SDBS对铜-水脉动热管启动及传热性能影响

脉动热管工质气泡的产生、脉动、分裂、合并是脉动热管运行特性的重要影响因素。而表面张力是气泡产生、脉动、分裂、合并运行规律的重要影响参数。以表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS)为溶质,以去离子水为基液,配制了质量分数为0.001%、0.005%和0.009%的3种溶液。测试发现表面活性剂的添加对水的表面张力改变较大,浓度为0.005%时表面张力降低了42.2%,而对水的比热容、密度、黏度影响较小。在自行设计搭建的脉动热管传热性能实验台上,对比实验测试了在不同浓度、不同加热功率下表面张力对脉动热管启动及传热性能的影响规律。研究结果发现:表面活性剂可以减小脉动热管启动时间,在低加热功率条件下(≤90 W),0.001%SDBS水溶液的启动时间最快,最快比水快了11.2%;而在大功率加热条件下,SDBS的添加对启动时间影响较小。而且表面活性剂可以改变脉动热管传热性能,使其热阻出现不同程度的减小。     

工质表面张力和黏度对脉动热管启动及传热热阻的影响

以表面活性剂全氟辛酸钾(potassium perfluorooctanoate,PFOK)为溶质,以纯水为基液,配制了质量分数为0.02%、0.05%、0.1%、0.2%、0.5%共5种溶液并进行了物性测试,发现PFOK对水的表面张力改变较大,黏度其次,比热容、密度、热导率等参数影响较小;实验研究了不同表面张力及黏度工质对内径为2.5mm的脉动热管在不同加热功率下的启动时间和传热热阻的变化规律。结果表明:加热功率对启动时间的促进作用在≤60W时较为明显;由于黏度增加的影响,表面张力对启动时间及传热热阻的变化规律都呈现W形图像;并且随着加热功率的增加,表面张力和黏度对传热热阻的影响作用下降。     

梯度润湿表面脉动热管传热性能的研究

为提高脉动热管水平方向的运行性能,本文通过控制化学刻蚀时间,制备出冷凝段到蒸发段接触角由83.8°至0°均匀变化的纳米草结构梯度润湿表面。并将此结构引入至6弯管板式脉动热管中,在不同充液率、加热功率以及运行方向下开展可视化和传热性能试验。试验结果表明,在竖直运行时,梯度润湿表面脉动热管相比于纯铜脉动热管展现出较好的传热性能。水平方向上,相较于纯铜脉动热管几乎完全烧干、无法启动的情况,梯度润湿表面由于附加的梯度润湿驱动力,促进了液体工质的回流,脉动热管成功启动。且汽液界面脉动振幅、脉动速度以及脉动热管的传热性能显著提高,充液率50%时热阻最多降低45%。     

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。     

两亲性纳米流体太阳能重力热管传热性能研究

针对石墨烯/水纳米流体的分散不稳定问题,采用化学方法制备了不含表面活性剂的改性石墨烯/水两亲性纳米流体,研究了以改性石墨烯/水两亲性纳米流体为工质的太阳重力热管在不同加热功率、安装角度和浓度下的热性能。结果表明,与去离子水相比,两亲性纳米流体可以降低热管的启动温度。在实验加热功率范围内,当加热功率相对较小时,两亲性纳米流体热管的热阻明显低于去离子水;随着加热功率的增加,热阻差异可以忽略。当安装角度相对较小时,其对蒸发段传热能力影响较大。当加热功率为20 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了54.7%;当加热功率为40 W,纳米流体质量分数从0.1%增加到0.6%时,蒸发段传热系数下降了48.9%。     

管板结构脉动热管冷却动力电池的传热特性

开发经济、高效和可靠的电动汽车电池冷却方案是其大规模商业化过程中需要解决的关键问题之一。本文提出并设计了一种对动力电池进行热管理的管板结构脉动热管装置,选用乙醇、水及两者二元混合物为工质,对不同加热功率、充液率和乙醇-水混合比下脉动热管的传热特性进行了实验研究。结果表明,使用乙醇-水混合工质的脉动热管表现出更好的启动和传热性能。在充液率为30%、加热功率为48W时,电池的平均温度可以控制为44℃;电池的表面平均温差可低至1.5℃,表现出较好的均温性。对乙醇-水二元混合工质强化脉动热管传热的机理分析表明,两者具有的互补热物性特征和热管内部混合工质浓度梯度引起的逆Marangoni流是改善脉动热管传热性能的主要原因。     

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%。     

倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响

为了研究脉动热管在中低温区的传热性能,设计了一台乙烷脉动热管,采用低温Stirling制冷机为冷源。实验研究了在不同温区范围内,加热功率和倾角两个因素对乙烷脉动热管传热性能的影响。研究结果显示：在－40℃和－70℃温区,当倾角小于45°时,倾角对传热温差的影响较小,而倾角在45°～90°之间时,随着倾角的增大,传热温差呈明显上升趋势。在较低加热功率下,倾角对传热温差的影响较小,在较高加热功率时,倾角对传热温差的影响较大。实验还发现在同一倾角下,随着加热功率的增加,传热温差逐渐增大,传热热阻呈现出先减小后增大的趋势。     

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。     

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质,充液率为50%,对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果,探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明,在低加热功率条件下,甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型,甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长,但比水短。稳定运行时,甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇,且波动较大。在低、中加热功率条件下,甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇,甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。     

正火预处理对脉动热管启动时间的影响

启动时间是脉动热管的重要性能指标,与管内壁的表面结构及工质润湿性密切相关。本文分别采用氧乙炔、钎焊炉正火与马弗炉500℃保温5h、480℃保温9h退火等4种处理方式对脉动热管进行预处理,观察了热管的内表面结构,测试了工质在相应表面的润湿性,并与未经处理的脉动热管内进行了对比,分析了脉动热管内表面性质对启动过程的影响机理。以几何参数相同的脉动热管为对象,以无水乙醇为工质,在50%充液率、垂直底部加热的条件下针对氧乙炔正火预处理前后的脉动热管的启动性能进行了对比实验。结果显示,经氧乙炔正火预处理后的脉动热管,工质在管内壁面的润湿性得到改善,热管的启动时间缩短且加热功率越小影响越大,在加热功率30W时启动时间缩短了74s。     

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。     

氧化石墨烯/水脉动热管的启动及传热特性

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是一种新型二维平面结构碳纳米材料,具有高导热性和强亲水性。通过实验研究GO纳米流体对脉动热管(PHP)启动及传热的影响。PHP是由3个弯头构成的闭式回路,采用垂直底部加热,功率范围10~105 W;冷凝段强制风冷。去离子水为基液,GO浓度范围0.02%~0.11%(质量分数);固定充液率约50%。结果表明：适当添加GO纳米颗粒可有效改善启动性能。当浓度为0.05%、0.08%时,启动温度可分别降低28.6℃(33.9%)、26.2℃(31.1%),启动时间分别缩短320 s(19.5%)、304 s(18.5%),启动过程更加平稳。GO纳米流体对PHP的传热强化作用与浓度及功率有关。当浓度在0.02%~0.08%范围、加热功率在20~105 W范围时,传热强化率在18.6%~57.1%之间,强化作用明显。在上述浓度范围(0.02%~0.08%)内,随着加热功率增加,热性能改善程度先增加,而后逐渐减少;加热功率为30 W时,热性能改善程度可达到46.1%~57.1%。最后,在实验基础上,综合应用Ku、Bo、Mo、Pr、Ja^* 等无量纲数组合,拟合得到实验关联式预测GO/水PHP传热性能。     

水、丙酮混合工质振荡热管传热性能

采用水、丙酮以及其二元混合工质对振荡热管进行实验研究,选取35%～70%充液率,10～100 W加热功率以及水/丙酮13：1、4：1、1：1、1：4、1：13配比,将实验数据与混合工质物性、相变特点结合以研究其振荡热管传热性能。结果表明：混合溶液振荡热管启动所需功率小于水;小充液率时,除较低丙酮比例配比（如水/丙酮13：1混合工质）以外,混合工质比纯工质振荡热管不容易烧干,纯工质振荡热管在50 W时热阻就已经上升到较高数值,而混合工质振荡热管在同样的功率则维持着较低的热阻。在丙酮中加入少量水（如水/丙酮1：13混合工质）能有效改善振荡热管烧干情况,然而,少量丙酮与水混合而成的工质（如水/丙酮13：1混合工质）对振荡热管烧干情况的改善不明显;大充液率时,混合工质振荡热管的传热性能要弱于纯工质,在35～50 W,纯工质振荡热管热阻都低于混合工质,而在较大加热功率（50～100 W）,水与混合工质振荡热管仍保持着较明显的热阻差。对混合工质振荡热管的传热性能的分析可为今后更深入研究其工作机理以及传热特性理论模型的建立提供参考。     

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。     

平板脉动热管传热性能的实验研究

对一种具有双面三角形通道的平板脉动热管进行了实验研究,分析了工质、充液率、倾角等对传热性能的影响。结果表明,该热管具有优异的传热性能,最佳充液率为25%~30%,最佳工作角度为90°,在相同充液率和倾角下,当采用丙酮作为工质时,热管传热性能优于水工质。     

非共沸不互溶混合工质脉动热管启动特性分析

针对低加热功率下脉动热管难启动的问题,本文提出一种用于脉动热管相变传热的非共沸不互溶混合工质（HFE-7100和水）,其中低沸点工质潜热小、比热容低、密度大,高沸点工质潜热大、比热容高、密度低。选取水为高沸点工质, HFE-7100为低沸点工质,并将两者按照4∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶4比例混合,实验研究了不同混合比例工质在不同充灌率和不同加热功率下的启动特性。结果表明：相对于水,HFE-7100的低汽化潜热值和高(dp/dT)_sat值等特点能够加快蒸发段气泡的形成,加速脉动热管的启动;相对于纯工质脉动热管,非共沸不互溶混合工质相当于缩短了脉动热管的有效长度,加快系统启动;在低加热功率下,纯工质脉动热管无法启动,但混合工质脉动热管能够正常启动,且混合比例为2∶1、1∶1和1∶2时启动较快;在高加热功率下,混合比例2∶1启动最快。同时,对于非共沸不互溶混合工质脉动热管,充灌率为30%时启动效果最好。     

吸湿性盐溶液振荡热管的传热特性研究

研究了10%(质量分数)LiCl吸湿性盐溶液作为工质的振荡热管传热特性。测试了在45％～90％充液率、10～100 W加热功率下振荡热管蒸发端温度及热阻的变化，并与去离子水工质的实验数据进行了对比。结果表明：在45％、55％的低充液率下，加热功率达到50 W以上时，LiCl溶液振荡热管的热阻明显比去离子水振荡热管低，能有效延迟烧干现象的发生。在62%的中等充液率，35W加热功率以上，LiCl溶液振荡热管的蒸发端温度较离子水振荡热管振荡频率快，幅度小且热阻低。在80%、90%的高充液率下，两种工质振荡热管的蒸发端温度曲线在平均温度、振荡频率、振荡幅度上都较为相似，热阻也比较接近。     

基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

基于红外热成像技术和高速可视化观测手段,得到了不同热负荷下脉动热管冷凝段表面的温度分布和管内工质的运行状态,分析了两者与热管传热性能间的内在联系。研究表明:随着热负荷的升高,工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式;冷凝段内主要出现泡状流和塞状流两种流型且离散气泡所占的份额逐渐减小;不同运行模式下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布各具特征;冷凝段表面的红外热图像可成为辨识管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。