环路脉动热管稳定运行的数值分析

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1、第一章绪论作为一种高效散热、降低工作热源表面温度的重要元件，热管无疑拥有广泛的研究和应用前景。传统的热管利用液体的相变传热和多孔介质的回流作用来实现热量的传输，因为其具有导热性好、结构简单和工作可靠等优点在各领域得到广泛的应用。传统热管诞生于十九世纪六十年代，从那以后，为得到最优的设计[5]尺寸、最优的流体特性和吸热芯的结构，学者们进行了广泛的研究。最近一种新型热管——脉动热管，逐渐引起了学者们的关注。脉动热管最早由日本学者[6]Akachi在1990年提出，其有别与传统热管的特性使它有望解决小空间高热流密度散热的问题。相比于传统的热管，它的突出特点是管道直径处于毛细尺寸，不含有吸热芯，

2、完全依靠自身发生相变产生的动力脉动，在加热段和冷凝段之间传递热量。1.1.2脉动热管的基本原理图1-1脉动热管工作原理示意图图1-1所示是一个含有7个弯道的环路式脉动热管，管的内径要求在毛细尺度范围内，形状可以是圆形、矩形、三角形，也可以在金属板中铣出任意的形状[7、8]。将管抽成真空以后，由于流体工质表面张力的作用，充入管内的流体会自发形成气、液塞相间的状态，并且在气塞与管壁之间形成一层薄薄的液膜。工作区间分为加热段、冷凝段和绝热段，其中绝热段可以省略。脉动热管在工作时，加热段输入一个恒定的热流密度，位于加热段气塞周围的液膜和液塞受热发生相变。一方面气、液塞的温度升高体积膨胀，产生的气

3、泡由于自身的浮力作用上升到顶部；另一方面由于气塞能量的不断积累，压力增大，进而推动相邻的液塞运动。当工质移动到冷凝段时，流体与温度较低的管道内壁同时发生对流换热和凝2第一章绪论结换热，液塞或者液膜的质量增加，气塞减小或消失。液塞通过弯道时会在重力、表面张力、相邻两个气塞压差以及流动阻力的共同作用下流动，不同管内的压力[9]波动相互影响，可能会形成二次、三次影响。当加热段的输入功率保持不变时，热管内部气、液塞会在一段时间后达到一个动态的平衡，管内形成稳定的单相循环流动。脉动热管具有多种形式。非环路式动热管两端通常被烧结闭合，如图1-2（a）所示，环路式脉动热管的管道两端连通构成一个闭合环路

4、，如图1-2（b）所示。环路式脉动热管运行过程中，管内的工质不仅可以形成脉动流，还可以在整个环路内形成单向循环流，加快工质的流速，使显热部分传热加强。因此环路式脉动[10、11]热管通常被认为有着更好的传热性能，大多数的实验和理论研究都是以环路式脉动热管为对象。非环路式环路式含单向阀图1-2不同形式的脉动热管在环路式脉动热管的环路中增加一个单向阀可以控制工质的流动方向，能增强其整体的传热性能，如图1-2（c）所示，但是这些单向阀的成本和安装难度降低了其应用范围，单纯的环路式脉动热管依然是研究的热门方向。1.1.3脉动热管的特点独特的结构和传热机理，使得脉动热管具有以下三个方面的优点：①体

5、积小、结构简单、成本低：脉动热管的管径通常小于3mm，管径细说明整体的体积小，整个系统只有管壁和内部的充入流体工质构成，不含有传统热3第一章绪论管必需的吸液芯，在运行过程当中，不需要额外的动力设备，运行和维护成本优势很大。②传热系数高：脉动热管内工质的宏观流动是热驱动力和毛细驱动力的共同作用的结果，其热量传递的方式包括相变传热和强制对流，即同时存在显热和潜[12]热，因此可以获得很高的传热系数。有实验指出，充液后的铜质脉动热管的导热能力大约是相同直径和管长下铜管导热能力的500倍。脉动热管还具有一定的[13]自我调节机制，在管内的液膜部分蒸干后的一段时间内，脉动热管可以自我修复到原来的水

6、平，重新进入原来相对稳定的状态。③适应性能好：脉动热管可以被做成含有任意个弯道、多个加热段或冷凝段，环路或非环路的形式。大多数情况脉动热管可以在不同的倾斜角度下运行，某些条件下甚至可以在顶加热运行，因而能适应一般电子产品的散热要求，有望得到工业广泛的应用。1.1.4脉动热管的应用目前脉动热管商业化的产品还比较少，仅仅在微电子冷却、余热的回收、干燥以及太阳能集热、制冷空调等领域有小规模的应用。图1-3翅片式脉动热管散热器图1-4耦合式脉动热管换热器目前已经生产应用的脉动热管散热器包含翅片式脉动热管和平板式脉动热管。图1-3所示是一种用于电子冷却的平板式脉动热管散热器，它由日本的[14]TS

7、-Heatronics公司开发，脉动热管的一部分被埋在热源或散热片中，作为脉动热管的加热段，其余部分作为冷凝段，与空气进行对流换热。4第一章绪论图1-5回路脉动热管空气预热器图1-6板式太阳能收集器[15]在余热回收方面，商福民等设计了一款耦合式脉动热管余热换热器（图1-4），和传统的余热回收散热器相比，这种新式换热器结构简单、所占体积小、[16]成本低，并且换热效果更好；Rittidech等将脉动热管应用在空气预热器（图1-5）中