0.08%)内,随着加热功率增加,热性能改善程度先增加,而后逐渐减少;加热功率为30 W时,热性能改善程度可达到46.1%~57.1%。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Bo、Mo、Pr、Ja^* 等无量纲数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能。     

正火预处理对脉动热管启动时间的影响

启动时间是脉动热管的重要性能指标,与管内壁的表面结构及工质润湿性密切相关。本文分别采用氧乙炔、钎焊炉正火与马弗炉500℃保温5h、480℃保温9h退火等4种处理方式对脉动热管进行预处理,观察了热管的内表面结构,测试了工质在相应表面的润湿性,并与未经处理的脉动热管内进行了对比,分析了脉动热管内表面性质对启动过程的影响机理。以几何参数相同的脉动热管为对象,以无水乙醇为工质,在50%充液率、垂直底部加热的条件下针对氧乙炔正火预处理前后的脉动热管的启动性能进行了对比实验。结果显示,经氧乙炔正火预处理后的脉动热管,工质在管内壁面的润湿性得到改善,热管的启动时间缩短且加热功率越小影响越大,在加热功率30W时启动时间缩短了74s。