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。     

不同加热方式下环路热管蒸发器可视化研究

针对环路热管内部工质相变及流动换热问题,设计了环路热管蒸发器中心通道可视化实验平台,研究了不同加热方式对热管内工质状态和传热特性的影响。结果表明：加热方式直接影响热管10W启动过程,双面加热启动速度最快。相同热载荷时,不同加热方式下环路热管热阻及蒸发器中心通道内液面高度和成核情况存在差异。10W - 40W热载荷时,随着热载荷的增大,三种加热方式的传热热阻均在减小。40W-50W热载荷时,顶部加热方式下的热管性能出现恶化,底部加热传热性能出现停滞,仅双面加热性能稳定并有提高趋势。随着热负荷的增加,蒸发器中心通道内气液界面升高、气泡的产生变得更加剧烈,蒸发器通过吸液芯向储液器的漏热量增加,进而影响环路热管的性能。     

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。     

基于中子成像技术环路热管的可视化试验研究

基于中子成像(NR)技术对铜-丙烯环路热管(LHP)在不同加热功率(0、5和10 W)下的运行进行了可视化研究。结果表明:在加热功率为5 W时蒸发器内液体工质在减少,冷凝器能够充分冷凝,液体管线充满液体工质;在加热功率10 W时热管内部冷凝的液体工质量在减少,蒸发器开始出现烧干现象;环路热管能够成功启动并稳定运行,且随加热功率增加启动时间减少;LHP在5 W时内部的气液分布使得传热性能最佳,在10 W时风扇的强制对流并不能达到充分冷凝的效果,导致热管热阻增大,性能变差;LHP运行过程中气体管线部分存在残留液体工质,这会减少LHP的工质实际循环量,降低其传热性能。     

双层毛细芯对环路热管传热性能的实验分析

环路热管作为一种高效的相变传热装置,其性能与位于蒸发器和储液槽之间的毛细芯结构密切相关。为了更深入研究双层毛细芯对环路热管传热性能的影响,利用不同颗粒直径铜粉制备双层毛细芯,在毛细芯总厚度为5 mm的条件下,通过调整大粒径和小粒径层的相对厚度来改变毛细芯厚度比,对平板型蒸发器环路热管启动和变工况运行进行实验测试。实验结果表明:在同一工况下,不同厚度比的双层毛细芯启动特性存在显著差异,启动过程中出现小粒径层蒸发效率低引起的温度过冲和环路热管中气液两相流变化导致的温度振荡;同时存在一个较优的双铜层毛细芯厚度比,大粒径(180～280μm)铜层厚度为3 mm可提高蒸发效率,小粒径(56～71μm)铜层厚度为2 mm可提供足够毛细抽吸力保证环路热管稳定运行。搭载该厚度毛细芯的环路热管不仅启动速度快(125 s),而且总热阻和蒸发器壁面温度均最低,最大加热功率达到120 W(21.10 W/cm~2),对应热阻为0.17 K/W。     

低温环路热管综述

环路热管是以多孔毛细芯抽吸力为动力的相变传热设备,可根据实际应用改变结构形式,能在远距离传热的同时保持良好的均温性,并且可在微重力环境下运行。环路热管工作温区较广,按照其工作温区一般可分为高温环路热管(350 K以上)、常温环路热管(200～350 K)和低温环路热管(200 K以下)。为了满足深空探测的需要,低温环路热管广泛应用于航天设备温控系统中并表现出优异的性能。按照孔隙特征和结构形式将用于环路热管的毛细芯分为四种,简要阐述每种毛细芯制备和特点;综合分析了近年来低温环路热管技术主要理论和实验研究成果,将目前低温环路热管常见的工作温区分成五个部分,分析影响低温环路热管传热性能的因素,包括工质充装量、反重力高度、次蒸发器功率等。最后,提出优化措施以满足未来深空以及地面应用的需求。     

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。     

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%。     

平板型环路热管温度波动现象研究

环路热管(loop heat pipe,LHP)是一种靠蒸发器内毛细芯产生毛细力驱动回路运行,利用工质相变来传递热量的高效传热装置.研制了一套小型平板式蒸发器、风冷式冷凝器的环路热管(mLHP),mLHP的毛细芯为500目不锈钢丝网,工质为丙酮和甲醇.蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成.着重研究了平板型mLHP在不同热负荷条件下的温度波动特性.实验结果表明,平板式mLHP在某些热流密度区间容易发生温度波动;同时,重点研究了工质对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释.     

平板蒸发器环路热管启动及充灌率特性研究

结合环路热管系统的优点与太阳能的广泛利用前景,设计并搭建了以太阳能利用为背景的新型毛细芯平板蒸发器环路热管系统,采用泡沫镍为毛细芯、乙醇为工质,实验研究了系统的启动运行特性,以及不同的工质充灌率对环路热管系统性能的影响。结果显示,在实验条件下,环路热管热源功率在300~1 600 W时具有良好的启动运行特性,55%的充灌率为最佳充灌率,具有更短的启动时间,相对更低的蒸发器温度与热阻。