不同加热方式下脉动热管启动和运行特性研究

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1、第一章绪论图1-1传统热管的结构和工作原理但是传统热管具有气液流动不能分开的固有限制，最近20年中，毛细热[4-6]管和环路热管作为新型的热管开始被广泛的研究。在20世纪90年代，Akachi最早提出了脉动热管，这种热管内部没有毛细芯，是一种可以任意弯曲的新型热管。脉动热管是传统热管的改进形式，制作成本低，体积小，有很多种加热方式是该装置的优点。脉动热管被认为是用来解决微小空间传热问题的一种很有前途的传热元件，已经成功在电子设备冷却、空调、航空航天等领域得到应用。1.2脉动热管的原理与特点介绍1.2.1脉动热管的工作原理及分类脉动热管是通过毛细管弯曲制成，毛细管需要满足一定条件。首先对毛细管

2、抽真空，然后在管内充入一定量的工质。当管径足够小时，液态工质会在表面张力的作用下，在管内形成气塞、液塞交替分布形式。图1-2所示为脉动热管基本原理图。脉动热管上下两端分别为蒸发段和冷却段，中间部分是绝热段。在蒸发段输入热量后，管内工质因为受热导致液相开始蒸发。随着蒸发段温度逐渐升高，气塞的压力也开始增大。当蒸发段的气塞压力和体积增大至一定范围后，气塞开始推动相邻的液塞向冷却段运动，在这个过程中还会出现气塞合并与液塞分裂的现象。工质运动到冷却段后，由于向外界散热，导致气态工质相变凝结，从而使冷凝段压力降低。管路间的压力不平衡使得冷却段工质又回流到蒸发段，加热段的工作流体得到补充。脉动热管内的连

3、续脉动，使得管内不会出现干涸现象。压差是脉动热管内部工质脉动的最主要原因。2第一章绪论图1-2脉动热管的基本原理脉动热管按照管路的结构可以分为开放环路脉动热管、闭合环路脉动热管以及带单向阀闭合环路脉动热管三种基本形式。学者们在脉动热管研究初期，主要考察了开放环路脉动热管的换热特性。可是由于在闭合回路中工质可以循环流动，因此闭式脉动热管传热性能会优于开放环路型脉动热管。带单向阀回路闭合环路脉动热管可以控制工质在管内单向流动，可是这种形式结构复杂，加工技术要求较高，增大了这种形式的实际工程应用难度。如图1-3所示，热管弯曲成管件平行的环路，图（a）为闭合环路脉动热管、图（b）为开放环路脉动热管、

4、图（c）为带单向阀闭合环路脉动热管。同时还可以根据管路形状不同将脉动热管分为板式脉动热管和管式脉动热管，如图1-4所示，板式脉动热管是在板材上铣出槽道形式之后密封而成的。3第一章绪论图1-3脉动热管的结构分类图1-4脉动热管的形状分类1.2.2脉动热管的特点脉动热管是传统热管的改进形式，但脉动热管具有独有的特点，其内部存在工质相变，气液两相流动，运行机理复杂，有多种因素影响脉动热管的传热性能。脉动热管性能影响因素的关系如图1-5所示。脉动热管较之传统热管的特点和优点为：（1）尺寸小、结构简单、制作成本低廉。由于管径较小，导致脉动热管整体尺寸小；脉动热管中不含有吸液芯，使得结构简单，减少了制作

5、成本；工质脉动源于热管本身，因此无需其它动力装置。（2）传热性能好，高热流密度下可以稳定运行。（3）热设计适应性好。可以任意选择脉动热管的形状，并且弯头数目没有4第一章绪论要求，同时加热段和冷却段的位置也可以任意布置。脉动热管的适应性强体现在它可以工作在任意倾斜角度和加热方式下。图1-5脉动热管性能影响因素关系图1.3脉动热管的研究现状脉动热管是20世纪首先由日本学者Akachi在传统热管的基础上提出的，它是一种新型传热装置。由于脉动热管特有的优势，该装置引起了各国学者的注意，对于脉动热管的研究逐年增多。当前脉动热管的研究主要有三个方面：一是脉动热管实验研究，学者们以构建实验台的方式进行脉动

6、热管传热性能、启动性能研究，通过可视化实验观测管内流型的变化。实验过程中，主要通过改变管径、工质、充液率等影响脉动热管性能的因素对脉动热管进行研究；二是通过建立数值模型对脉动热管进行研究。脉动热管内部运行机理较为复杂，目前没有完全适合的数值模型，学者们通过简化模型对脉动热管进行研究分析，从而指导脉动热管的设计和研究；三是脉动热管的应用研究，将脉动热管应用在实际传热问题中，更好的解决实际使用过程中出现的问题。1.3.1实验研究现状脉动热管运行机理非常复杂，学者们希望能够观察管内流型的变化，通过研究脉动热管内部运行情况来进行理论分析，从而完善脉动热管的研究。5第一章绪论[8]Kawara等人利用

7、质子放射线照相技术对闭式脉动热管进行了可视化实验研究。实验采用190mm×50mm×1.3mm板材，流道尺寸为0.6mm×0.7mm，高速摄像机能搞捕捉到直径小于0.6mm的气泡，每秒钟能够记录1000帧数据。[9]Hosoda等人采用玻璃管制成的闭式脉动热管进行可视化研究，玻璃管外径4.0mm、内径2.4mm，实验装置具有10个弯头。工质为水，蒸发段和冷凝段采用恒温水浴加热和冷却。实验结果发现，这种热管热传