甲醇、丙酮及其二元混合工质脉动热管的启动特性

以甲醇、丙酮以及二者体积比1：1混合组成的甲醇/丙酮混合液为工质,对脉动热管在不同加热功率和充液率下的启动特性进行了实验研究,结果表明：在低加热功率下时,甲醇/丙酮混合工质的启动时间比丙酮长,比甲醇短,适当增加启动功率可以明显缩短脉动热管的启动时间,但是对丙酮及混合工质的启动温升影响不大;在60W高加热功率下时,3种工质的启动方式均为温度突变型,其中混合工质的启动时间最短,并且增加启动功率可以明显地提高混合工质脉动热管的启动温升;充液率对脉动热管的启动方式影响较为明显,丙酮和混合工质的启动温升均随着充液率的增加而逐渐减少,在中低充液率（≤50%）下,二者属于温度突变型启动,而在80%高充液率下,其启动方式变为温度平稳过渡型启动。     

微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能

利用11弯管的脉动热管作为汽车锂离子电池的散热系统进行传热实验。在脉动热管中引入不同比例的混合工质[H₂O、全氟丁基甲基醚(HFE-7100)]，在模拟单体锂离子电池不同发热功率下展开传热实验，实验结果表明，微乳液工质可以有效避免高发热功率下脉动热管出现局部烧干的现象，防止电池表面温度过高发生热失控。使用水包油(O/W)型微乳液工质(0.048%SDBS∶HFE-7100=1∶1)时传热性能最理想，并且可以保证锂离子单体电池正常工作(20～30W)时，温度不超过40℃，表面温差低于1.8℃，在单体电池高发热功率(40～50W)时，电池局部温度不超过56℃，电池表面的平均温度不超过55℃。     

振荡热管传热性能与工质物性关系分析

选取去离子水、甲醇、乙醇和丙酮为工质,考察不同工质不同充液率的振荡热管运行特征,寻找影响振荡热管传热性能的物性因素。结果表明：在小功率时,传热性能受是否启动振荡及振荡流速支配,与动力黏度密切相关;随加热功率增大,振荡流速加快,不同工质振荡热管温度振荡频率和幅度差别渐小,动力黏度和液态比热容、汽化潜热共同影响振荡热管传热性能;在大功率时,振荡流速较快,充注汽化潜热、比热容大的工质振荡热管传热性能更具优势。振荡热管和物性的关联分析可为认识不同情况下振荡热管的传热机理和工作特性、建立振荡热管理论模型提供参考。     

甲醇水溶液脉动热管启动特性研究

以体积分数为30%的甲醇水溶液、甲醇和水为工质,在不同加热功率、不同充液率和不同倾斜角工况下,对脉动热管的启动特性进行了实验研究。结果表明:混合工质脉动热管的启动方式和纯工质类似,甲醇水溶液平均温度处于水和甲醇二者稳定运行时的平均温度之间且更趋近于水;脉动热管的启动时间随着加热功率的增加而逐渐减小。在50%充液率工况下,甲醇水溶液的启动时间比甲醇长,比水短。而在大充液率(80%)和小充液率(20%),大加热功率下,甲醇水溶液的启动时间比甲醇短;脉动热管的启动时间随着倾斜角度的增加而减少,在相同倾斜角条件下,80%充液率的启动时间比20%充液率的启动时间长。     

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。     

微纳复合表面HFE-7100/水的BRT现象及沸腾传热特性

HFE-7100/水作为非共沸不互溶工质可以拓宽核状沸腾传热的有效温区,目前关于其在微纳复合表面的沸腾传热特性和气泡运动机理尚不明晰。利用气泡模板电沉积法在铜基表面上制备了具有微纳孔洞的复合结构,测试了HFE-7100/水的沸腾传热特性,并通过可视化探究了沸腾工质转换（BRT）过程中两相工质在表面的润湿状态和气泡运动现象。结果表明,微纳复合表面上HFE-7100/水的BRT过程中,气泡先后经历小气泡聚并、气膜膨胀、轻工质接触壁面核化三个过程。在BRT过程中,HFE-7100与水对热壁面的润湿性存在竞争关系,随着过热度增加,薄的HFE-7100液层难以维持稳定的重工质沸腾,上层水工质可以穿过HFE-7100层对热壁面实现完全润湿,完成BRT过程。与单一工质相比,常压下HFE-7100/水混合工质体系可以在343~423 K下实现高效的核状沸腾传热。该研究揭示了HFE-7100/水在微纳复合表面的沸腾传热特性,为沸腾强化表面设计提供了思路。     

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2.82 mm)的启动及传热性能进行了实验研究,并与内径分别为3.4 mm(1~#)、4.0 mm(2~#)和4.8 mm(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305 W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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同压力下HFE-7100在光滑铜基表面的饱和池沸腾传热实验

池沸腾是重要的传热模式之一,广泛应用于诸多工业领域。饱和压力的变化会影响传热工质的热物性,进而引起表面核化及气泡动力学参数的改变,因此饱和压力对池沸腾传热性能具有显著影响。本文在不同饱和压力（0.07MPa、0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa）工况下对HFE-7100工质在纳米级粗糙度光滑铜基表面的池沸腾传热及可视化实验进行了研究,针对饱和压力对池沸腾传热的影响机制进行了深入探讨,同时采用相关池沸腾传热及临界热通量预测模型对传热性能曲线进行了对比分析。光滑铜基表面的平均粗糙度为19nm,HFE-7100工质在其上的静态接触角为9.83°。可视化图像展现了沸腾孤立气泡生成、充分发展合并及核化沸腾向膜状沸腾转换的过渡状态。实验数据表明,饱和压力的提升可强化池沸腾传热能力及提升临界热通量。相较于0.07MPa低压池沸腾,0.10MPa、0.15MPa及0.20MPa条件下池沸腾的最大传热系数分别提升29%、59%及75%,传热系数的平均提升率分别为24%、50%和63%,而临界热通量分别增加27%、48%及64%。相对而言,Forster和Zuber（1955）建立的池沸腾传热预测模型及Guan等（2011）建立的临界热通量预测模型较为准确地预测了本研究操控条件下的池沸腾实验数据。     

功能热流体强化脉动热管的热输送特性

考察了以水为工质,在不同的加热功率和不同的充液率情况下,脉动热管在不同加热方式（垂直底部加热和水平一侧加热）时的热输送特性。固定充液率,对比了脉动热管采用不同工质（微胶囊流体、氧化铝纳米流体、水）在不同加热功率、不同放置加热方式下的热输送特性。结果发现：功能热流体（微胶囊流体、氧化铝纳米流体）作为脉动热管的工质都起到强化热输送能力的作用,均优于水。垂直底部加热时,1%微胶囊流体作为工质的脉动热管的热输送能力较优,水平一侧加热时,0.1%氧化铝纳米流体较优,但微胶囊流体稳定性要比氧化铝纳米流体好。     

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。     

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。