（轮机工程专业论文）脉动热管传热性能的实验研究.pdf

生塞撞要 摘要 脉动热管是一种新型热管，自从上世纪九十年代初期问世以来，对它的研究 主要是建立数学模型的理论研究，还有关于运行机理的可视化，以及各种影响参 数对脉动热管传热性能的实验研究，但其理论和实验研究都还处在初级阶段。由 于脉动热管传热量大，被看做目前解决小空间高热流密度的散热方案中一种很有 希望和前途的传热元件。 实验方面，设计加工了不同倾角及冷凝温度的闭式环路型脉动热管的实验条 件，并建立了试验台。在真空条件和常态下，通过改变实验装置的充灌率、倾角 和输入功率，研究它们对脉动热管传热性能的影响，得出如下结论： 常态下，在相同的充灌率下随着倾角的增加，传热性能逐渐增加，在倾角达 到7 0 。后逐渐降低；真空条件下，传热性能随着倾角增加逐步增加，并且在倾角 达到9 0 。时，系统运行最好。 常态下，当充灌率为5 0 时，脉动热管传热性能达到最好；而在抽真空条件 下，其传热性能达到最好所需的充灌率为3 0 。 抽真空条件下：采取顶部加热方式的实验中，脉动热管传热性能很差。冷凝 端温度变化实验结果表明，冷凝端温度接近工质饱和温度，传热效果会增强。 实验还研究了常态下氧化铝微颗粒对脉动热管传热性能的影响，结果表明微 颗粒的添加也存在一个最佳的添加比率。 关键词：脉动热管；传热：微颗粒 英文摘要 a b s t r a c t p u l s a t i n gh e a tp i p e ( p h p ) i san o wt y p eh e a tp i p e a f t e rt h e i ri n t r o d u c t i o ni nt h e e a r l yo f9 0 so fl a s tc e n t u r yr e s e a r c ha c t i v i t i e si nt h ea r e ao fp u l s a t i n gh e a tp i p eh a v e s t e a d i l yi n c r e a s e d i t sr e s e a r c h e sa r em o s t l yo nt h e t h e o r e t i cr e s e a r c ho fh o wt o e s t a b l i s hm a t h e m a t i c sm o d e la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ev i s u a l i z a t i o no fo p e r a t i o n m e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c eo fm a n yp a r a m e t e r so nt h e r m a lp e r f o r m a n c eo fp h p t h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na r es t i l la ta np r i m a r ys t a g e p u l s a t i n gh e a t p i p ei ss u i t e df o rt h em i c r o e l e c t r o n i c sc o o l i n go fh i g hh e a tf l u xb e c a u s e i t sg r e a th e a t t r a n s p o r ta b i l i t y i nt h i se x p e r i m e n t ，t h ec l p h pd e m e n t sw i t hd i f f e r e n te x p e r i m e n ta n g l e sa n dc o o l t e m p e r a t u r e sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，a n dt h ep h ps e t u pi se s t a b l i s h e d i nv a c u u m a n dn o r m a ls t a t e ，t h ee f f e c to fp a r a m e t e r so fe x p e r i m e n t a ls e t u p ，s u c ha sh e a ti n p u t ， g a i n i n gs o m ee x p e r i m e n tr e s u l t sa sf o l l o w i n g ： i nn o r m a ls t a t e ，t h eh e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t yb e c a m eg r e a tw i t ht h ei n c r e a s i n go f i n c l i n a t i o na n g l ea tt h es a m ef i l l i n gr a t i o ，w h e nt h ea n g l eb i g g e rt h a n7 0 。，h e a t t r a n s p o r tc a p a b i l i t yd e c r e a s e ds m o o t h l y i nv a c u u m ，p h pp e r f o r m a n c ek e p tc o n t i n u o u s i n c r e a s ew i t ht h ea n g l e si n c r e a s e d ，a n dp h pp e r f o r m a n c eg o tt h eb e s ts t a t ew h e nt h e a n g l e i s 9 0 。 i nn o r m a ls t a t e ，f i l l i n gr a t i o5 0 ，p h ph e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t yw a sb e t t e rt h a na n y o t h e r s s ；a n di nv a c u u m ，h e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t yg o tt ot h eb e s ts t a t en e e d s3 0 o f f i l l i n gr a t i o i nv a c u u m ：p h ph e a tt r a n s p o r tp e r f o r m a n c ew a sv e r yb a dw h e nt o o kt h et o ph e a t i n p u tw a y a b o u te x p e r i m e n to fc h a n g i n gt h et e m p e r a t u r eo nc o n d e n s e r ，e x p e r i m e n t a l r e s u l ts h o wt h a th e a tt r a n s p o r tp e r f o r m a n c ec o u l di m p r o v e dw h e nt h et e m p e r a t u eo f c o n d e n s e rc l o s e dt ot h es a t u r a e dt e m p e r a t u r eo fw o r kf l u i d t h i s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n w a sc o n d u c t e dt od e t e r m i n et h ea l 2 0 3 m i c r o p a r t i e l ee f f e c to nt h eh e a tt r a n s p o r tc a p a b i l i t yo fa p h pi nn o r m a ls t a t e ，a n d e e x p 嘶m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ee x i ta no p t i m u mr a t i oo fm i c r o p a r t i c l e sa d d e di n t o t h ew o r k i n gf l u i d k e yw o r d s ：p u l s a t i n gh e a tp i p e ：h e a tt r a n s p o r t ；m i c r o p a r t i c l e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 、原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 = =遂麴热筻佳热性毖的塞坠硒窥：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：、为鞘芦。朋r 年岁月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( - i l l 在以上方框内打“ ) 论文作者躲高诅酗导师虢己佰1y 日期：1 0 0 1 年；月列日 脉动热管传热性能的实验研究 第1 章绪论 脉动热管1 】是a k a c h i 于上个世纪9 0 年代初提出的一种新型热管， 其运行原理和 传热特性与传统热管有很大的不同。如图1 1 ，脉动热管是由金属毛细管弯曲成蛇形结 构，弯头一端为加热端，另一端为冷却端，在中间可根据需要布置绝热段。一般可分为开式 回路和闭式回路两种结构。 近年来，微电子散热成为微电子产品发展的 主要瓶颈，其散热性能的好坏直接影响到最终的 电子产品的成本、可靠性以及工作性能。常规的 电子散热技术已经不能满足电子元件的散热通量 的增长的要求。在这种情况下，脉动热管由于具 有以下优点而受到广泛的关注：1 尺寸小、重量 轻；2 它的当量传热量大；3 制造简单、成本 低；4 可以制造成各种形状以更好的适应各种热 源的散热需求；5 无噪声，对外界无影响；6 不 需要外加电源，减少电量消耗【l 】。因此脉动热管在 许多方面得到实际的应用，包括电子冷却、航空 图1 1 脉动热管 f i g 1 1p u l s a t i n gh e a tp i p e 等方面的应用。但如何提高脉动热管的传热性能成为关键性问题，对于影响脉动热管的 传热性能的因素有很多，找到各个因素之间最佳的关系是研究的重点，这也成为微电子 产品发展的一个关键性的问题。 1 1 脉动热管的工作原理 脉动热管的基本工作原理是：脉动热管是将一根长的毛细管抽真空后，在毛细管内 充入部分液体，如果毛细管内径尺寸满足【2 】 d 1 8 则管内就会间歇地形成气柱和液柱，它们处在对应室温下的平衡状态并随机地分布在毛 细管内，将毛细管弯成蛇形结构，弯头一端为加热端，另一端为冷却端，在中间可根据 第1 章绪论 需要布置绝热段。脉动热管的工作原理是将毛细管内抽成真空后充注部分工作介质，由 于管径足够小，管内将形成气泡柱和液柱间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端，工 质吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动工质流向低温冷却端。在冷却端，气泡冷却收 缩并破裂，压力下降。这样，由于两端之间存在压力差以及相临管子之间存在的压力不 平衡，使得工质在蒸发端和冷却端之间振荡流动，从而实现热量的传递【3 1 。 1 2 脉动热管的设计形式 脉动热管的设计形式总体来说分四种设计形式：( 1 ) 开式循环系统( o p e nl o o p p u l s a t i n gh e a tp i p e ) ，( 2 ) 开式不循环系统( o p e nu n l o o pp u l s a t i n gh e a tp i p e ) ，( 3 ) 带阀的闭式循环系统( c l o s el o o pp u l s a t i n gh e a tp i p ew i t hv a l v e ) ，( 4 ) 无阀的闭式循环 系统( c l o s el o o pp u l s a t i n gh e a tp i p ew i t h o u tv a l v e ) 4 1 ，如图1 2 。 1 0 l p h p 3 c l p h p l n f 2 o u p h p 4 c l p h p o v 图1 2 脉动热管的四种设计形式 f i 9 1 2 f o u rk i n d so fd e s i g nm o d e lf o rp h p 脉动热管传热性能的实验研究 1 3 脉动热管的特点 尽管脉动热管的设计有很多种，但所有这些脉动热管都有着一些共同的特点： 1 ) 没有传统热管的吸液芯结构。 2 ) 至少有一个热输入端( 蒸发端) 。 3 ) 至少有一个热输出端( 冷凝端) 。 4 ) 蒸发端和冷凝端存在着至少一个绝热段。 5 ) 通过脉动自身驱动热量传输，无需外加动力。 6 ) 倾角、充液率、表面张力等多种因素影响脉动热管的传热性能。 7 ) 通过工质自身的脉动运动实现可能的潜热和显热传输。 8 ) 适应性好，脉动热管可以根据使用工况弯折成适合形状。 9 ) 对于有适当充灌率的脉动热管没有普通热管的传热极限，不会出现长时间的烧 干现象。 因脉动热管内部无需吸液芯材料，因而具有结构简单，尺寸小，重量轻，传热量大， 制造容易，成本低廉的优点l5 ，由于有多个加热端和冷凝端，脉动热管有多种加热方 式，因此脉动热管在电子工业发展领域显示了很大的优势，并且在电子元件上已有了一 定的应用。 1 4 脉动热管的管内流型 1 4 1 初始汽液栓 毛细管中部分充入工质，在表面张力的作用下，工质会断裂成一系列长短不一的液 栓和汽塞。由于液栓两端接触角的不同产生毛细压差克服重力的影响，初始汽液栓的分 布状态和数量将会影响到达分定振荡所需的时间。 1 4 2 管内流型 当对脉动热管加热端输入热量后，蒸发端汽塞压力升高，这主要是因为液栓气化进 入相邻汽塞导致汽塞密度和压力升高；蒸发端的加热也会使汽塞的温度和压力升高：另 外，相邻液栓的运动压缩也会使汽塞压力升高。汽塞压力升高的同时产生体积膨涨推动 临近的液栓运动，该液栓的运动又会引起相邻的汽塞压缩，同时由于汽塞在冷凝端的冷 第1 章绪论 却，会引起压力的传递和波动，产生振荡，最终形成汽液栓流，压力波动的大小取决于 液栓运动的速度、蒸发端的输入功率、冷凝端的冷凝温度以及系统的传热效果。 在启动阶段，当蒸发端有热量输入时，液栓会产生沸腾，发出响声，产生管内工质 的振荡。当达到稳定状态后，管内建立起工质整体性的单向循环流动和单个汽液栓的局 部振荡。一旦循环运动建立起来，工质循环的方向是不会发生变化，但却是随机的。这 是由于初始汽液栓的分布具有随机性。循环速度与输入的功率有关，随着加热功率的增 加而增加。蒸发端的主要流型是气泡的产生、长大、分离及合并等；在冷凝端主要是气 泡的凝结、消失以及小气泡的合并等【6 】。 t o n g b y 等f 7 1 和l e ew h 等f 8 】都在可视化实验中观察到沸腾现象，但是l e e w h 等没有在试验中观察到工质的循环流动，只是发现工质沿轴向振荡。杨蔚源等【研 在试验中观察到当脉动热管稳定运行后，在加热端气泡的迅速膨涨是管内的典型现象， 低加热模式下观察到工质的单向流动和局部振荡，期间有周期性的徘徊和停顿。但没有 观察到核态沸腾现象。k h a n d e k a r 等 1 0 和z h a n gy u w e n 等1 1 1 都在液栓运动过程中观察到 “拖尾”现象，即有工质沿管壁从液栓流出，形成液膜。曲伟掣1 2 】在可视化实验中发现， 当输入功率较大时管壁会出现环雾状流，在管壁形成小溪流雾流小溪流雾流这样流型 的不断转换。 1 5 脉动热管的传热性能影响因素 目前对脉动热管的实验研究主要集中在对管内流型的可视化研究、管壁温度的测量 以及对单个参数影响的实验测量。传热特性影响参数大致可分为以下三类： 1 ) 几何参数，包括管径、横截面形状、弯数、总长、蒸发端和冷凝端长度等。 2 ) 操作参数，包括放置位置、加热和冷却方式、是否带单向阀等。 3 ) 物理参数，包括工质热物性、充灌率、倾角等。 1 5 1 脉动热管管径 对脉动热管来说，形成液栓和汽塞是其正常运行所必须的。如果管径过大将会出现 汽液分层现象，不能有效形成液栓和汽塞，因此要求脉动热管的管径必须足够小。如公 式1 1 中，脉动热管的管径与工质有着很重要的联系。另外，脉动热管的管径越小，需要 脉动热管传热性能的实验研究 克服的毛细阻力就越大，有研究表明，增大管径有助于增强传热，因此应该在最大内径 范围内选择适合的内径尺寸【6 j 。 1 5 2 脉动热管的通道截面形状 不同的通道截面形状对脉动热管传热性能有一定的影响。曹小林等【b 1 对脉动热管通 道形状改变后进行实验，发现当输入功率比较低( 小于1 4 0 w c m 2 ) 时，三角形截面脉动 热管的热阻小于正方形截面的脉动热管，当输入功率较大( 大于1 4 0 w c 1 7 1 2 ) 时，二者相 差不大。这是因为，当输入功率较低时，脉动热管的脉动力相对比较低，表面张力的影 响相对明显，而三角形通道的表面张力高于正方形的表面张力，因此热阻小；当输入功 率较高时，脉动力增强，相对很强的脉动力，表面张力的影响可以忽略。 1 5 3 脉动热管的弯折数 目前很多试验中都采用弯折数较少的脉动热管进行研究，但a k a c h i 等【1 4 】发现了临 界弯道数的存在，即当脉动热管的弯折数大于某一值时，倾斜角度和加热方式对传热的 影响很小。在他们的实验条件下，临界弯道数为8 0 ，c h a r o e n s a w a n 等【1 5 】在实验中也发 现了类似临界值的存在，内径2 m m 、蒸发段长度为1 5 c m 、以乙醇为工质的脉动热管的 临界弯道数为1 6 ，当弯道数小于临界值时，脉动热管在水平位置不能很好的运行，在垂 直放置底部加热的情况下传热量最大。当弯道数大于临界值时，可以获得较大的最佳倾 角范围。在倾角大于6 0 。时的传热量和垂直放置时保持相当，这一现象应该与工质的物 性和毛细管的尺寸有一定的关系，也与输入热量的大小有关。 1 5 4 脉动热管的工质物性 影响脉动热管传热性能的工质物性主要包括气化潜热、表面张力、比热、黏度、密 度、饱和蒸气压等，其中气化潜热是最主要的影响因素。工质的蒸发和冷凝是引起脉动 的原因，工质气化潜热越小，蒸发和冷凝变得越活跃，能够形成较大的压力脉动，振荡 和传热的效果就会越好。s h a f i imb 等和z h a n gy u w e n 掣11 】经过研究发现脉动热管内 的传热主要取决于显热的传递，潜热的作用主要在于汽液栓的振荡。因此比热也应该是 影响传热的一个重要物性。表面张力是能够形成汽液栓的原因，但在脉动热管运行稳定 第1 章绪论 后，对传热的影响不大，但提高液膜和管壁的接触角对脉动热管的传热性能的影响就不 可忽略了。 c h a r c e n s a w a n 等研究了工质物性和几何尺寸对传热的综合影响，发现了管径为 2 m m 时，水的传热特性要好于r 1 2 3 和乙醇；但管径为l m m 时，水的传热效果最差， r 1 2 3 和乙醇的传热效果差不多。 徐进良等研究发现：对于f c 7 2 和乙醇，脉动热管各点温度均随时间作有规律的 脉动，且各点的脉动周期相同；对于水在低加热功率下的热力型脉动曲线的分析表明， 由于水的汽化潜热很大，热力型脉动曲线很不规则，脉动幅度很大，脉动周期非常长， 毛细管内工质有存在较长时间停滞的可能，工作性能不够理想。 1 5 5 脉动热管的充灌率 充灌率是指充入工质的体积占脉动热管内容积的百分比。最佳充灌率与加热方式、 弯道数、工质物性等因素有关。a k a c h i 掣1 4 】认为，脉动热管的充灌率要大于普通热管， 通常应大于5 0 。加热方式对充灌率的影响比较显著。通常认为当充灌率小于2 0 或大 于8 0 时，工质不能产生有效的振荡效果。 汪双风等【1 8 】经过实验发现，在他们的实验条件下，当充灌率不够大时，容易出现烧 干现象，当充灌率比达到7 0 、8 0 时，管内流体质量相对增加，因而在同样的加热功 率下，管内流体的平均速度相对充液率为5 0 、6 0 的情况下较低，平均温度、压力也 较低。令外，脉动热管的传热性能与充液率、蒸发端和冷凝端长度有密切的关系，当充 灌率比较低时，等长度分配效果最好，并且有最大的极限热输送能力和最小的热阻；当 充灌率较高时，不等长度分配比较好，其中以加热段长度大于冷却端长度的分配最好； 在充灌率较高时，热管各种长度比的极限热输送能力大小不同。尹大燕等f 1 9 】经过实验研 究发现脉动热管存在一个最佳的充灌率，在他们的实验条件下，充灌率在4 5 附近运行 状况最佳。 1 5 6 脉动热管的倾角 脉动热管倾角对脉动热管的运行有显著的影响。从c h a r o e n s a w a n 等【1 5 】和赵蔚琳等【2 0 】 的实验可以看出，脉动热管在竖直放置底部加热的模式下运行最好，6 0 。 - 9 0 。为较理 脉动热管传热性能的实验研究 想的倾角范围。马永锡等2 1 1 得出了相似的结论。杨蔚源等【9 1 认为，脉动热管在竖直放置 底部加热的模式下运行最好，而在竖直放置顶部加热模式和水平放置时不能很好的运 行，这主要是因为竖直放置底部加热时，重力可使液体沿壁面向下回流，避免烧干现象 的发生，此外重力对压力波动也有很大帮助。m i y a z a k i 等【2 2 】的可视化研究表明，水平加 热下只能观察到工质的振荡，没有发生单向循环。曹小林等【2 3 】通过实验发现，在固定充 液率和弯折数的条件下，同一功率，热阻随着倾斜角度的增大而减小，但减小的趋势逐 渐变缓。这和重力在液体流动方向的分力随着倾斜角度的变化趋势相同。这同时说明了 重力对脉动热管存在着明显的影响。 1 5 6 脉动热管的加热方式 脉动热管加热方式对脉动热管的运行也有着明显的影响。由于脉动热管内工质是在 压差和重力的作用下进行振荡和循环，管内各处工质的压力越不均衡，越有利于工质的 振荡流动。因此出现了对脉动热管的加热端采用非均匀加热的实验方式，张明显等【2 】通 过实验研究发现，在低加热功率，非均匀加热条件下，蒸发端某监测点的温度的平均值 大于均匀加热条件下的平均值；而在高的加热功率下，结果则完全相反，非均匀加热条 件下，这个监测点的温度，其平均值要小于均匀加热下的平均值。这主要是因为在低加 热功率时，相同的加热功率下，非均匀加热方式的加热端单位面积上所承受的热负荷要 大于均匀加热下的热负荷，而脉动热管在低加热功率下不能很好的工作，引起热量在加 热端的集聚而不能有效散出，所以这时非均匀加热方式下的加热端温度比较高。而在较 高的加热功率下，脉动热管已经正常工作，非均匀加热方式下增加了管内工质压力的不 均匀度，促使工质的振荡比均匀加热方式要剧烈的多，更能有效的把热量从加热端迅速 带到冷凝端并释放到外界，从而使加热端壁面温度保持在较低的水平。 第2 章脉动热管的研究进展 第2 章脉动热管的研究进展 2 1 脉动热管的实验研究进展 尽管脉动热管是一种新兴的传热工具，但其发展可以追溯到上世纪的五十年代。在 这期间，国内外的许多专家学者对脉动热管进行了广泛而又细致的实验。直到上世纪九 十年代，日本科学家a k a c h i 才制作出第一个真正的脉动热管。 1 9 5 8 年，m i l l e rj s t 2 4 】提出的喝水鸭子作为当时流型的一种玩具，是现代脉动热管 进化链中的一个重要象征。它是一种典型的闭式被动两相系统，通过蒸发传热形成“永 动机”，这也是脉动热管发展的重要一步。 1 9 7 5 年，s m y m o y _ 2 5 j 提出一个专利，该专利可以看做现代脉动热管的类似装置。如 图2 1 所示，该装置包含两个容器( 蒸发端e 和冷凝端c ) 和一个连接管( 绝热段t ) 。 第一阶段时，蒸发端顶部和连接管内全部充满工质，而冷凝端内充注部分工质，其余空 第一阶段第二阶段第三阶段 图2 1s m y m o y 设计的专利 f i 9 2 1p a t e n td e s i g nb ys m y m o y 间为不凝性气体。在第二阶段，加热蒸发端，内部的工质膨涨，将工质推向冷凝端，继 续加热后，蒸发器内产生蒸汽，推动液相工质继续向冷凝器移动，同时蒸汽在连接管的 脉动热管传热性能的实验研究 内壁面冷凝，降低局部压力。第三阶段，继续向冷凝端推进的液态工质使得冷凝端内部 各处压力瞬时升高，从而反向推动液体向蒸发端流动。使循环得以保持下去。 1 9 9 0 年，a k a c h ih 【2 6 】首次提出了脉动热管的概念，1 9 9 3 年，他对这种自激式热驱 动两相脉动流进行了工程应用研究，设计提出了二十四种不同结构的循环型热管。所有 这些结构都具有至少一个与管道整合在一起的单向止回阀，以增强流动的方向性。这些 热管克服了传统热管的一些不足。在输入功率为3 1 0 w 9 2 0 w 的范围内，对采用水和 r 1 1 两种不同工质的热管进行实验。结果表明：对于充水型热管来说，总热阻值范围为 0 0 8 2 - - 一0 2 3 3 k w ；对于充r 1l 的热管，总热阻值范围为0 0 7 7 0 1 8 9k w ，这说明充 有r 1 1 工质的脉动热管在各种功率范围下性能比充水的要好。它同时也表明了那些不适 合于传统热管的工质可能适合于新的循环型脉动热管中，并有可能获得相当的或者更好 的性能。 1 9 9 5 年，m a e z a w as 等人【2 7 1 研究了内径1 0 m m ，长2 4 m ，管材为铜管，管内充灌 有工质r 1 4 2 b 的具有2 0 个u 型弯的 o l p h p 的性能。实验记录了性能随充灌 率和管子倾斜角的变化而改变的情况，以 及绝热壁面处的温度波动情况。 1 9 9 6 年，a k a c h ih 2 8 】开发了无阀 脉动热管结构，以满足长期运行可靠性需 要和毛细管断面小型化要求，提出了无阀 o l p h p 和带阀c l p h p 两种结构，并对管 材为金属内径0 7 m m ，外径1 0 m m ，充灌 有工质r 1 4 2 b 的无阀脉动热管进行了实 验。在顶部和底部加热模式下，输入功率 为5 一- - 9 0 w 范围时，获得的实验结果是： 总热阻范围为0 6 4 1 1 6 k w 。 图2 2k e n z a n 翅片 f i g 2 2k e n z a n f i n s 第2 章脉动热管的研究进展 1 9 9 6 年，k a w a r a 等人【2 9 】利用了质子放射线照相技术对o l p h p 进行了可视化研究。 该o l p h p 由放置在1 9 0 5 0 1 3 衄3 基板上，尺寸为0 6 x 0 7 m 2 的矩形通道构成。实 验时采用了2 0 0 m m 质子束通过测试部位，由) ( _ 光照片记录实验结果。 1 9 9 6 年- - 1 9 9 7 年，日本的t s - h e a t r o n i c s 公司【3 0 】提出了两种新的p h p 结构，即热 通道( h e a tl a n e ) 和k e n z a n 翅片( k e n z a nf i n s ) 两种。并对下列管材和充灌工质进 行了实验，s s 和液氨，铝和r 1 4 2 b ，铜与水、甲醇、r l l 3 和r 1 4 2 b 。在对充灌工质为r 1 4 2 b ， 由内径0 7 m m 、外径1 o t m 的铜管组成的具有1 5 2 个弯，并且在底部焊接有铜加热垫片 的k e n z a n 翅片( 外形尺寸为3 0 6 0x6 5 m 3 ) 进行了实验，冷却端采用空冷，冷却空气 的流速为3 m s ，实验获得总热阻值约为0 3 k w 。k e n z a n 翅片( 如图2 2 ) 已被应用在冷 却m c m s 和i g b t s 3 1 】中。 1 9 9 7 年，m a e z a w as 等人1 3 2 】对另外一组内径为1 o m m 、外径2 o m m 的铜管组成，具 有4 0 个弯，总管长为5 2 5 m 的o l p h p 进行了实验，采用了r 1 4 2 b 和水作为工质，其充 灌率为5 0 ，直径和工质对脉动热管热阻的影响。实验结果表明，底部加热模式下的系 统性能较水平操作下的性能更好，顶部加热模式下的系统性能最差。 1 9 9 9 年，h o s o d am 等人【3 3 】采用了内径为2 4 m m 、外径4 0 m m 的玻璃管制成有1 0 个 弯的c l p h p ，实验工质为水，并且加入少量的黑墨水以增强可视性。蒸发端和冷凝端分 别置于由丙烯酸树脂制成的恒温热水浴( 温度变化范围为5 5 - - 7 0 ) 和恒温冷水浴( 温 度恒定为3 0 ) ，结果表明：装置的热传导性能比等量的铜结构大的多。 1 9 9 9 年，k e i y og i 等【删对环路和非环路脉动热管进行了较为系统的可视化实验研 究，采用8 m m 的摄像机记录流型。可视化实验结果可总结为：1 ) 当充液率为3 0 - - 。5 0 时，液柱和汽塞分布较为均匀，流型没有太大的区别。当充液率为7 0 时，液柱和汽 塞分布是不均匀的；2 ) 当运行温度( 绝热段) 较高时，液柱和汽塞相对较短，且从蒸 发端到冷凝端分布较为均匀，流动速度较快；3 ) 平均流动速度随充液率的增加先是增 加，当充液率为5 0 6 0 时达到最大值，充液率超过6 0 后，平均流动速度随充液 率增加而降低；4 ) 平均流动速度随倾角的增加而增加。 1 9 9 9 年，l e e 3 5 】用铜板开槽，聚丙烯板密封的办法进行了可视化实验，采用每秒4 0 0 帧的高速摄像机配合频闪仪进行观测和记录。工质为乙醇，槽尺寸为1 5 1 5 m 2 ，充 脉动热管传热性能的实验研究 液率为2 0 8 0 ，倾角为3 0 。9 0 。，作者观察了管内流型，汽泡的生成和运动， 研究了充液率和倾角对流型和振荡的影响。观察结果表明：蒸发端典型流型是核态沸腾 和汽泡振动。大多数活跃的振动发生在4 0 6 0 充液率和9 0 。倾角；未观测到工质 的循环流动，返回到蒸发端的冷凝液是沿着壁面的分层流或溪流，而不是毛细塞状流。 这可能是矩形槽型脉动热管与圆管型脉动热管的最大的区别。 2 0 0 5 年，x u 掣3 6 】对玻璃管闭合环路脉动热管进行了高速可视化实验。脉动热管高 2 0 0 姗，宽9 0 m m ，通道弯数4 ，内径2 m m ，垂直放置，底部电加热和定温风冷，工质采用 甲醇和水，充液率为7 0 。采用h g - i o o k 记录流态，采集速度可达每秒1 0 0 0 0 帧。实验 结果表明：1 ) 脉动热管运行中存在两种基本流态，整体循环和局部振荡；2 ) 汽泡的移 动速度变化呈现正弦波变化特征，汽泡在平衡位置的局部振荡明显，频率高，振幅小； 3 ) 按汽泡大小分，存在三种流型：离散汽泡、汽塞和长汽塞。离散汽泡的直径远小于 脉动热管管道内径，由于蒸发端连续的核态沸腾而产生，汽塞的直径接近于管道内径， 但长度大于管道内径，是工质气化的主要存在形态，长汽塞的长度可以和脉动热管的高 度相比，不稳定，容易分裂；4 ) 汽泡的大小分布在各个管路中是不均匀的，但在不同 时刻整体上是相近的；5 ) 汽泡的生成、汇合、冷凝、破裂等复杂的综合效应是工质振 荡的原因。 2 0 0 1 年，t o n gb y 等人【7 】在由派来克斯耐热玻璃( p y r e xg l a s s ) 制成的内径为 1 8 m ，有1 0 个弯的c l p h p 上采用电荷藕合器( c c d ) 进行可视化研究。蒸发器和冷凝 器的间距为4 0 0 m m 。工质充灌率为6 0 ，加热功率为5 0 w ，采用加热器在下部的垂直放 置方式。结果显示：蒸发端内的汽液塞不平衡分布和非同时沸腾有助于形成流体循环和 脉动的驱动力回复力。整个操作中可观察到毛细管的块状流和比管径小的气泡。这些结 果表明要开始自维持脉动，需要有一个最小的热通量。 2 0 0 1 年，中国的杨蔚源等人对内径3 m m 、外径5 m m 的玻璃c l p h p 进行了可视化实验 研究，装置如图2 3 。文中从蒸发端与冷凝端相对位置、温差、蒸发端冷却端长度比、 管材表面状况、充灌率及不凝性气体等方面对脉动热管的稳定性进行了实验分析。得出 的主要结论为：第一，脉动热管运行受蒸发端和冷却端相对位置影响很大，与底部加热 相比，水平加热和顶部加热方式运行的连续性、稳定性差；第二，温差越大，工质运动 第2 章脉动热管的研究进展 越剧烈，运行稳定性也越好。底部加热情况下，单向和脉动是大多数充灌率下脉动热管 稳定运行时工质运动的显著特征。第三，风冷实验中，加热端长8 0 r a m 、5 0 充灌率的脉 动热管在5 0 就不稳定，而加热端长5 0 r a m 时却可以较稳定的工作到4 5 ，说明相同充 灌率下，不同加热端长度对稳定工作温度有影响。第四，与光滑玻璃管相比，加热端添 加了表面粗糙，与水浸润性较差的辅助材料后的玻璃热管，运行的持续性、稳定性有明 显的增强。第五，充灌率的影响是与加热及冷却条件相关的，加热及冷却条件不同，充 灌率对换热的影响不同，冷却条件差时，传热性能对充灌率的变化更为敏感。第六，不 凝性气体使气柱的可压缩性减小，影响脉动热管的运行，并将减慢蒸发和冷凝的速度。 l 冷水箱2 脉动热管3 9 水箱4 测温系统 图2 3 脉动热管实验装置 f i g 2 3e x p e n n c n td e v i c eo fp h p 2 0 0 2 年，曲伟和马同泽等【1 2 7 】对铜管和玻璃管，其内径为1 8 m i 、外径为2 ( h i m 交 替布置成的具有8 个弯的半可视化c l p h p 进行了实验研究。实验研究了增加输入热功率 和倾斜角对流体流态和装置热性能的影响。并且得到了以下的结论：对于环路型脉动热 管，当加热功率比较小时，管内工质的流型是单向脉动流动。随着蒸发器加热功率的增 大，热阻减小。加热器的位置对于流动和换热的影响不大。6 0 度倾角时脉动热管的热阻 达到最小，不凝性气体的含量会显著影响蒸发端和冷凝端的运行温度和热阻大小。 脉动热管传热性能的实验研究 2 0 0 2 年，m a n f r e dg r o l l 和s a m e e rk h a n d e k a r 等f 3 8 】从设计参数、操作特性、流动 特性、显热与潜热传输、脉动热管的临界管径几个方面对前期的实验结果进行了总结。 2 0 0 3 年，日本的o s a m us u z u k i 3 9 】对采用水做工质的微型管轴向热传输的脉动热管 进行了研究。该微型管采用的材料为不锈钢3 0 4 ，管内径0 3 、0 5 、0 8 m m ，脉动频率 范围在0 3 3h z 1 8 5 h z 。在有效热传导范围内，实验结果与分析模型结果类似，但实 验结果比模型预测结果大六倍。此外，低频率时测量和预测结果差别更大，这说明：在 脉动流动的轴向热传输中，流体和壁面的相互作用导致的热传输比预计的更大。 2 0 0 3 年，s a m e e rk 【加】对内径为2 m m 的铜毛细管组成的c l p h p 进行了实验研究。实 验中分别用了三种工质，分别是水、乙醇和r 1 2 3 ，装置放置方向为底部加热放置和水平 放置两种。并且得到了下列结论：第一，依据所选工质，充灌率为2 5 6 5 时，装置 能观察到脉动现象，高于此范围，整个自由度和气泡泵作用不充分，不能形成良好的性 能。低于此范围，蒸发端出现部分烧干现象。第二，在某种操作条件下，1 0 0 充灌率 的脉动热管( 非脉动模式作用，而是单相浮力诱导的热虹吸作用) 热传输性能比充灌大 部分工质的脉动热传输性能更好。第三，对于所测的三种工质，水平操作模式下均不能 产生脉动现象。原因可能是脉动热管的弯数太少或测试条件下的操作压力过低。第四， 虽然水和乙醇的e o t v o s 数要远低于计算的最大值4 ，重力对性能的影响显而易见。类似 的，虽然r 1 2 3 的e o t v o s 数要高于给定操作温度范围的计算值，在垂直模式下，脉动热 管工作仍然十分有效。这表明，当表面张力趋于减小，块状流趋势消失时，由于气泡的 泵作用，一定量流体的传输仍然可能，因此导致了热传输的继续。 2 0 0 3 年，c h a r o e n s a w a n 等人【1 5 】报告了采用三种工质，分别是水、乙醇和r 1 2 3 ，两 种内径1 o m m 和2 o m m 的铜制c l p h p 的实验性能。实验时，充灌率保持5 0 ，将蒸发端 和冷凝端分别维持在固定温度8 0 和2 0 。实验研究了管内径、倾斜角( 从垂直底部 加热模式到水平模式) 和管弯数对装置性能的影响。同时，也对可视的玻璃管装置进行 了实验。结果表明倾斜角、管弯数及工质对装置性能有影响。通过临界管弯数可明显区 分倾斜角对性能的影响。当管弯数大于临界管弯数时，c l p h p 在垂直和水平两种放置模 式下都能满意操作，并随着水平倾角的增大，性能升高，但在倾角为6 0 度到垂直放置 第2 章脉动热管的研究进展 位置，热性能基本能维持常数；当管弯数小于临界管弯数时，正常的最高热性能发生在 垂直底部加热模式下，并随着装置向水平方向倾斜，装置热性能下降。 2 0 0 4 年，南非的r o b e r tt d 【4 l j 对内径为3 3 4 m m 铜管组成的o l p h p 进行了理论和 实验模型的研究。建立了包括重力、表面张力、摩擦力和压力在内的理论模型，该模型 采用了蒸汽泡、液塞和液膜的三个控制容积。同时还采用水作为工质进行实验，实验结 果表明：当热源位于热沉的上部时，热源长度小于3 0 m 且其温度不超过1 6 0 的情况下 装置才可能出现脉动现象。通过计算l y p u n o v 幂指数表明理论模型能反映了装置的混乱 特性行为并与实验结果吻合的较好。 2 0 0 4 年，国内的曹小林等人【4 2 】以硬铝板为材质制作了通道断面为正方形的等截面 c l p h p ，并对该装置进行了实验。结果表明在充灌率不低于3 0 、倾斜角不小于3 0 和 较大的热流密度下，工质在热管内的脉动流动是间歇和不稳定的，方向也是随机的，蒸 发端容易出现烧干现象，从而导致传热热阻增大和传热极限降低。为了改善蒸发端的供 液状况，作者通过对管内传热机理分析，对脉动热管的断面结构进行了改造，将等截面 正方形通道改为大小相间的矩形通道，并对改造后的装置进行了实验。结果表明改进后 的结构能达到合理匹配流动阻力，使工质在通道内形成稳定单相流动的目的。并通过对 照实验发现，相同条件下，改进后的p h p 传热效果优于改进前的，且改进的p h p 存在传 热极限和最佳充灌率、最佳倾斜角等。同年，曹小林等人1 1 3 】对三角形通道的脉动热管进 行了可视化研究，结果表明：当热流密度较小时，三角形通道的p h p 要优于正方形通道 的p h p ；当热流密度较大时，通道形状对热阻和单位截面传热极限影响不大，其大小对 p h p 性能的影响很小。 2 0 0 7 年，曲伟等人【4 3 】利用图2 4 中的实验装置进行了脉动热管的实验。发现如果 毛细管的壁面很光滑，粗糙尺度小于0 5 微米，则脉动热管的加热端需要很大的热流密 度来激活核化点使之产生气泡。随着内壁面核化半径的增加，内壁面变得逐渐粗糙，在 核化尺寸达到2 0 微米之前所需的启动热流将大幅度下降。随后，核化尺度再增加，产 生新气泡所需的热流密度增加幅度不大，即使粗糙尺度增加很多。从摩擦阻力的观点来 看，壁面粗糙度越小越好。但从产生新气泡的观点来看，对于每种工质，都存在壁面粗 糙度极限。对于环绕长泰勒气泡的液膜和不同的厚度，只有当毛细管内壁的核化点尺度 脉动热管传热性能的实验研究 汽塞毛细管液塞 蒸发端绝热段冷凝端 图2 4 曲伟等人的脉动热管实验简图 f i 9 2 4s i m p l ep h pe x p e r i m e n tp i c t u r eo fq uw e d 较小时，液膜厚度才会施加较大 的影响。他们总结出：第一，毛 细管的壁面粗糙度决定了产生气 泡所需要的过热度。根据他们的 实验条件下，壁面的粗糙半径应 大于2 0 r a m ，才容易产生气泡； 第二，球形小气泡比较的的长气 泡更容易使壁面产生新的蒸汽泡 并使脉动热管更容易运行；第三， 脉动热管可以通过对加热端内壁面粗糙度的设计、尺度和工质的匹配等方式来优化设 计。、 2 0 0 7 年杨洪海】等人设计了单回路闭式脉动热管实验装置，并对其内部流型及运 行性能进行了实验研究。结果表明，单回路系统的有效工作区域是在2 0 - - 8 0 充液率 之间。输入热量较低时，管内基本为柱状流，流体只能在局部范围内作小幅度振荡，热 力性能较差。随着热流密度的增加，流体振荡幅度增加，管内流型从柱状流逐渐转化为 环状流，热力性能得到改善。在较高热负荷下，流体还可以在整个回路内作单向循环流 动。另外，单回路闭式脉动热管不同