重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70~100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

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。     

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。     

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。     

重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术（ECT）对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示：当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术(ECT)对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示:当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

低压蒸汽环境中水蒸发界面温度和蒸发速率的实验研究

蒸发相变广泛存在于薄膜过程及晶体生长等工业生产和日常生活中,液层表面蒸发和热毛细对流相互影响、相互制约,使得蒸发界面能量传递机制变得非常复杂。为了深入了解水在低压纯蒸汽环境中的蒸发特性,对环形液池内水蒸发时的温度分布和蒸发速率进行了一系列实验研究。环形液池壁温控制在3～15℃之间,蒸发环境压力在394～1467 Pa之间变化,开始测量时液层深度为10 mm。结果表明,蒸发界面气相侧温度总是高于液相侧,气液界面存在明显的温度跳跃。随着压比减小,蒸发速率增加,界面温度跳跃随之增大;随着距壁面距离增加,局部蒸发速率降低,温度跳跃值减小;相同压比下,随着壁面温度的升高,气相侧热通量减小,蒸发界面温度跳跃值整体降低;在实验范围内测得的最大温度跳跃值为2.56℃。由于蒸发冷却效应和热毛细对流的耦合作用,蒸发界面下液相侧存在一个厚度为2 mm左右的温度均匀层,且壁面附近温度均匀层厚度大于中间区域厚度。在温度均匀层内,径向温度梯度诱导的热毛细对流将热量从壁面传输至气液界面以补偿蒸发所需汽化潜热;在温度均匀层以下,浮力对流和导热共同作用使得液相温度迅速升高。     

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。     

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。     

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。     

热管散热装置对车用锂离子电池组内温度分布影响数值模拟

电动汽车锂离子电池温度过高会降低电池的放电效率,加速电池寿命的衰减。为了降低电池组温度,设计了热管内插于电池组的散热系统。以电动汽车实际行驶过程中的速度为依据,对不同放电电流下电池组的温度场分布进行了数值计算。结果表明：随着车速的提高,电池的放电电流、产热量急剧增加,当车速达到120 km·h^-1时,放电电流高达143 A,电池放电截止时,电池组温度达到56℃;与自然对流冷却方式相比,热管冷却可以将电池组的平均温度降低4.6℃,电池组温差降低2.2℃;热管冷凝段长度的增长可以有效地降低电池组的温度,热管冷凝段长度为50 mm时,可以基本上满足电池组的散热需求。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论：蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

复合中空热管两相流的观测及充液比对热管等温性的影响

为了解决工业中大量低品质烟气余热的回收利用和烟气酸露点腐蚀导致设备容易失效的工程问题,提出了一种复合中空热管传热元件,介绍了其结构及工作原理。采用可视化实验对管内气液两相流的传热传质机理进行了分析,同时,对不同充液比情况下管壁的等温性进行了实验研究。研究结果表明:在内管采用酒精炉加热、外管采用空气自然对流冷却的条件下,复合中空热管管内液池为核态沸腾换热,外管壁内侧是饱和蒸气层流膜状凝结;复合中空热管在外管壁温度30℃时,加热时间2 min之内就能正常快速启动工作;充液比33%时,复合中空热管的等温性好。实验研究结果为复合中空热管换热器的工程应用提供了基础。     

水/FC-72纳米乳液振荡热管传热特性研究

通过超声方法将水和FC-72乳化制备得到了不同体积浓度的水/FC-72纳米乳液,对以水/FC-72纳米乳液为工质的振荡热管开展了传热特性的实验研究。结果表明,使用纳米乳液后振荡热管冷热段温差明显下降,传热性能得到增强,且存在与充液率有关的最佳水相体积浓度,30%、50%和70%充液率下的浓度最佳值分别为11%、9%和9%。与使用纯FC-72时相比,充注最佳水相体积浓度纳米乳液的振荡热管在充液率为30%、50%和70%时冷热段温差最大可分别下降约3.3℃(或18.7%)、3.1℃(或13.7%)和4.3℃(或23.5%)。分析发现,纳米乳液的有效热导率和比热容均随着纳米水滴体积浓度的增加而明显增大,这可能是引起振荡热管传热能力增强的主要原因。     

异形整体式热管散热器传热实验与分析

针对电子电气设备散热和均温的需求,提出了一种新型结构形式的异形整体热管散热器：平板热管形式的蒸发段与具有高肋化比翅片的冷凝铜管集成。对该热管进行了传热实验与分析,研究热管在不同工况下温度数值及分布,探究影响热管性能的因素和规律,验证其传热能力。结果表明：在各种工况下热管温差始终在1.75℃之内,均温性能良好。加热功率和对流散热状况对热管启动性能、总体热阻、当量热导率、传热系数都有影响。随着加热功率和对流速度增加,热管启动时间和热阻均降低,当量热导率和传热系数则逐渐上升。热阻最低为0.189℃·W^-1,最佳当量热导率为20964 W·m^-1·K^-1。相比于同等尺寸的传统热管,热阻降低了37%,传热效率提升15%。     

超临界CO2管道减压过程中的热力学特性

基于工业规模CO₂管道（长258 m,内径233 mm）实验装置开展了3组不同泄放口径的超临界CO₂的泄放实验,测量了CO₂减压过程中管内介质压力变化以及介质与管壁的温度分布,分析了减压过程中CO₂相态、密度变化及管壁内外传热过程。研究表明,超临界CO₂泄放导致管内介质压力、温度及管壁温度均下降,最终趋于稳定,介质由超临界相变为气液两相最终变为气相。初始阶段的温降幅度最大,对流换热强度最大。距离泄放端越远,管内顶部和底部介质的温降幅度越大,对流换热强度越小,在泄漏口附近的对流换热最为剧烈。随着泄放口径的变大,泄放时间和管道内介质与管道的换热时间都变小,且沿着管道方向的管道内流体和管壁的温度梯度变大,对流换热强度也变大。     

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。     

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。     

动力电池热管冷却效果实验

基于对动力电池在大负荷运行模式下的产热行为分析,组装了一种采用热管式冷却的电池热管理系统。在空气自然对流、强制对流和热管冷却3种模式下,研究了电池模块中各电池在放电过程的温度变化趋势。结果表明,镍氢MH-Ni动力电池采用热管式冷却方式具有良好的冷却效果,可确保电池在最佳的工作温度范围内运行,并且具有拉平电池温度的能力。与自然冷却及强制对流冷却相比,在3728 mA电流放电情况下,热管冷却方式使电池温升最多可以降低10 ℃左右;持续放电8 min后电池温度也不超过43℃。