脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

为了研究脉动热管对相变蓄热装置传热能力的优化,设计并搭建了脉动热管相变蓄热装置试验台,实验验证相变潜热蓄热量远大于显热蓄热量;在相同工况下改变加热流体流量,流量增大对传热优化有一定作用,但流量不宜过大;调整热源温度,温度越高,相变蓄热过程所需要的时间就越少;与常规铜管进行蓄热实验对比,脉动热管相变蓄热装置在蓄热过程中节省了47%的蓄热时间,同时优化了相变蓄热装置的传热均匀性。实验证明利用脉动热管技术对相变蓄热系统进行传热优化是可行的。     

螺旋槽重力热管强化传热实验研究

为了提高重力热管的传热能力,用螺旋槽表面结构来强化重力热管传热,并以水为工质进行了传热特性实验研究。自制热电偶和热管并搭建实验设备,改变加热功率,测得在不同的蒸汽温度下的热管壁温。实验结果表明:以管内等效对流换热系数为评价指标,与普通重力热管相比,螺旋槽重力热管的对流换热系数提高了10%—23%,其中槽深和螺距对传热有很大的影响。     

分离式环形充气热管传热性能实验研究

针对除尘器出灰管冷却的实际需要，提出了分离式环形充气热管结构，并对该热管的传热性能进行了实验研究。这种环形充气热管不仅满足了既传热又控制温度的需要，还具有可以异地传热和便于工程中设备安装与运行调节等特点。     

脉动热管相变蓄热器蓄热实验分析

为了研究脉动热管对相变蓄热装置传热能力的优化,设计并搭建了脉动热管相变蓄热装置试验台,实验验证相变潜热蓄热量远大于显热蓄热量;在相同工况下改变加热流体流量,流量增大对传热优化有一定作用,但流量不宜过大;调整热源温度,温度越高,相变蓄热过程所需要的时间就越少;与常规铜管进行蓄热实验对比,脉动热管相变蓄热装置在蓄热过程中节省了47%的蓄热时间,同时优化了相变蓄热装置的传热均匀性。实验证明利用脉动热管技术对相变蓄热系统进行传热优化是可行的。     

新型三维脉动热管的性能

把传统脉动热管冷却段改进成双螺旋结构,形成新型三维脉动热管,并建立实验平台,考察了以丙酮为工质,在充液率54%、冷却水温度22℃的条件下,不同加热功率（20~700W）、不同倾斜角度（0°、50°、90°）对新型三维脉动热管的启动以及传热性能的影响,通过加热段以及冷却段管壁温度变化判断脉动热管启动运行特性,通过总热阻评价热管传热效果。实验结果表明,脉动热管在0°、50°和90°倾斜角度下均可以启动,但90°倾斜角时更有利于新型脉动热管的启动和稳定运行。90°倾斜角时,脉动热管在加热功率40W时启动,100W达到稳定运行状态,700W时到达传热极限,脉动热管的总热阻呈现先减小后增大的趋势,总热阻最小可达0.117℃/W。脉动热管在90°和50°倾斜角度下传热总热阻没有明显差异,但在0°倾斜角时,极易达到传热极限且在整个过程中热阻要比50°和90°倾斜角条件下高很多,加热功率180W达传热极限。     

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。     

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。     

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能影响

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能有重要影响,通过改变不同冷却水流量和冷却水温度,研究了冷却水参数对钠钾合金热管传热性能的影响规律。实验结果表明,钠钾合金热管运行于较低冷却水流量（4~18 ml·s^-1）的冷却条件时,流量对热管冷凝段外壁面的温度影响很大,而当热管运行于较高冷却水流量的冷却条件时,冷却水流量对热管外壁面温度影响较小。整体而言,增大冷却水流量可以有效地提高钠钾合金热管的传热量及其传热性能。当热管运行于较大冷却水流量的冷却条件时,冷却水温度的变化对热管传热性能影响较小。     

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能影响

冷却水参数对钠钾合金热管传热性能有重要影响,通过改变不同冷却水流量和冷却水温度,研究了冷却水参数对钠钾合金热管传热性能的影响规律。实验结果表明,钠钾合金热管运行于较低冷却水流量(4~18 ml·s-1)的冷却条件时,流量对热管冷凝段外壁面的温度影响很大,而当热管运行于较高冷却水流量的冷却条件时,冷却水流量对热管外壁面温度影响较小。整体而言,增大冷却水流量可以有效地提高钠钾合金热管的传热量及其传热性能。当热管运行于较大冷却水流量的冷却条件时,冷却水温度的变化对热管传热性能影响较小。     

160—220 K温区槽道热管传热特性

为了研究160—220 K温区内槽道热管的传热特性,搭建槽道热管实验台,通过改变工作温度、加热功率、充液率以及倾斜角度,分析乙烷工质槽道热管等温性能和传热特性。实验结果发现：乙烷槽道热管在160—220 K温区下工作时,传热温差在2 K以内,充液率100%和顺重力倾斜角10°时热管工作性能最佳;随着工作温度的下降,工质的总压降增大,导致槽道热管的温差增大,等温性能下降;当倾斜角为40°时,热管温度出现波动现象,功率在10—50 W变化过程中,加热功率越大,热阻越小,最大热阻为0.22 K/W。通过合理分布热源位置和增大加热功率可降低槽道热管在不利工作角度下的传热热阻,提高热管传热性能。     

三角沟槽高温热管变热流传热特性

针对高温热管在交变功率下的传热性能进行了试验研究,考虑功率的变化周期、振幅和热管的倾角等因素,分析了热管的温度、热阻及其热响应时间的变化。结果表明：在本实验条件下,恒定加热功率启动的时间与温度,和平均功率与之相等的周期交变功率启动时基本相等。交变功率的周期越长、功率振幅越大,温度波动越大,对热管的影响越大。三角沟槽高温热管在交变热通量下运行良好,性能稳定,能承受6 min内功率变化3000 W（760～3800 W）的恶劣工况。三角沟槽热管在交变功率下水平运行较45°倾角时均温性更好。高温热管具有较好的热响应和热缓冲作用,可显著提高所在系统的可靠性。     

翅片重力热管传热性能实验研究

热管是一种利用工质相变传热,具有传热温差小、热响应速度快、换热量大等优点的传热元件。为研究翅片重力热管的传热性能,实验测试了翅片重力热管与平板重力热管（铝-丙酮工质）的传热性能,比较了其瞬态热响应速率,获得了翅片与平板重力热管在蒸发段不同电功率稳定加热条件下表面温度沿高度方向的变化规律,计算了平板热管的等效热导率,并与铝板测量结果进行了对比。结果表明：重力热管传热速度快、表面均温效果好,热导率随功率的增大先升高后降低,整体上热导率高达纯铝的84~258倍,翅片热管相比于平板热管具有更好的均温性和散热效果,在建筑供暖、车载电池散热、余热利用等领域具有广泛的应用前景。     

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。     

新型中空无规共聚聚丙烯管保温性能分析

为分析新型中空无规共聚聚丙烯管保温性能,运用有限元法对新型中空无规共聚聚丙烯管在不同空气层厚度和常规管道包覆不同厚度保温材料的热损进行了计算。结果表明,新型中空无规共聚聚丙烯管保温效果比常规包覆式管道明显提高。常年运行工况下,年平均温度为15℃(昆明地区),管内工质温度95℃,管道热损不高于93W/m~2时,新型中空无规共聚聚丙烯管保温层(空气层+护管)厚度比常规管道包覆玻璃棉厚度减少27.5%,岩棉厚度减少32.9%。在季节运行工况下,平均温度为8℃(昆明地区冬季),管内流体温度95℃,管道热损不高于163 W/m~2时,新型中空无规共聚聚丙烯管保温层厚度比常规管道包覆玻璃棉厚度减少20%,比岩棉层厚度减少25.8%。     

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。     

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%。     

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学（CFD）模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型,分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中,流体体积函数（VOF）方法被用于追踪气液相界面,恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件,蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%,验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布,通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动,结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动,根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后,脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动,蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时,温度振荡频率较低,传热热阻较大;随着加热量的增加,振荡频率增加并趋于稳定,热阻先减小而后不变。     

重力热管性能测试的实验研究

建立一套热管性能测试装置,并测试热管内部蒸发段、绝热段、冷凝段的温度分布和随时间的变化情况,研究不同热流密度下的传热特性,探讨热管的几何因素、倾斜角度和工质充装量对传热性能的影响。     

回路型脉动热管稳定运行传热模型的建立及分析

建立了简单回路脉动热管稳定运行的传热模型,分析影响稳定传热热阻和传热功率的主要因素。结果显示,回路脉动热管的传热热阻可分为冷却热阻和循环热阻,其中冷却流速、冷却面积和冷却段长度占总长度的比例,是影响冷却热阻的主要因素;热源温度和充液率是影响循环热阻的主要因素;冷却温度对传热热阻影响很小。对空气冷却式回路脉动热管,提高冷却面积、冷却段长度比例和冷却流速,提高热源温度、降低冷却温度,提高充液率都可提高传热功率,其中前3个因素是提高传热功率的最佳途径。稳定运行时,传热功率的充液率范围为10%～80%,且随充液率增加,传热功率略有增加。