平板陶瓷毛细芯环路热管的实验与仿真

设计并制作了一种平板陶瓷毛细芯环路热管,以环保型制冷剂R245fa作为工质,实验研究了其传热性能;在传统热阻网络模型基础上,优化了其计算过程,通过两条路径并行计算储液器温度,并以二者残差作为收敛条件,提高了计算速度。实验与仿真结果表明,进入固定热导区后,冷凝器热阻占系统总热阻的90%左右,当系统刚刚进入固定热导区时,蒸发器热阻最小,此时蒸发器传热性能最佳;仿真结果与实验结果吻合度较高,温度计算误差最大不超过5℃,热阻的相对误差最大为17%,通过模型计算得到工质在流经毛细芯内部时产生的压降占系统总压降的90%,蒸发温度随着毛细芯厚度的增大而减小,随着毛细芯有效热导率的增大呈现先减小后增大的趋势;增加毛细芯厚度有利于减小毛细芯向储液器的漏热,毛细芯有效热导率的增大会显著增加漏热,不利于系统运行。     

热负荷分布对双蒸发器环路热管传热性能的影响

针对各自带液体补偿器的双蒸发器环路热管,采用模块化建模方式,数值模拟了不同热负荷分布下蒸发器毛细芯内的温度分布,确定了最优负荷分布模式以及系统传热极限。结果表明:施加于双蒸发器上的热负荷将同时影响双芯的温度变化,最优的热负荷分布模式为等热量分布。在一定的热沉温度下,并联双蒸发器环路热管的传热性能要明显优于单蒸发器环路热管,并以此求得该模型的传热极限为130 W,远大于同尺寸单蒸发器环路热管的传热极限37 W。     

不同灌充率对一种新型环路热管运行特性的影响

环路热管作为一种利用工质相变传输热量的装置,被广泛应用于电子器件散热。研究表明在环路热管运行中,蒸发相变产生的气相压头不能忽略。本环路热管与毛细力热管的区别在于,将吸液芯与蒸发器底板分离,专门形成一个蒸发腔,工质的相变发生在蒸发腔内,以此增大气相压头驱动工质循环。实验研究了在不同灌充率（15%～85%）下的热管运行特性。结果表明：突出气相压头的环路热管可以在较宽泛的灌充率（20%～75%）下正常运行,并且存在最佳的灌充率（35%）,可使蒸发器底板温度在65.1℃运行。通过不同灌充率的实验研究,可以为承担不同热负荷散热的环路热管设计优化提供参考,并指导后续的实验研究。     

不同灌充率对一种新型环路热管运行特性的影响

环路热管作为一种利用工质相变传输热量的装置,被广泛应用于电子器件散热。研究表明在环路热管运行中,蒸发相变产生的气相压头不能忽略。本环路热管与毛细力热管的区别在于,将吸液芯与蒸发器底板分离,专门形成一个蒸发腔,工质的相变发生在蒸发腔内,以此增大气相压头驱动工质循环。实验研究了在不同灌充率(15%~85%)下的热管运行特性。结果表明:突出气相压头的环路热管可以在较宽泛的灌充率(20%~75%)下正常运行,并且存在最佳的灌充率(35%),可使蒸发器底板温度在65.1℃运行。通过不同灌充率的实验研究,可以为承担不同热负荷散热的环路热管设计优化提供参考,并指导后续的实验研究。     

超亲水毛细芯环路热管启动及热性能分析

为解决电子设备高热通量下的散热问题,采用H₂O₂氧化法对烧结毛细芯进行了超亲水改性,研究了毛细芯表面润湿性对吸液性能的影响。并将改性后的超亲水毛细芯应用到环路热管内,研究了倾斜角度及加热功率对超亲水毛细芯环路热管的换热特性的影响。实验结果表明:超亲水毛细芯的吸液速度增加,吸液时间较亲水毛细芯减小了3.52ms;与普通亲水毛细芯环路热管相比,在加热功率Q=200W时,超亲水毛细芯环路热管蒸发器中心温度降低了约6.0℃,在Q=20W时启动时间与温度分别降低了33s与2.5℃。同时发现超亲水毛细芯环路热管在正重力状态时的运行温度更低,热阻较小,最低热阻仅为0.084℃/W。     

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管（LHP）中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。     

环路热管中Ti64ELI毛细芯传热能力的实验研究

在环路热管(LHP)中,蒸发段的结构最为复杂,而其中的毛细芯是直接影响热管工作性能的部分,因此有很大的研究价值。为模拟LHP中毛细芯的真实运行情况,设计了一台在常温下测定毛细芯工作时表面温度的实验装置,对环路热管蒸发段毛细芯的传热能力进行独立的实验研究,分别采用乙醇和水为工质,在不同的加热功率下,计算毛细芯的有效热导率。研究发现,在低加热功率下,含乙醇的毛细芯的有效热导率要高于含水的毛细芯的有效热导率;而在高加热功率下,实验结果正好相反。本次实验的结论对于毛细芯传热性能的评估具有一定参考价值,也可以为LHP蒸发器的模拟仿真提供一定的实验数据。     

不同工质回路热管负载功率变化下的质量流量特性

为了进一步提高回路热管仿真精度并丰富回路热管实验研究方法,本文对回路热管瞬态传质进行实验研究。使用高精度质量流量计分别对以丙酮、乙醇、丙烯为工质的回路热管进行不同负载功率下的质量流量测量研究。结果表明：启动阶段,热负载10W时,丙烯回路比丙酮回路热管启动快,且两者的温度稳定均滞后于质量流量;稳定阶段,随着热负载功率增大,不同工质的回路热管的平均质量流量均线性增长,而瞬态质量流量则持续波动,其质量流量波动幅度均呈现先减小后增大的趋势。质量流量波动幅度会受到气体工质的可压缩性与作用在毛细芯内部上的热量的共同影响。通过频谱分析发现,液相质量流量波动还会受到冷凝器两相区的影响。高热负载下,作用在毛细芯内部上的热量占主导地位,质量流量波动加剧,同时出现周期性大幅波动,且其波动频率随着热负载增大而增大。     

平板形蒸发器环路热管的研究进展

环路热管是一种高效的传热装置。与其他传统的热管相比,其最大的优势是传热距离大、可反重力运行。对环路热管进行总结和回顾,既有利于推进环路热管基础理论的发展,也可促进新型、高效环路热管的开发与利用。本文根据蒸发器的形状对环路热管进行了分类,全面系统地介绍了近五年国内外关于平板形蒸发器环路热管的实验研究和理论模型研究进展,包括吸液芯结构设计、工质选择、蒸发器优化、蒸发器的模型研究及环路热管系统的模型研究,分析了6种吸液芯结构各自的优缺点与应用现状,比较了几种常见工质及3种常规平板形蒸发器环路热管系统模型之间的差异。最后对平板形蒸发器环路热管的研究现状进行了总结,并对未来其在实验研究和理论模型研究方面提出了科学的分析与展望。     

有/无泵辅助板式蒸发器环路热管系统性能的实验研究

实验研究了泵辅助和无泵辅助板式蒸发器环路热管系统的启动特性、不同热流密度下系统内工质的流动传热特性和热效率,以及在一定热流密度下不同泵功率对泵辅助板式蒸发器环路热管系统的影响。结果表明:无泵辅助系统需蒸发器内产生气态工质后才开始运行并进行换热,冷凝器内的工质是相变换热,而泵辅助环路热管系统一经启动就开始运行并进行热量交换,冷凝器内的换热方式逐渐由显热换热转变到相变换热;无泵辅助系统热效率随蒸发器热流密度的升高而升高,而泵辅助系统随蒸发器热流密度的升高而降低,泵辅助系统整体热效率高于无泵系统;当热流密度为0.25 W·cm~(-2)时,泵辅助环路热管热效率较无泵辅助环路热管热效率高22.1%,而当热流密度为1.25 W·cm~(-2)时,泵辅助系统仅比无泵辅助系统高2.7%,说明当热流密度较小时,泵辅助系统更具优越性;对于泵辅助环路热管系统,系统热效率随着泵功率的增加而减小,在1.25 W·cm~(-2)热流密度下,适用的泵功率强度不应超过0.002 W·cm~(-2),表明系统热流密度与泵功率存在最优匹配。研究结果可为设计分离型平板式太阳能热水器及热沉散热器提供参考。     

多蒸发器低温回路热管的运行特性

回路热管(LHP)是柔性高效的两相流换热部件,通过工质的相变以及毛细芯的吸附作用实现高效传热。多蒸发器回路热管(MeLHP)是在其基础上通过多个蒸发器并联实现对多个热源的高效热收集与排散,适用于空间探测技术中多阵列红外探测器的制冷。本文试验样机采用包含三个蒸发器的多蒸发器回路热管结构,管路以气耦合方式并联,管线非对称布置,工作温区为170K,采用乙烷为相变换热工质。以单蒸发器回路热管的数据为参考,在不同的加热功率及加热方式下对多蒸发器回路热管进行运行特性的实验研究,并从补偿器工作特性出发研究其充液率对性能的影响。实验证明,该MeLHP样机运行过程中具有良好的热分享特性,负载热量在各蒸发器间互相分享,且该特性有方向性,与两相流的流动特性相关,表现为低流阻回路向高流阻回路分享为有效分享,反之会引起高流阻性能变差而容易失效,因而低流阻回路分配更多热负载,有利于热管运行;MeLHP的传热极限与单蒸发器回路热管相当,并且实验还验证了MeLHP补偿器的工作方式为单一补偿器工作,因而对MeLHP充装时应适当提高充液率,以获得与单回路热管一致的性能。该研究有助于多蒸发器回路热管运行规律的掌握,对实际应...     

新型光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统

光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统将太阳能环形热管循环模式和太阳能热泵循环模式有机结合,两者采用相同的工质,共用一个PVT蒸发器和冷凝器。当太阳辐照强度较强,工质在PVT蒸发器中的温度高于冷凝器中的温度时,可以利用环形热管模式制热;当太阳辐照强度较弱或工质在PVT蒸发器中与冷凝器中的温差无法满足环形热管模式运行时,可以利用热泵模式制热。两种模式既能够独立运行,又可以互相切换,确保热能的稳定供应,同时能够明显降低系统耗电量。搭建了光伏-太阳能环形热管/热泵复合系统实验平台,对复合系统在环形热管模式和热泵模式独立运行时的瞬时性能和全天性能进行了实验研究。     

混合工质低温热管的传热性能

采用氮和氩的二元混合物对混合工质低温热管的传热性能进行了实验研究,搭建了混合工质低温热管传热性能测试实验台。采用了一种非常安全有效的方式对定量、定比例的工质进行充注。测试了以纯氮、纯氩以及氮-氩二元混合物为工质的低温热管传热性能,并对三者的实验结果进行了分析比较。实验结果表明低温热管采用混合工质可以有效地扩大其工作温区,且混合工质低温热管的传热热阻介于两种纯工质低温热管的热阻之间,纯氮工质的最小。实验中测得混合工质低温热管的传热极限是160 W,和纯氩工质低温热管的一样,高于纯氮工质的110 W。因此,混合工质低温热管综合了两种纯工质低温热管的优点,既有较高的传热极限,又有适中的热阻。     

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。     

水和丙酮工质的金属纤维毡蒸气腔热管的传热性能

通过实验研究了金属纤维毡吸液芯蒸气腔热管的传热特性,测试了在单一热源下,不同热通量、风速以及工质种类时蒸气腔热管的启动性能与均温特性,并使用红外热像仪对蒸气腔热管冷凝端拍摄。实验中蒸气腔热管使用的工质分别为水与丙酮。实验结果表明:金属纤维毡蒸气腔热管的启动时间基本在3000 s左右;蒸气腔热管的蒸发端与冷凝端的等温性能良好,其中水工质的冷热端最小温差为1.35℃,因此使用金属纤维毡吸液芯蒸气腔热管可以避免电子器件的局部高温。     

强化相变驱动的环路热管蒸发器可视化实验台建立及实验

以研究强化相变驱动的环路热管的传热机制为目的,设计了一种带有相变空间的新型结构可视化平板热管蒸发器,实验研究了相变空间高度对热管蒸发器启动时间的影响与加热功率对其启动传热特性的影响,并观察了启动过程中工质在相变空间内的相变特性。实验结果:在不同相变空间高度情况下,实验蒸发器系统的启动时间存在明显差异,当相变空间为1mm时,系统启动时间较短,工质不易出现干涸现象。并且在启动加热功率不同时,系统启动热阻也不同,更高的加热功率对应更低的整体热阻。通过可视化实验的观察与分析,为建立环路热管相变驱动机制的可行性研究奠定了基础,为建立描述这一驱动机制的数学模型提供了实验依据。     

自湿润流体热管的热输送性能

高碳醇水溶液表面张力与温度梯度呈现非常规特性,可制备成具有自湿润特性的流体。为探究自湿润流体在热管中对热输送能力的影响,采用0.1%(质量分数)的庚醇水溶液作为工质,以烧结型热管为研究对象,在不同的加热功率和工况(垂直/水平)下,对其热管热输送特性的影响进行了实验研究,并与水进行了对比。结果表明,随着功率增加,自湿润流体作为热管工质的强化传热效果逐趋明显。在水平工况下,由于缺少重力回流的作用,其强化传热效果则更为突出。     

硝酸盐重力热管启动特性初步实验研究

熔盐是一种高效传热工质,广泛应用于太阳能热发电传热、核反应堆传热、金属热处理的工业过程中。以配制的一种混合硝酸熔盐作为热管的传热工质,设计制造了管壳为316L不锈钢、外径Φ22 mm、壁厚2 mm、管壳长度980 mm的硝酸熔盐重力热管,并对硝酸熔盐重力热管的启动性能进行了初步实验研究,分析了混合硝酸盐重力热管的启动特性、稳定性以及倾角对热管启动的影响。然后将采用40 g混合硝酸盐工质的重力热管实验结果与采用40 g萘工质的重力热管的实验结果进行了对比。实验结果表明,混合硝酸盐热管的启动时间比萘热管的时间短,且启动后稳定性高于萘热管;分析认为,该混合硝酸盐的沸点在250℃左右,在倾角为50°时热管启动性能优于在30°、70°、90°时的情况。实验结果初步证明了混合硝酸盐作为热管工质的可行性。     

双通道平板型环路热管的传热特性

以铜为主要材料、超纯水为工质研发了双通道平板型环路热管。分别在双通道环路热管的两根液管上安装阀门,通过阀门的开关,实现双通道平板型环路热管和单双道平板型环路热管的互相转换。通过实验,发现双通道平板型环路热管的传热性能比单通道平板型环路热管要好。在热源的加热量为30W时,蒸发器温度的降幅可达10℃。在不同的功率下,双通道环路热管比单通道环路热管总热阻的下降幅度在20%以上。但双通道平板型环路热管的总热阻与单通道平板型环路热管相比,降幅并没有达到50%,这是由于采用双通道的形式,只能减小通道压降造成的热阻以及冷凝热阻,但不能减小蒸发器热阻。     

用于高热通量电子散热的平板环路重力热管

为解决高热通量电子设备散热问题,设计一套蒸发器上下表面由多个方柱相连的平板型环路重力热管（LGHP）。通过实验研究其换热性能,包括在不同加热功率下平板热管的传热特性及均温特性,以及蒸发器摆放方式和不同种工质对平板热管传热性能的影响。实验结果表明,环路热管工质采用R134a的工作性能比R600a好,平板竖直放置比水平放置好。采用R134a且竖直放置时,其临界热通量（CHF）可达212.3 kW/m²,对应传热系数为16.2 kW/（m²·K）。该平板换热器可以保证电子设备工作温度不超过60℃,且运行过程中平板蒸发器与热源接触的壁面各测点间除出口处外温度差值小于5℃,均温性能优异。