两相闭式热虹吸管的强化传热实验研究

一、前言 两相闭式热虹吸管作为传热元件的重力热管散热器用于硅元件低温差风冷散热在电力电子设备中开始得到一些应用。随着电力电子设备不断向大功率和小型化方向发展,要求在散热器重量和体积尽可能小的情况下,不断提高散热器的散热功率。采用强化热虹吸管的沸腾和凝结换热的措施,减小蒸发和凝结热阻,对于改善重力热管散热器的性能,提高散热功率有重要意义。     

一种纵向供液式环路热管传热性能研究

为解决高热流电子元器件的小空间散热问题,本文研制了一种纵向供液式甲醇-铜环路热管系统,并搭建实验测试平台。对该系统在水平状态与重力辅助状态下进行了启动与变负荷性能测试。实验结果表明:加热壁面温度不超过100℃,水平状态下系统能在热负荷20～60 W成功启动运行,最大热流密度8.3 W/cm~2,最小热阻0.139℃/W。重力辅助状态下系统能在热负荷10～150 W成功启动运行,最大热流密度20.8 W/cm~2,最小热阻0.123℃/W。研究表明纵向供液结构可以极大减小环路热管系统厚度,但也带来了供液能力不足和漏热加剧的问题,对蒸发器结构进行优化设计可以提升纵向供液LHP系统性能。     

聚光光伏系统热管散热器的实验研究

聚光太阳电池温度是影响电池转换效率、安全稳定性及使用寿命的重要因素。针对聚光光伏系统中因高热流密度带来的电池散热问题,设计一种新型平板式不锈钢材质热管散热器,并进行相关的实验研究。实验结果表明:热管散热器的最佳充液率范围为20%~30%;新型热管散热器基板的扩散热阻约为0.1 K/W,而普通铝型材为0.38 K/W,热管散热器均温性更佳;在自然对流条件下,当确保模拟电池温度不超100℃时,热管散热器可应用于最大聚光比为78.57的太阳电池散热;且研究发现工作范围内的太阳电池角度变化对热管散热器的影响不大,热管散热器能同时适应折射型和反射型聚光光伏系统。     

氧化石墨烯脉动热管传热性能实验研究

通过实验研究以氧化石墨烯分散液为工质的脉动热管的传热性能。实验采用1mg/m L的氧化石墨烯分散液,所得结果与以去离子水为工质的脉动热管传热性能进行比较发现:氧化石墨烯对以去离子水为工质的脉动热管传热性能具有强化作用,但是和脉动热管的加热功率密切相关。在加热功率低于20 W时,氧化石墨烯对脉动热管的强化作用较弱;当加热功率在30~60 W时,氧化石墨烯对脉动热管的强化作用较强,在3.71%~11.33%之间,且强化作用随加热功率的增大呈逐渐增强趋势;但随着功率继续增大,氧化石墨烯的强化作用逐渐减弱,当加热功率达到80 W后,热管传热性能减弱,原因可能是氧化石墨烯颗粒出现了沉降现象。     

振荡流热管在太阳热水器上的应用

通过室内实验,研究柱型振荡流热管的传热特性。实验结果表明:加热功率越大,热管的传热性能越好。在相同加热功率下,热管的当量导热系数随倾角的增大先增大后减小,热阻随倾角的增大先减小后增大,在倾角为60°时传热性能最好。倾角为60°加热功率为65 W时,当量导热系数为23406.67 W/(m·K),热阻为0.61 K/W。对玻璃真空管振荡流热管太阳热水器进行室外热性能实验,实验结果表明,太阳热水器平均日效率为56.9%,平均热损系数为3.08 W/K。     

长距离环路热管传热性能实验研究

基于航空航天等领域对环路热管长距离传热的需求,设计制造了一套传热距离8.1m的圆柱型蒸发器环路热管,试验了不同加热功率、不同冷凝温度下该环路热管的启动和变工况运行性能,并对其热阻及最大传热能力进行了分析。研究结果表明：当其他条件一致、初始气液分布相同和不同时,加热功率由100W增大至160W后,本研究中的环路热管启动时间和启动温升均发生一定程度的下降;加热功率100W时,冷凝温度由10℃降低至-10℃使得环路热管启动时间增加,加热功率160W时,冷凝温度由10℃降至-10℃对环路热管的启动时间影响不大。在冷凝温度0℃下,该环路热管在100~500W范围内均能稳定运行,且200W时环路热管传热效率最高,传热温差最小,稳定运行温度最低;另外,由于系统传输距离较长,每个工况达到稳定所需要的时间也较长,分布于1000至3500S内。随着加热功率的增大,环路热管热阻先减小后逐渐增大,该环路热管传热热阻最大不超过0.09℃/W,最小为0.024℃/W;随着传热距离的增大,管路的热损失增加,总压降和热阻也变大。当传热距离基本相同时,蒸发器容积的大小、冷凝器的冷凝能力及气液管线的布置形状均在一定程度上影响环路热管的最大传热能力。     

不同加热功率下充液率对无芯环路热管性能的影响

设计了以铝为管材、丙酮为传热工质的无芯环路热管。其蒸发段采用加热带加热,冷凝段用风冷降温。热管依靠蒸发压头使工质循环,并依靠重力作用,使冷凝液回流到蒸发段。搭建试验台并研究了不同加热功率下充液率对无芯环路热管的传热温差、传热量、热效率、热阻和当量导热系数的影响。结果表明:加热功率为150.00 W、充液率为30%时,无芯环路热管的均温性最好;传热温差和热阻均最小,分别为6.75℃、0.045 K/W。传热量132.00 W、热效率0.88、当量导热系数168 125 W/(m·K),均达到最大值。所以,该无芯环路热管在本实验研究范围内的最佳工作条件为加热功率150.00 W、充液率30%。     

大功率晶闸管风冷重力热管散热器的新结构与传热试验

本文介绍了蒸发段内壁采用轴向槽道加抑泡孔管的风冷重力热管散热器。性能试验表明:这种热管散热器的热阻低达0.0129℃/W,主要性能指标优于国内外同类热管散热器,风冷散热能力达到水冷散热器水平。     

UV-LED风冷散热系统瞬态性能分析与测试

针对一款典型的UV-LED风冷翅片热管散热系统,建立了从LED阵列到散热器末端的热阻网络,应用MATLAB模拟了翅片热管散热器在设计工况和变工况下各点温度的瞬态变化性能,并选取部分点进行了实验测试。结果显示,该风冷翅片热管散热器具有较好的瞬态传热性能,其最大温差在散热器铜板处;瞬态温度响应具有滞后性;LED散热量突然急剧变化时,对芯片部分的影响较大,而环境温度或者外部的对流散热状况在短时间内的波动则对LED几乎没有影响。     

弯折和倾角对微槽道扁平热管传热特性的影响

研究了弯折和顺重力倾角对具有梯形微槽道的铝—丙酮扁平热管传热特性的影响,搭建了可变重力倾角热管传热性能实验台,在冷凝段采用第三类边界条件下进行测试。结果表明,顺重力倾角可显著提高热管传热极限,30°及以上的倾角可使传热极限从40 W左右提高至90 W以上,同时热阻在高热流时达到0.1 K/W的低位。弯折可有效降低热阻,30°弯折可使热阻整体降低23.6%以上,从而提高等效导热系数,在高热流和小倾角下效果更佳,最大等效导热系数可达1.47×10~4 W/(m·K)。在热管设计与应用时,合适的弯折和倾角可帮助提高热管传热性能。     

重力热管流动与传热特性的数值研究

采用计算流体力学(CFD)软件,在流体体积(VOF)模型中引入Boussinesq近似模型,以水为工质对不同加热功率下的重力热管进行了数值模拟,将实验、理论与数值结果三者结合对其内部流动与传热过程进行了分析.结果表明:CFD模拟得到的壁温与实验壁温吻合较好,可以用CFD可视化定性分析加热功率对重力热管传热特性的影响;在10~80 W范围内,随着加热功率的增大,蒸发段对流传热系数先增大后减小,冷凝段对流传热系数一直增大;当加热功率超过一定值时,蒸发段传热性能恶化,CFD可视化结果显示液池干涸,达到传热极限.     

氧化石墨烯对脉动热管传热性能的影响

实验选用外径为4mm、内径为2mm的铜质脉动热管研究了氧化石墨烯对以去离子水和体积分数为50%的乙醇溶液为工质的脉动热管传热性能的影响。实验分别采用加有少量氧化石墨烯的去离子水溶液(简称氧化石墨烯水溶液)和体积分数为50%的乙醇溶液(简称氧化石墨烯乙醇溶液),氧化石墨烯质量分数均为0.03%。实验发现：氧化石墨烯对以去离子水为工质的脉动热管传热性能具有强化作用,对以体积分数为50%的乙醇溶液为工质的脉动热管传热性能的影响较差,但都和脉动热管的加热功率密切相关。对于以去离子水为工质的脉动热管,在加热功率低于20W时,氧化石墨烯对脉动热管的强化作用较弱；当加热功率在30～60W之间时,氧化石墨烯对脉动热管的强化作用较强,在3.71～11.33%之间,且强化作用随加热功率的增大呈逐渐增强趋势；但随着功率继续增大,氧化石墨烯的强化作用逐渐减弱,当加热功率达到80W后,热管传热性能减弱,原因可能是氧化石墨烯颗粒出现了沉降现象。     

多片平板微热管阵列运行特性

将多片平板微热管阵列进行堆叠可以提高传热量。实验研究了不同叠加片数下平板微热管阵列在不同加热功率下的热阻、传热极限、温度分布及变化规律、不同层热管传热等运行特性。实验表明，随热管片数增加，热管整体的传热量增加，最大传热量由单片的60W提升至5片的180W；传热热阻降低，最小传热热阻由单片的1.09℃/W下降为5片的0.24℃/W。而且，随着片数增加，热管间的传热热阻开始影响多片平板微热管阵列的整体运行：外侧热管的传热量高于内侧热管，热阻低于内侧热管，且当片数为4片及以上时，热管整体性能提升会越来越不明显。在相同的加热功率下，多片平板微热管阵列的外侧蒸发段、外侧冷凝段和内侧蒸发段温度均随片数增加而降低，但内侧冷凝段温度先升高后降低。最理想的热管叠加片数为3-4片。     

四氧化三铁纳米流体强化热管换热的实验研究

通过实验研究四氧化三铁（Fe3O4）纳米流体重力热管的传热性能。在不同输入功率、不同充液率、不同纳米流体质量浓度的工况下测试热管的外壁温度,再理论计算其等效对流传热系数、热阻。结果表明：当充液率为50%,输入功率为40W时,水基液重力热管和纳米流体重力热管都有最高的等效对流传热系数,并且纳米流体质量浓度为1%时,重力热管具有最高的等效对流传热系数5455.4 W.m-2.K-1,较水基液重力热管最多可增大79.1%。四氧化三铁纳米流体运用于重力热管可以有效减小其热阻、强化其传热性能。     

旋转热管搅拌桨反应釜传热性能的实验研究

提出了一种旋转热管形式的反应釜装置,旋转热管搅拌桨起到了搅拌和传热的作用,能够取代传统反应釜中的换热元件和搅拌装置。通过对旋转热管反应釜的传热性能测试,考察了反应釜内温度、旋转速度、冷却水流速以及热管充液量对热管传输功率、总热阻、总传热系数的影响。结果表明,采用旋转热管能够有效的移除反应热,反应温度为85℃,转速为200 r/min的条件下传热功率能达到1 k W。转速对旋转热管的传热性能有较大影响,反应温度为75℃时,静止热管的热阻为0.082℃/W,转速为150 r/min时热阻则降为0.048℃/W,传热能力显著提升。此外充液量较小时热管热阻对转速的变化更敏感,随反应温度的提升会大幅降低。     

乙醇_水双工质脉动热管传热性能实验研究

通过对乙醇-水双工质脉动热管在风冷条件下进行的实验研究,探讨了加热功率、体积配比和充液率对热管振荡和传热性能的影响。结果显示,在实验条件下,功率小于100 W时,充液率、体积配比和加热功率对热管传热性能的影响较明显;中高功率时热管稳定性与热管中液态水体积份额有关,且随水份额增大热阻降低。而水份额低于21%时,热管稳定性较差,且水的份额越小,不稳定出现时的功率越低。50%~70%充液率热管的传热性能要优于30%充液率的热管,体积配比相当的热管振荡特性和传热性能相对较差。     

脉动热管运行可视化及传热与流动特性的实验研究

对脉动热管的运行进行了可视化实验 ,在不同的充灌率、倾角、截面形状、加热量条件下对脉动热管的运行进行了测试 ,实验结果表明 :脉动热管是一种十分有效的散热技术 ;脉动热管存在传热极限 ;在最佳充灌率 (5 0 % )和最佳倾角 (5 0°)下运行的脉动热管传热极限最高 ,高热流密度下的传热热阻最低 ;当热流密度较小时 ,三角形通道的脉动热管要优于正方形通道的脉动热管 ,但当热流密度较大时 ,通道形状对热阻和单位截面传热极限影响不大 ;通道大小对热管的热性能影响很小     

用于电子元件散热的集成热管换热特性研究

本文对应用于电子元件散热的热管换热器在不同的加热功率、不同风量情况下的传热特性进行了实验研究，从而得出换热量、总热阻、翅片表面阻力系数、换热系数、总热阻与加热功率及风道内空气肫数的关系，并与市场上的SP-94型热管散热器及传统纯铜散热器进行了比较，发现该热管换热器无论是散热量、平均换热系数还是总热阻都有明显的优势。因此，这种散热器在实际工程应用中必将有着广泛的潜力。     

不同充液率和加热功率下乙烷脉动热管传热性能研究

通过实验研究了在充液率为30%～70%,加热功率为10～60 W的工况下乙烷脉动热管的传热性能。结果表明:随着加热功率的增加,冷凝段和蒸发段的温度波动依次经历了低幅低频、低幅高频、高幅高频和高幅低频的振荡模式;在中低加热功率下,蒸发段和冷凝段的温度振荡波形相位角相差180°,而当高加热功率时,蒸发段和冷凝段的温度变化是同步的;在不同的加热功率下,脉动热管均在50%充液率时达到最佳传热性能;脉动热管的传热性能随加热功率的增大先增强后减弱,其存在最佳加热功率使得脉动热管的换热效率最高。     

多壁碳纳米管水基纳米流体重力热管传热特性数值模拟

为揭示多壁碳纳米管水基纳米流体应用在重力热管中的传热特性,基于多相流模型(VOF)建立其重力热管数值模型,并将数值结果与实验数据进行对比验证。以热阻作为性能评价指标,改变加热功率和充液率,讨论二者对热管换热性能的具体影响。通过添加传热传质源项来编写用户自定义函数(UDF)完成内部流体蒸发冷凝过程中的相变模拟。模拟结果表明:该数值模型能够较好模拟多壁碳纳米管水基纳米流体应用重力热管内部复杂的流动与传热过程;在选定的加热功率及充液率参数范围内,该重力热管的整体热阻随蒸发段加热功率的增大而减小,随充液率的增大而增大。