紧凑型平板环路热管实验研究

环路热管因其紧凑、高效等优势在电子元件冷却方面十分具有应用前景。实验研究了一种紧凑型平板环路热管在不同工况下的启动特性和传热特性。结果显示部分低加热功率和充液率下的启动出现振荡,高加热功率和较高充液率有利于环路热管平稳启动。总结了温度振荡现象出现的工况范围。传热特性方面,存在一个最优充液率使热管散热性能最佳,这个最优充液率与散热负荷有关。低负荷时,最优充液率较低;高负荷时,最优充液率较高。     

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。     

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。     

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。     

超长重力热管传热性能实验研究

用于干热岩热能开采的增强型地热系统存在投资高、风险大、工质漏损、设备腐蚀、地面沉降等问题,利用超长重力热管进行地热开采可以有效规避这些问题。搭建了超长重力热管实验平台,实验研究了超长重力热管的适宜充液量、运行的稳定性和不同冷却水流量下的传热性能并分析了其可能的原因;研究表明在恒定加热功率下,热管的合适充液量为蒸发容积的40%左右,在运行期间,与传统短热管相比,超长热管展现出了强烈的振荡性,振荡频率与加热功率和充液量息息相关;在恒定加热功率下,随着冷却水流量的增加,热管采出功率先增加后逐渐趋于平缓。此外,特别探讨了热管在极端充液量下的传热性能,研究表明在极端充液量下,热管底部形成一定高度的气柱,由于气柱的持续存在导致热量无法传递到热管顶端。实验结果初步证实了超长重力热管在开采干热岩热能上的可行性,为下一步的实际应用提供了基础支持。     

中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究

研制了一套中温水平环路热管(HLTS)。采用导热姆作为传热工质,搭建了其传热性能实验平台,考察了该HLTS的启动和传热性能。实验结果表明:U形段液封结构可有效避免热管内部两相工质的双向流动,提升其传热性能;充液率对环路热管传热性能影响较大,初始充液率为45.5%,加热功率为150W时,启动温度为130℃,启动时间为29min,启动性能优于初始充液率为70.5%工况;工作温度为200~400℃时传热热阻0.91~0.69℃/W,传热性能较好。该HLTS可移植和放大,设计用做槽式集热管,实现热管在太阳能中温热利用领域的高效利用。     

圆盘式环路热管的启动特性及温度波动

针对环路热管启动与温度波动问题,采用烧结法制备了镍材毛细芯体,研究了环路热管系统在不同热负荷下的启动特性,分析了不同热负荷和充灌率对温度波动的影响,同时分析了系统变负荷运行特性以及在不同热负荷、充灌率下系统热阻变化情况。研究结果表明,热管在5～25W加热功率下均可成功启动,功率越大启动越迅速;低负荷下热管的蒸发效率远远小于冷凝效率,加热功率在20W左右时蒸发效率与冷凝效率相等;较小负荷下启动均存在温度波动,热负荷至20W后温度波动现象消失;相同条件下大充灌率温度波动明显;热阻随着热负荷的增加而减小,负荷越小对热阻的影响越大;在低负荷下,充灌率对热阻的影响较大,反之较小;实验条件下,充灌率为60%时热阻最小,系统传热最好。     

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。     

汞-水混合工质脉动热管实验研究

在恒定加热功率条件下,考察了不同倾斜角时蒸发段壁面温度的脉动情况,发现了汞-水脉动热管微倾角起振的特性;在相同充液比下,对比了汞-水混合工质与纯水工质脉动热管在微倾角时的运行特性;对比了不同倾斜角下汞-水脉动热管的传热性能。实验结果表明：工质汞的掺入能够有效辅助脉动热管的微倾角起振,增加了脉动热管应用的灵活性。传热热阻随加热功率的增加而减小,而在高加热功率下,热阻大小基本不受倾斜角影响。实验中还发现汞-水脉动热管起振的临界热通量与热载荷施加的历史有关。     

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。     

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。     

三相流重力热管冷凝段传热性能研究

为拓展三相流强化传热和防、除垢技术的应用领域,优化重力热管的传热性能,设计并构建了1套三相流闭式重力热管系统。考察了固含率、加热功率、充液率等参数对于三相流重力热管冷凝段传热性能的影响。结果表明,三相流重力热管可以强化传热。冷凝段对流传热系数随着加热功率的增加而增大,随着充液率的增加而减小。充液率较低时,冷凝段对流传热系数随着固含率的增加而增大;而当充液率较高时,随着固含率的增加,对流传热系数则呈现出先增加,后降低,然后再增加的变化趋势。     

新型板式微流道热管运行特性实验分析

文章以树状仿生微流道结构作为蒸发器,设计一种无吸液芯结构的新型板式环路热管。通过实验的方法,研究了功率10 W热负荷时,不同充液率(30%—85%)、不同倾斜角度(0°—90°)下热管的运行特性、启动特性和热阻特性,结果表明:热管可正常运行并且充液率范围宽泛;通过不同充液率和角度的配合归结出4种运行现象(波动式稳定、保持式稳定、平台式非稳定、上升式非稳定);影响启动温度的主要因素为充液率,充液率越高,启动温度越高,热管启动越困难;热管在波动式稳定现象中的最佳充液率为30%,在保持式稳定现象中的最佳充液率为45%;影响热阻的主要因素为倾斜角度,其中最佳倾斜角度为60°,此时热管的启动温度和总热阻都最低。     

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。     

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。     

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。     

理想范围内充液率对环路热管温度振荡的影响

为研究充液率对平板式环路热管（flat loop heat pipe,FLHP）温度振荡的影响,设计并制造了一类带有透明蒸发器外壳的平板式环路热管,以实现蒸发区域、吸液芯和储液槽内蒸汽与液体流动的可视化研究。实验通过改变充液率对环路热管的启动和运行特性进行分析,发现在低热负荷条件下,当充液率较低时的环路热管运行温度出现第一类周期性振荡,而充液率增高后的环路热管运行温度则出现第二类周期性振荡,两种振荡的区别在于储液腔内是否存在干涸现象。而对应的可视化研究揭示该类环路热管低负荷时储液槽内液体回流出现了不连续现象,这意味着管内工质动态分布不均并最终导致了温度振荡。同时随着热负荷的提高,环路热管内部工质动态分布亦趋于稳定,温度振荡得以改善。研究表明：针对该类环路热管,52%的充液率综合性能最优,其温度振幅较小,且能在更低热负荷下进入稳定状态并同时具有较低的壁面工作温度。     

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。     

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。     

用于低温余热回收系统热管换热器传热性能的数值模拟

采用CFX软件Fluent模拟了用于低温余热回收的重力热管内的相变情况及充液率、热管长度比、管中心距对热管换热器传热性能的影响。模拟结果显示,水量一定时,加热段与冷凝段长度相同的热管在不同充液率条件下的传热特性,高充液率的传热能力优于低充液率的传热能力,适宜的充液率为60%~70%。当充液率一定时,加热段的长度小于冷凝段的长度有利于热管传热。当充液率及管长一定时,热管换热器的传热系数随管中心距的增大而减小。将热管换热器数值模拟的总传热系数与理论计算的结果进行对比,实现了特定体系热管换热器的结构优化。