不同加热方式下环路热管蒸发器补偿器的可视化

为了探索不同加热方式对环路热管的启动及稳定运行性能的影响,对环路热管的蒸发器补偿器进行了可视化试验研究。环路热管以R245fa为工质,充液率为50%,分别采用了三种不同的热负载施加方法：蒸发器顶部加热、蒸发器上下同时加热、蒸发器底部加热。根据启动过程中蒸发器空腔内的主要相变模式不同,对应地分为3种启动模式：蒸发启动模式、蒸发沸腾混合启动模式、沸腾启动模式。结果发现：在5W启动过程中,蒸发沸腾混合模式和沸腾模式下的启动速度最快,并在蒸发器空腔气体槽道出口处伴有气泡溢出,分别历时760s、1180s,远小于蒸发启动模式的2370s。分析可知,环路热管的启动速度与蒸发器空腔内的初始液面及其平均液体消失速度密切相关。另外,为研究蒸发器空腔内液相工质的沸腾,对不同的启动模式下空腔内的气泡生长进行了探索。在稳定工况中,同热负载下不同加热方式的环路热管的热阻及补偿器液面高度都不相同,其中底部加热方式的环路热管热阻最小。经分析发现,同热负载下不同加热方式会影响蒸发器内液相工质的蒸发效率,同时也会改变补偿器液面高度和蒸发器向补偿器的漏热,进而影响环路热管性能。     

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。     

平板形蒸发器环路热管的研究进展

环路热管是一种高效的传热装置。与其他传统的热管相比,其最大的优势是传热距离大、可反重力运行。对环路热管进行总结和回顾,既有利于推进环路热管基础理论的发展,也可促进新型、高效环路热管的开发与利用。本文根据蒸发器的形状对环路热管进行了分类,全面系统地介绍了近五年国内外关于平板形蒸发器环路热管的实验研究和理论模型研究进展,包括吸液芯结构设计、工质选择、蒸发器优化、蒸发器的模型研究及环路热管系统的模型研究,分析了6种吸液芯结构各自的优缺点与应用现状,比较了几种常见工质及3种常规平板形蒸发器环路热管系统模型之间的差异。最后对平板形蒸发器环路热管的研究现状进行了总结,并对未来其在实验研究和理论模型研究方面提出了科学的分析与展望。     

双面蒸发器环路热管的瞬态特性

环路热管是一种高效的两相热控装置,主要应用于航天航空热控和地面高热流电子器件的散热。现有的平板式环路热管只有一个面可以进行散热,一方面,不利的背向导热使得环路热管在低热负荷的条件下启动困难,另外,蒸发器的另一个面也存在散热的潜能。针对上述不足,提出了平板型甲醇-铜双面蒸发器环路热管。在重力辅助倾角为10°,热沉温度为0℃的条件下,对单面加热和双面加热的启动性能和变工况运行进行了实验研究。实验结果表明:该新型环路热管在单面加热和双面加热条件下,均可以成功启动和正常运行,且双面工况时的启动性能比单面更稳定、迅速;在加热面的温度不超过(90±2)℃的情况下,单面可以传递的最大热负荷为210 W,对应热流为21.8 W·cm^-2,而双面传递的最大热负荷为240 W;双面交替运行时,LHP能够快速从一个面转向另一个面运行,没有出现运行失败。     

双通道平板型环路热管的传热特性

以铜为主要材料、超纯水为工质研发了双通道平板型环路热管。分别在双通道环路热管的两根液管上安装阀门,通过阀门的开关,实现双通道平板型环路热管和单双道平板型环路热管的互相转换。通过实验,发现双通道平板型环路热管的传热性能比单通道平板型环路热管要好。在热源的加热量为30W时,蒸发器温度的降幅可达10℃。在不同的功率下,双通道环路热管比单通道环路热管总热阻的下降幅度在20%以上。但双通道平板型环路热管的总热阻与单通道平板型环路热管相比,降幅并没有达到50%,这是由于采用双通道的形式,只能减小通道压降造成的热阻以及冷凝热阻,但不能减小蒸发器热阻。     

平板式环路热管性能的实验

针对一款基于并联式平板蒸发器的小型环路热管进行了实验研究,分析了冷凝器位置以及摆放方式对环路热管运行性能的影响。实验表明：该环路热管能在低功率（20 W）时各种摆放方式下顺利启动,并具有良好的工作性能,其最大热负荷达到130 W,此时热阻为0.21 ℃/W;该热管水平放置时,蒸汽管线长度越短,启动性能越好,最大热负荷越大;运行功率越大,蒸汽管线长度对运行性能的影响越明显。并联式平板环路热管具有很好的反重力特性,能够在各种竖直放置状态下正常运行;该环路热管竖直放置且储液器位于蒸发器下方时,系统的运行性能最好。     

平板陶瓷毛细芯环路热管的实验与仿真

设计并制作了一种平板陶瓷毛细芯环路热管,以环保型制冷剂R245fa作为工质,实验研究了其传热性能;在传统热阻网络模型基础上,优化了其计算过程,通过两条路径并行计算储液器温度,并以二者残差作为收敛条件,提高了计算速度。实验与仿真结果表明,进入固定热导区后,冷凝器热阻占系统总热阻的90%左右,当系统刚刚进入固定热导区时,蒸发器热阻最小,此时蒸发器传热性能最佳;仿真结果与实验结果吻合度较高,温度计算误差最大不超过5℃,热阻的相对误差最大为17%,通过模型计算得到工质在流经毛细芯内部时产生的压降占系统总压降的90%,蒸发温度随着毛细芯厚度的增大而减小,随着毛细芯有效热导率的增大呈现先减小后增大的趋势;增加毛细芯厚度有利于减小毛细芯向储液器的漏热,毛细芯有效热导率的增大会显著增加漏热,不利于系统运行。     

热负荷分布对双蒸发器环路热管传热性能的影响

针对各自带液体补偿器的双蒸发器环路热管,采用模块化建模方式,数值模拟了不同热负荷分布下蒸发器毛细芯内的温度分布,确定了最优负荷分布模式以及系统传热极限。结果表明:施加于双蒸发器上的热负荷将同时影响双芯的温度变化,最优的热负荷分布模式为等热量分布。在一定的热沉温度下,并联双蒸发器环路热管的传热性能要明显优于单蒸发器环路热管,并以此求得该模型的传热极限为130 W,远大于同尺寸单蒸发器环路热管的传热极限37 W。     

脉动热管可视化实验研究进展

脉动热管是一种结构简单、可用于微小空间、高热流密度条件下的传热元件。其优良的传热特性源于内部工质的蒸发、冷凝相变以及两相流动等热-水动力学特性。可视化实验是研究工质流动特性的常用方法,对于理解脉动热管的传热机理非常重要。本文介绍了5种可视化技术手段,简述了近二十年来脉动热管可视化实验观察到的气液相变和多种流型,分析了流型的影响因素,并总结了流动特性和传热性能之间的对应关系。指出目前可视化实验观察到的结果可以定性地解释一些传热现象,却难以定量地揭示脉动热管的传热规律。未来可以将可视化实验中测得的气液塞运动速度、液膜厚度和相分布等信息利用起来,考虑管壁材质的影响,建立更准确的气液两相流模型,用来设计、评估和预测脉动热管的性能。     

平板型小型环路热管的温度波动特性

环路热管(LHP)是一种靠蒸发器内的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。本文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25 μm不锈钢丝网,工质为甲醇。蒸发器、冷凝器以及所有管路均由紫铜制成。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,mLHP在1.5～4 W·cm^-2的热通量范围内容易发生温度波动;还研究了倾角以及充灌量等对mLHP系统温度波动的影响,并给出相应的合理解释。     

Analysis of superheated loop heat pipes exploiting nanoporous wick membranes

The design and analysis of plant‐inspired loop heat pipes (LHPs) that would exploit nanoporous membranes to allow for operation with large capillary pressures and superheated liquid are presented. The operating concepts of this superheated loop heat pipe (SHLHP) resemble the transpiration process in vascular plants: reduction of pressure in leaves drives sap flow up from the roots and overcomes gravity, viscous drag, and reduced chemical potential of water in subsaturated soils. We present a model for steady‐state operation and a linear response analysis of both the conventional and superheated designs. Our analysis shows that these SHLHPs could: (1) extend the limitations of conventional LHPs imposed by thermodynamic properties of the working fluid, (2) provide efficient heat transfer over long distances and against large accelerations, and (3) allow for operation in a subsaturated state that would eliminate the thermal resistance and entrainment effect of the liquid film of conventional designs. © 2013 American Institute of Chemical Engineers AIChE J 60: 762–777, 2014     

带翅片的小型平板CPL蒸发器相变传热的数值模拟

提出一种小型平板毛细抽吸两相流体回路（CPL）系统来实现电子元器件散热,分析了其工作原理及特点。针对小型平板式CPL蒸发器的结构特点,分析了蒸发器侧壁导热所引起的侧壁效应对CPL传热能力的影响,提出小型平板CPL存在侧壁效应传热极限。为了提高系统的传热能力,蒸发器下壁增设了散热翅片。建立了小型平板CPL蒸发器毛细多孔芯的二维气液两相分层饱和多孔介质模型,金属壁面及工质气、液空间区域耦合的数学模型,并用SIMPLE算法对模型进行求解。数值研究表明,蒸发器受热面的温度水平较低,均温性较好。蒸发器采用翅片可以增加多孔芯内的温度梯度,使芯内温度分布更加合理;可以降低加热表面以及下壁温度,提高了侧壁效应传热极限,增强了系统的传热能力。     

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。