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。     

分离式热管的传热极限

应用热管理论和自然循环流体动力学理论,对分离式热管内的传热极限作了分析,指出了分离式热管的传热极限与传热过程中的热流密度和热管内的充液量有关,在高热流密度传热和充液量偏多或偏少的情况下,会存在以下几种传热极限：（１）蒸发段的干涸传热极限;（２）蒸发段的沸腾传热极限;（３）冷凝段的凝结传热极限;（４）循环回路的流动传热极限。     

分离型热管蒸发段流动特性和传热特性的试验研究

对分离型热管管内蒸发段流动特性和传热特性进行了试验研究 :在保证热管工作效率及安全性的前提下 ,分离型热管蒸发段工质流动形式除单相液流和泡状流 (低热流密度时为弹状流 )外 ,在蒸发段上部约有 42 %～ 50 %的不稳定飞溅降膜区 ;合理充液率随热流密度的增加而减少 ;随着热流密度的增加 ,核态沸腾区及飞溅降膜区的换热系数均增加 ,蒸发段总换热系数也增加。     

两相闭式热虹吸管的流动与传热特性研究

对两相闭式热管内的流动与传热特性进行数值模拟.分段建立热管内的流动与传热方程,通过编写程序对控制方程进行求解.采用离散液膜下降高度方法,联合利用复合辛普森数值积分和四阶龙格库塔数值微分方法成功地实现模型求解过程.将热管内充液量、饱和蒸汽温度和加热段热流密度作为影响因素进行数值计算.在分析中考虑下降液膜和上升蒸汽之间界面剪切力的影响.数值计算结果发现,尽管界面剪切力有时对传热过程的影响不大,但冷凝段和蒸发段的液膜都有所增厚,模型预测结果与实验测量值吻合程度有所改善.数值模拟结果表明,综合考虑热管内界面剪切力和总体充液量对热管流动与传热特性的影响是有必要的,由此获得的传热特性关联式更符合实际情况,可以为热管换热器的性能计算和设计提供指导.     

纳米修饰吸液芯超薄平板热管的传热特性

研制了一种总厚度为1.30 mm的新型超薄平板热管（UTFHP）,其内部吸液芯是多孔介质底层（PL）和多孔介质丝（PW）组成的多尺度复合结构。经过化学改性处理,吸液芯表面生成纳米结构,具有超亲水特性。对热管的热性能进行实验研究,分析纳米结构、充液比以及角度对热性能的影响。结果表明,充液比为25%时,与未改性的热管相比,改性热管的临界热通量（CHF）提高了255%、总热阻最大可降低43.2%;纳米结构降低了冷凝段热阻,但在小功率时增大了蒸发段热阻。在高充液比时,纳米结构抑制热管的传热性能。角度对热管的热性能影响较大,当蒸发段位于冷凝段的正下方时,热管的热性能最佳。未改性和改性的热管都具有良好的传热特性,最高功率分别为83.7和44.3 W。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70～100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70~100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

复合中空热管两相流的观测及充液比对热管等温性的影响

为了解决工业中大量低品质烟气余热的回收利用和烟气酸露点腐蚀导致设备容易失效的工程问题,提出了一种复合中空热管传热元件,介绍了其结构及工作原理。采用可视化实验对管内气液两相流的传热传质机理进行了分析,同时,对不同充液比情况下管壁的等温性进行了实验研究。研究结果表明:在内管采用酒精炉加热、外管采用空气自然对流冷却的条件下,复合中空热管管内液池为核态沸腾换热,外管壁内侧是饱和蒸气层流膜状凝结;复合中空热管在外管壁温度30℃时,加热时间2 min之内就能正常快速启动工作;充液比33%时,复合中空热管的等温性好。实验研究结果为复合中空热管换热器的工程应用提供了基础。     

倾角及充液率对并联式脉动热管传热性能的影响

以超纯水为工质,在不同的充液率（35%、50%、70%）和倾角（60°、90°）下,对并联式脉动热管的传热特性进行实验研究,分析在不同加热功率下充液率和倾角对并联式脉动热管壁面温度、加热端与冷凝端温差、传热量及传热热阻的影响,并对传热热阻进行不确定度计算。实验结果表明,充液率和倾角对脉动热管的传热特性影响显著。倾角为90°时,3种充液率条件下,充液率为35%和50%时的壁面温度脉动稳定性要优于充液率为70%的情况,并且充液率为50%的传热热阻最小,加热端与冷凝端温差最小,充液率为70%的传热热阻最大,加热端与冷凝端温差最大。充液率为50%,倾角为60°和90°时,在相同的加热功率下,倾角为60°的壁面温度的脉动幅度较大,传热热阻较高,传热极限变窄,传热效果明显差于倾角为90°的情况。     

升膜蒸发管内流型可视化及传热性能

为了探究热流密度、真空度和流量对升膜蒸发器传热性能的影响,以及对升膜加热管内流体流型进行观测和分析,本文建立了升膜蒸发系统传热实验平台,对升膜蒸发器的传热特性和流体流型进行实验研究.实验所用升膜管管长2200mm,升膜管采用镀透明导电膜石英管,工作介质为水;升膜管蒸发侧采用电加热方式;研究了热流密度(6.71kW/m²≤ q≤ 26.79kW/m²)、流量(20L/h≤ M≤ 100L/h)和真空度(0≤ P≤ 15kPa)对升膜加热管流体流型和传热特性的影响.结果表明:通过电加热的方式可以实现石英管内溶液的升膜蒸发,并能观测到泡状流、块状流、弹状流、柱塞流、环状流和雾状流;热流密度低于6.71kW/m²时无法形成升膜蒸发,随着蒸发侧热流密度的增大,升膜管内环状流长度增大,管内传热系数增大;随着流量的增大,升膜管内液体湍流强度增大,管内传热系数增大;真空度对流体流型影响较大.     

微小菱形离散肋通道中R134a的冷凝换热实验研究

建立了采用空气射流冲击冷却方法的冷凝换热实验系统,对R134a在铝质微小菱形离散肋通道中的冷凝换热特性进行了实验研究。实验工况范围为制冷剂干度0~1、饱和压力0.50~1.50 MPa、制冷剂质量流率160~380 kg/(m²·s)、热通量10.1~59.8 kW/m²。实验获得了不同工况下的通道局部冷凝传热系数,分析了干度、饱和压力、质量流率以及热通量对冷凝换热的影响规律。实验结果表明：局部冷凝传热系数随干度、质量流率和局部热通量的减小而减小,随饱和压力的降低而增大,其中在干度x>0.4的区域内质量流率对于冷凝传热系数的影响效果更为明显。基于实验数据,提出了一个适用于本实验中微小菱形离散肋通道的冷凝换热计算公式。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论：蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

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。     

带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管传热特性

设计制作了带平板蒸发器的紧凑型三维脉动热管,蒸发器的铜板尺寸为40 mm×40 mm×3.5 mm,内部含有平行圆通道,通道内径为2 mm;热管的冷凝段则由内、外径分别为2 mm和3 mm的铜毛细管构成。以乙醇和去离子水为工质,对该脉动热管在不同放置方式（竖直、水平和侧放）和体积充液率（20%～70%）下的启动和传热性能进行了比较研究。实验结果表明,充液率介于30%～70%之间时脉动热管大都能正常启动且稳定运行,表现出优异的传热性能。热管的启动温度随着充液率的提高而升高,启动温度由低到高排列顺序为竖直、侧躺和水平放置。竖直放置时该热管的传热性能优于水平放置,且两种放置情况下的传热性能总体上均随着充液率的减小而提高。相比于乙醇,使用去离子水时该脉动热管拥有更低的蒸发段平均温度,显示出更好的传热性能和均温性。     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。     

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。     

液氮温区Ω形轴向槽道热管的启动特性与传热性能

基于空间深低温热传输需求设计了一套带有常温储气库的氮工质Ω形轴向槽道热管,并对其启动特性和传热性能进行实验研究,对比了槽道热管在不同充液率和放置角度下的传热性能。结果发现：热管在常温下启动迅速,绝热段及蒸发段在冷凝段降温至液氮温区后可以在短时间内降温,热管均温性良好。槽道热管能够在70~110K温度范围内高效传热,热阻随运行温度和热负荷的上升而减小。热管的充液率为100%时其传热性能最优,过大或过小会使得热管传热性能下降。储气库结构可以减小热管工作温度变化对其充液率的影响,利于其在更大的温度范围内获得更好的传热性能。热管的放置形态对其传热性能有显著影响,不同的放置形态会影响热管的传热极限和传热热阻。当热源处于蒸发段管线下端时性能最优,最大传输功率为45W,热阻最低为0.31K/W。     

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。