高温热管声速极限的实验研究与理论分析

高温热管是公认的被动式高温传热器件,以及明显高于相同几何尺寸金属材料的当量导热率,使其成为研究热点,并具有广泛的应用前景。在高温热管的蒸汽流动中,当喉部流速达到声速后,会出现声速传热极限,主要表现为冷凝段温度持续降低,传热量停滞不增,以及蒸汽的阻塞状态。本文设计、制备了高温热管传热器件,以高频感应方式为热源,盘管式水冷套为冷源,搭建了可以定量测试高温热管声速极限的实验台,并应用理论模型进行了验证。实验测试了高温热管在高热流加热条件下的冷态启动过程,以及稳态传热状态下的温度、热流等基本物理量,并对此进行了理论分析。实验结果表明:长径比、加热热流、工作温度是影响高温热管声速极限的主要因素。     

大长径比高温热管传热性能实验研究

在核能主动热利用领域,需要高温热管具有较大的长度并保证均温性,然而现有对高温热管的研究集中在热管性能的理论预测和较短的高温热管预研方面。本文首先制备了67倍长径比高温热管,理论分析了其冷态启动特性,并对其冷态启动和稳态传热性能进行了实验研究,提出了可以发挥其优良传热性能的加热方式;进一步制备了200倍长径比高温热管,定性验证了其良好的传热性能,定量实验研究了其冷态启动过程,并发现了超长高温热管喉部区域的热量传递规律。     

前缘一体化高温热管结构防热效果的实验研究

为了研究复杂构型前缘一体化高温热管结构在高热流密度状态下的防热效果, 设计了飞行器气动加热轨道, 实现了高温热管低状态完全启动、高状态极限考核。然后采用超声速电弧风洞驻点自由射流结合轨道模拟技术, 模拟乘波体飞行器的前缘疏导构件的气动加热环境, 开展了前缘一体化高温热管结构防热效果研究。实验结果表明, 一体化高温热管结构能够多次使用, 低状态下高温热管的启动时间约为115 s, 在高状态下结构依然有效, 降温系数达到24.5%, 验证了前缘疏导式防热结构的防热效果, 可为未来新型高超声速飞行器非烧蚀热防护系统的设计提供指导。      

并联平板重力热管传热性能实验研究

为了研究安装角度、工质及管径对并联平板重力热管传热性能和启动特性的影响,本文搭建了性能测试实验台并进行了对比实验研究.实验结果表明:在90°～60°倾角范围内,倾角对热管传热性能的影响不明显,随倾角的继续减小,热管运行热阻增大,传热极限减小;在低加热功率下充注丙酮的热管具有更好的传热性能,而在高加热功率时充注乙醇的热管...     

微槽道热管阵列散热器的传热性能实验研究

本文介绍了平板微热管阵列散热的工作原理,制作了U型微槽道热管阵列散热器,通过与无微槽道热管阵列散热器传热性能的实验对比,在平板微热管阵列、与水平面夹角为45°的微槽道热管阵列和U型微槽道热管阵列热通量及均温性的测试基础上,得到在蒸发段温度≤58℃时,U型平板微槽道热管具有良好的传热性能,在热流密度≥72 W/cm~2的情况下,弯折角度越小,传热性能越好。实验表明:U型微槽道平板热管阵列具有良好的均温性、热响应性及传热性能;微槽道能强化热管阵列的传热效果;在一定热流密度下,弯折角度越小,传热性能越好。     

自激振荡流热管非均匀截面强化传热实验研究

本文对自激振荡流热管的传热特性及强化传热手段进行了分析,并利用高热流连续激光作为加热手段,通过改变激光器的输出功率,对等截面和非均匀截面自激振荡流热管的传热特性进行了对比实验研究。实验结果表明,非均匀截面自激振荡流热管在满足一定的前提条件下,可以明显地起到强化传热的作用。     

低弯头数液氢温区脉动热管的实验研究

为了研究液氢温区脉动热管在冷却Mg B2超导磁体方面的可行性,利用浙江大学制冷与低温研究所现有的实验平台,进一步开展了液氢温区脉动热管的实验研究。在低弯头数(N=2)下,充液率55.8%的脉动热管在加热功率0.1W时可以启动;随着加热功率增大,经历了启动、脉动、极限三个阶段,启动阶段脉动热管传热温差波动很大、传热性能差,而脉动阶段脉动热管传热温差很小、传热性能好。在加热功率0.6W、充液率27.8%时,脉动热管具有最大的传热系数68k W/(m·K),此时蒸发段和冷凝段的温差为0.29K。     

交叉齿内螺纹重力热管强化传热特性

实验测定了水平和垂直放置状态下,铜-水交叉齿内螺纹重力热管的传热特性,并与普通铜-水重力热管进行了比较,得出了交叉齿内螺纹对重力热管传热性能的影响.水平放置状态下,交叉齿内螺纹重力热管具有较低的蒸发段温度、轴向温差和热阻,相比普通重力热管其传热极限也有极大的提升.垂直放置状态下,在40 W低加热功率时,交叉齿内螺纹重力热管传热性能低于普通重力热管,随着加热功率的增加,其传热性能实现反超。     

T型正交三支路轴向槽道热管性能实验研究

基于空间光学相机应用需求,提出了用接头将多根轴向槽道热管进行连接组成多支路轴向槽道热管的应用思路。通过实验研究了单接头T型正交三支路轴向槽道热管的性能,测试了在单一支路制冷,另外2支路单独加热及同时加热时不同加热功率条件下该热管的瞬态热响应启动性能和等温性能,并计算了不同条件下的当量导热系数和总热阻。实验结果表明:本文T型正交三支路轴向槽道热管,对其任一支路进行制冷,另外2支路单独加热以及同时加热时,在实验功率范围内热管都具有较好的瞬态热响应启动特性,启动稳定时间约400 s;当量导热系数为铝合金的340～1029.9倍,具有热管良好的高效传热特性;且在不同使用条件下,热管蒸发段与绝热段的等温性都较好,但包括冷凝段在内的整体等温性则存在差异。相比较而言,无论单支路加热还是双支路加热,垂直支路制冷条件都优于水平支路制冷条件。本文实验结果验证了用接头将多根轴向槽道热管进行连接组成多支路轴向槽道热管应用的可行性,且通过实验数据总结的一些规律对多支路轴向槽道热管的工程设计具有一定指导意义。     

工质热物性对脉动热管运行性能的影响

工质热物性显著影响脉动热管的流动与传热特性。本文通过理论计算及实验研究,定性分析了工质热物性对临界直径、毛细滞后阻力、启动运行及传热极限等方面的影响。研究表明,为保证脉动热管的运行性能,在设计阶段应综合考虑工质、管材及管径大小等因素。首先,根据使用场合的热流密度及运行温度高低合理选取工质种类;然后,选用合适的管壁材料,尽可能减少液塞与管壁之间前、后接触角不同引起的毛细滞后阻力;最后,确定管内直径范围。本文工作旨在为脉动热管的设计和选用提供一些依据和参考。     

热管换热器用于LED冷却系统的实验研究

研发了一系列将发光二极管(LED)散热与热管传热相结合的用于大功率LED冷却的热管散热器,并对其传热性能进行了实验研究。结果表明,该系列热管散热器具有良好的散热能力,能将节点温度控制在70℃以下,满足了大功率LED对结点温度的控制要求;实验结果还表明,翅片结构不同,换热器散热能力明显不同,所研发系列异形翅片热管换热器的散热能力明显高于目前常用的普通矩形翅片热管换热器,其中以外翻形翅片热管换热器散热能力最好;还研究了热管换热器工作倾角对其散热能力的影响,并给出了热管排布数量、翅片材质及结构对换热器散热性能、换热装置体积、成本及质量的影响。     

照明用大功率LED回路热管散热器的研究

分析了照明用大功率LED封装的散热特性,提出了一种用于大功率LED系统散热的回路热管;研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响。试验结果表明,所设计的热管散热器的热阻在0.19K/W~3.1K/W之间,蒸发器的均温性被控制在1.5℃以内,满足大功率LED封装的均温性要求,在热负荷为100W时,蒸发器的温度被控制在100℃以下,满足大功率LED结点温度的控制要求。     

燕尾形轴向槽道热管瞬态特性实验研究及热阻模型

实验研究燕尾形轴向槽道热管启动/关闭及负荷变化的瞬态响应特性。建立了燕尾形轴向槽道热管的热阻理论预测模型,分析工作温度和热负荷及对热管总热阻的影响。结果表明:热管在负荷突然增加或减小时,响应特性良好;热管在启动过程中,热管的蒸发段、绝热段和冷凝段的温度都在增大;总热阻随热负荷的增大而增大;然而,总热阻受工作温度的影响较小;比较总热阻和平均温差的实验测量和计算值,两者符合较好。     

补偿腔支路对环路热管传热性能影响的实验研究

在环路热管系统工作中,存在因补偿腔温度过高而造成的蒸发器烧干现象。在常规环路热管系统中设计了补偿腔支路,以带走热源向补偿腔传递的径向热量,并对设计的环路热管系统进行实验测试,分析补偿腔支路对环路热管传热特性的影响。实验结果表明:补偿腔支路开启后,在热流密度14 W/cm²时,系统稳定启动所需时间从4 min减少到3 min,表明系统稳定启动所需时间减小,有利于快速启动;在热流密度18 W/cm²下,对应的壁面温度从88.2℃降至85.4℃,系统热阻从0.56 K/W减小到了0.49 K/W,表明系统所能承受的最大热流密度更大,系统热阻也更低,因此系统的传热性能更好。     

An Experimental Study on the Performance of a Loop Heat Pipe

Modern electronics require better thermal management technologies to ensure long lifetime stability and reliable working. Aiming to evaluate the feasibility for a loop heat pipe being used for the heat dissipation of electronics, a stainless-steel/water loop heat pipe is design and an experimental system to study its heat transfer performance is set up. Experimental results show that at optimal heat load and with the loop heat pipe being aligned perpendicularly to the horizontal plane, its thermal resistance is lowered to be ～0.27 K/W. The loop heat pipe also shows good startup characteristics and can steadily work as well. All these indicate that the loop heat pipe has the potential to be a good solution for cooling of modern electronics.     

多蒸发器CPL热管及纳米流体应用于热管的研究进展

毛细泵回路热管(CPL)具有较高的传热能力,控温能力强,在航空和电子元器件的冷却方面具有广泛的应用背景,采用纳米流体强化热管内部的传热性能获得了越来越多的关注.文中首先介绍了多蒸发器CPL热管的工作原理、特点及研究现状;其次分析纳米流体应用于各种热管强化传热的研究现状,指出以纳米流体为工质的多蒸发器CPL的特点及其优势...     

基于热阻网络的大功率LED热管散热研究

LED结温高一直是大功率LED发展的技术瓶颈,随着单位热流密度的不断攀升,在自然冷却条件下,单纯的直肋热沉散热方式已不能满足散热要求。应用热管技术设计了热管散热系统,对该系统的传热机理和传热路线进行分析,建立该系统对应的热网络模型,对各部分热阻进行分析与计算,求得总的理论总热阻,计算得出理论结温;同时应用有限元方法对该系统进行仿真分析,对LED模块（0.025 m0.025 m0.005 m）输入30 W 电功率,得出其仿真结温稳定在58.19℃,满足结温小于65℃的要求,说明应用热管的散热系统满足设计要求。由热阻网络模型计算得出的理论结温为57.43℃,与仿真结果相差0.76℃,其误差仅为1.31％,验证了理论分析计算的正确性,对实际工程中热设计具有指导意义。     

热管式相变蓄热换热器储/放能过程中传热特性的实验研究

将热管作为换热元件应用于相变蓄热系统中,研制了一套热管式相变蓄热换热器。采用石蜡作为蓄热材料,对其储、放能过程即内部石蜡的融化与凝固过程进行了实验研究。测定了储、放能过程中不同时刻换热器内石蜡的温度分布; 改变供、取热流体参数,分析了供/取热流体的入口温度与流量对换热器储/放能过程的影响;分析了储、放能过程中能量随时间的变化情况。结果表明,热管在本换热器内极好地发挥了换热元件的作用,换热器运行状况良好,各项功能均能较好地实现。     

Evaluation of a Thermosyphon Heat Pipe Operation and Application in a Waste Heat Recovery System

Efficient and economical utilization of industrial waste heat would result in reduced energy use and thereby contribute to reduction of greenhouse gas emissions to the atmosphere. Two-phase thermosyphon technology has demonstrated the potential capability for waste heat recovery, but it has not been yet utilized in large-scale industrial applications. As a part of an industrial project, various types of thermosyphon heat pipes have been designed and tested for extraction of waste heat and process control in aluminum industry. This article presents the heat and mass transfer model, developed to provide a fast and accurate simulation tool for industrial application of thermosyphon heat pipe technology for waste heat utilization. The mathematical model considers the energy, momentum, and mass transfer equations, in their one-dimensional form, to predict output parameters of the thermosyphon and enable parametric and sensitivity analysis. The mathematical model structure is set up in a way that the least numerical cost and time is spent while the model accuracy is kept at acceptable level for the defined application. To provide experimental data for validation of the simulation model, the proposed thermosyphon was tested experimentally using a test set-up instrumented for this purpose. The simulation results are found to be in good agreement with the experimental data. The developed model and code are viable to be used as a simple and fast tool for modeling, design, and optimization of the thermosyphon as an element in a heat recovery module.