脈動熱管傳熱能力增加的方法文獻綜述

1、脈動熱管傳熱水平增強的方法一、脈動熱管的原理脈動熱管是20世紀90年代出現(xiàn)的一種新型熱管,由日本的Akachi1,2最早提出.其基本工作原理是：將管內(nèi)抽成真空后充注局部工作介質(zhì),由于管徑足夠小,管內(nèi)將形成氣泡柱和液體柱間隔布置并呈隨機分布的狀態(tài).在蒸發(fā)端,工質(zhì)吸熱產(chǎn)生氣泡,迅速膨脹和升壓,推開工質(zhì)流向低溫冷凝端.那里,氣泡冷卻收縮并破裂,壓力下降.這樣,由于兩端間存在壓差以及相鄰管子之間存在的壓力不平衡,使得工質(zhì)在蒸發(fā)端和冷凝端之間振蕩流動,從而實現(xiàn)熱量的傳遞.在整個過程中,無需消耗外部機械功和電功,完全是在熱驅(qū)動下的自我震蕩,傳熱原理圖如圖1.由此可見,脈動熱管傳熱主要依靠管內(nèi)工質(zhì)的氣液振蕩

2、來傳遞相變潛熱和顯熱,傳熱量較大而且傳熱速度較快,在此過程中還有膨脹功等作用.由于其主要利用工質(zhì)相變和脈動傳熱,有一定的隨機和自適應機制,當熱流密度很大,氣泡膨脹很快,從而使液體總能及時的回流到加熱段,在一定范圍內(nèi)可以自我調(diào)節(jié).所以有些研究發(fā)現(xiàn)脈動熱管具有一定的自我修復等功能,傳熱惡化后可以在適當?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)并回歸到穩(wěn)定運行狀態(tài).冷卻段-熱熱段r-加熱段圖1傳熱原理示意圖小管徑和冷熱端反復的折彎是形成振蕩熱管的兩個根本條件.此外還具有如下根本特點：不需要吸液芯；可以有多個加熱段和冷卻段,絕熱段可有可無；無需外加動力,自激振蕩；外表張力占主導地位,但重力也影響傳熱性能；自激振蕩的工作流體同時傳遞

3、潛熱和顯熱；尤為可貴的是,對其結(jié)構(gòu)和設計參數(shù)進行優(yōu)化后,其運行性能根本不受重力作用的影響,因此能在重力場倒置、微重力場及重力場變化等環(huán)境下運行.二、脈動熱管的結(jié)構(gòu)形式H.Akachi在其1990年的專利1中,首次羅列了24種不同形式的回路熱管.它們在結(jié)構(gòu)上均為封閉回路,且至少有一個流向限制閥,保證流體在回路中沿單向流動.這些新型回路熱管能克服常規(guī)熱管的缺點,諸如毛細極限和輸送極限等.由于流向限制閥存在長期運行不可靠的問題,Akachi在1993年的專利2中提出了無流向限制閥的新型回路熱管,并且提出了開式回路和閉式回路兩種結(jié)構(gòu).總之,脈動熱管的結(jié)構(gòu)形式可以很靈活,但是根本結(jié)構(gòu)是不變的,如圖2.圖

4、中第四種是板式脈動熱管,制造過程是在上下蓋板加工出槽道,然后組裝在一起,密封起來,就形成熱管的管道.圖2脈動熱管的根本結(jié)構(gòu)與普通的熱管相比,脈動熱管的結(jié)構(gòu)和傳熱形式有著自身的特點,見表1.表1脈動熱管和普通熱管的比擬內(nèi)鈴熱顯傳遞形式吸液芯普通熱管一般大于加甘n潛熱它細尺度顯熱、潛熱,膨脹功無由于脈動熱管的結(jié)構(gòu)和傳熱機理,與普通熱管相比,脈動熱管具有如下優(yōu)點.(1)優(yōu)越的傳熱性能：脈動熱管傳熱形式有顯然、潛熱和膨脹功,傳熱水平強.振蕩熱管沒有普通熱管所特有的傳熱限制在適宜的充液率下,熱流密度可以很大而不會燒干.Nishio等3的實驗結(jié)果說明：充有50%的R142b、內(nèi)徑為0.5mm的玻璃管式振蕩

5、熱管,在豎工作時傳輸?shù)臒崃髅芏瓤蛇_1000W/cm2,顯著高于普通吸液芯熱管(50W/cm2).(2)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、本錢低：脈動熱管由毛細管組成,管徑只需滿足一定的毛細尺度,管徑小從而決定了整體尺寸??；脈動熱管不需要吸液芯,使得其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)容易從而減少了生產(chǎn)本錢；而且脈動熱管的動力來自于其本身,無需外部動力設備,沒有運動部件,從而降低了運行和維護本錢.(3)結(jié)構(gòu)靈活、適應性強：脈動熱管的各段可以任意的彎曲,管路加工形式多樣化,參見圖3,形態(tài)結(jié)構(gòu)各異,即使在較大的熱流密度變化范圍下,脈動熱管也可以穩(wěn)定運行,并且可以有多個加熱段以及冷卻段,可以在多種角度下運行,這就進一步增加了脈動熱管的適應水

6、平,從而使應用領域得到了擴展.圖3脈動熱管的結(jié)構(gòu)形式(4)使用廣泛：由于其靈活緊湊的結(jié)構(gòu)形式,獨特的傳熱機理,脈動熱管開拓了熱管技術(shù)應用的范圍.在改善材料的性能、地板采暖4、空調(diào)排風預熱回收等領域得到了應用.、脈動熱管的研究現(xiàn)狀A.理論研究脈動熱管傳熱有著復雜的兩相流形式,在加上根據(jù)使用環(huán)境和要求不同,傳熱性能變化很大,很難建立一個準確的數(shù)學模型來準確的描述脈動熱管的相變傳熱.各國學者,特別是國外的學者對此作了很多工作,下面將介紹一些具有代表性的數(shù)學模型5.(1)彈性阻尼系統(tǒng)模擬.該方法用一個或多個彈性阻尼來模擬管內(nèi)流體的振蕩流動和壓力的波動.其核心思想是把加熱和冷卻過程看作是兩個外界擾動源,

7、并用拉格朗日方法來描述流體的運動特性,可預測氣液柱的長度,分析充灌率的影響等.其缺點是過于簡化蒸發(fā)和冷凝過程,只強調(diào)吸熱或放量的數(shù)量,而忽略了相變過程中出現(xiàn)的重要物理現(xiàn)象,如氣泡的生成、膨脹、合并、收縮及破裂等等.因此,該模型缺少物理意義,與實際結(jié)果相差太大.(2)應用經(jīng)典的三大守恒方程求解.通過選取限制單元,對其進行質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒的分析,建立其相應的微分方程組,最后用數(shù)值計算方法求解.在現(xiàn)有的這類模型中,考慮用一些經(jīng)驗公式去模擬蒸發(fā)過程和冷凝過程及氣液柱的動力特性等.從這個意義上講,其模型較前一種有所改良.但是,模型的復雜程度大大增加,并作了很多假設.另外,尚不能反映氣泡的合并

8、和破裂過程,流型及流態(tài)的轉(zhuǎn)換過程,振蕩流動的混沌性等.因此,離實際預測還有差距.(3)混沌理論.考慮到脈動熱管內(nèi)流體的流動和振蕩現(xiàn)象十分復雜,具有相當?shù)碾S機性和不可確定性,且影響因數(shù)眾多.因此有人試著用混沌理論去解釋.但是該理論是否適用尚有待進一步驗證.(4)人工神經(jīng)網(wǎng)絡預測.該方法模擬人腦的思考過程,通過對已有知識的反復學習和映射,去解決一些類似的未知問題.一個好的神經(jīng)模型非常容易使用,使用者只需提供輸入?yún)?shù),模型會自動預測結(jié)果,且結(jié)果準確.它特別適用于解決多參數(shù)影響的高度非線性問題.當然,對建模者來說,為了編制一個好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型,需事先收集大量的原始資料作為學習樣本,并經(jīng)過反復的練習

9、和調(diào)整過程.這通常意味著需要有大量的實驗數(shù)據(jù)作為前提條件.(5)實驗關聯(lián)式.建立在實驗根底上的經(jīng)驗或半經(jīng)驗的無量綱表達式或準那么關聯(lián)式等,通常是行之有效的方法.但應注意實驗條件及適用范圍.綜上所述,目前,國內(nèi)外對于脈動熱管的理論研究還處于在探索摸索階段.這些模型都只能夠反響出脈動熱管傳熱的某些方面的規(guī)律,尚不能很準確的模擬脈動熱管內(nèi)在的傳熱機理.脈動熱管傳熱的理論是窄通道內(nèi)氣液兩相的變化規(guī)律,而這一理論也是目前傳熱傳質(zhì)領域研究的難點和熱點.B.脈動熱管的實驗研究現(xiàn)狀脈動熱管自出現(xiàn)以來輩受各國學者的關注,很快成為了研究熱點.根據(jù)脈動熱管傳熱所受的影響因子,各國學者開始大量的實驗研究.脈動熱管雖然

10、結(jié)構(gòu)簡單,但是傳熱機理復雜,各種因子影響其傳熱性能和啟動運行情況.Khandekar6將影響脈動熱管傳熱特性的參數(shù)歸結(jié)為三類：幾何參數(shù)：包括管徑、管道界面形狀、彎頭數(shù)、總長、蒸發(fā)/冷凝段長度等；操作參數(shù)：包括放置位置、加熱/冷卻方式、是否帶有單向閥等；物理參數(shù)：包括工質(zhì)熱物性、充液率等.這些因子最終通過影響脈動熱管的傳熱量和熱阻來影響總體熱力性能.它們相互之間也有制約作用,關系如圖4.傳熱后充液率而體摩擦阻力相箔通道時的傳熱作用橫截間形狀及尺寸J-liJj被司總體熱力性能比熱容潛熱飽和HUJ流體粘,度表而張.接觸用流體熱物件參數(shù)圖4脈動熱管傳熱特性的影響因子筆者將分別從這三個方面幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)

11、參數(shù)、物理參數(shù)總結(jié)最近國內(nèi)外學者對于脈動熱管傳熱性能的實驗研究.一幾何參數(shù)彎頭數(shù)fWpnmI-r.1topPi1Wwn口2mmRi0WrnmI-c1nunDi-=O1W.n1,5hieDiwSOmmI1rmDia1tOnunI上.ImmDi05101520253«NumberoflumsCharoensawan7等在常規(guī)條件下,通過各種參數(shù)研究了水平放置式環(huán)路脈動熱管的傳熱特性,熱管的材料是銅.從所得的實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)水平放置式脈動熱管的啟動運行取決于蒸發(fā)溫度,而蒸發(fā)溫度又和彎頭數(shù)有關.兩者的關系見圖5.7»畫SO圖5彎頭數(shù)和啟動溫度的關系圖5發(fā)現(xiàn)了臨界彎頭數(shù)而且加深了我們對

12、彎頭數(shù)的理解.臨界彎頭數(shù)是脈動熱管作為傳熱設備運行時的最小彎頭數(shù),取決于蒸發(fā)器的溫度和熱管的內(nèi)徑.從圖上可以看出,當Te>70C,內(nèi)徑為2mm時,水平放置式脈動熱管只有在臨界彎頭數(shù)為11時才開始運行；而對于內(nèi)徑為1.5mm和1mm的脈動熱管來說,只有臨界彎頭數(shù)到達16時才能運行.所有的蒸發(fā)段長度都表現(xiàn)出了這種趨勢：蒸發(fā)溫度越低,臨界彎頭數(shù)越多.在Te=60C,內(nèi)徑為2mm時,水平放置式脈動熱管的臨界彎頭數(shù)增加到16,所以蒸發(fā)溫度越高,管子內(nèi)徑越大,臨界彎頭數(shù)就越低.2管徑大小管徑往往和彎頭數(shù),工質(zhì)類型一起綜合影響脈動熱管的傳熱性能.在特定的工質(zhì)下,熱管,脈動熱管管徑有著一個范圍.管徑須足

13、夠小I8,使得液塞和氣泡能夠在外表張力的作用下共存,最大內(nèi)直徑可由下式確定：dmax式中,i分別為液體工作介質(zhì)的外表張力和密度；g為重力加速度.常用工作介質(zhì)對應的最大管徑如下：水,d=5.54mm;丙酮,d=3.36mm;乙醇,d=3.25mm;R142b,d=2.04mm.如果管徑太小,那么克服毛細力的壓頭就要明顯升高,從而影響振蕩效果.通常管徑的取值范圍為：0.7igdi1.8ig(2)Charoensawan9等研究指出在蒸發(fā)器和冷凝器溫度差一定的情況下,適當增大管徑或者增加彎頭數(shù)都能改善傳熱性能.(3)管道界面形狀目前對于界面形狀的研究的文獻不多,我國的商福民10-12等在變截面方面做

14、了較多工作,取得了一些結(jié)論性的成果.其理論依據(jù)是,根據(jù)脈動流熱管的工作原理可以看出,要想進一步強化其傳熱量過程,除了強化管內(nèi)汽液介質(zhì)以及汽液介質(zhì)與管壁之間的傳熱外,另一個是要提升其振蕩頻率和運行的循環(huán)動力.從提升運行的循環(huán)動力出發(fā),可以采用兩種大小不同的管徑交替布置,以構(gòu)成非均勻截面的自激振蕩流熱管,使管內(nèi)流體在加熱端受熱后沿較大的管徑快速膨脹,并流向冷凝端.而在冷凝端冷凝后的液體那么沿著較細管道流回加熱端.由于大小管徑的曲率半徑不同,其液膜產(chǎn)生的外表張力也不同,由此獲得的附加循環(huán)動力為：22P(3RR2式中：外表張力系數(shù)；R、R2不同管徑的曲率半徑.研究得出的結(jié)論是：無論是上部加熱、中部加熱

15、還是下部加熱,不等徑脈動熱管與等徑脈動熱管相比都起到了強化傳熱的效果,但不同的加熱位置隨著加熱功率的變化強化傳熱的效果存在一定差異.相比之下,當上部加熱處于最正確的強化傳熱效果時,不等徑自激脈動熱管的傳輸功率是等徑自激脈動熱管的1.5倍；當中部加熱處于最正確的強化傳熱效果時,到達了3.5倍；當下部加熱處于最正確的強化傳熱效果時,到達了2.3倍.同時,這樣的不等徑脈動熱管也改善了熱管的啟動性能.Khandekar13等人發(fā)現(xiàn),脈動熱管采用矩形截面的運行性能要好于圓型截面或圓管.曲偉14-16等人研究正方形截面,等腰三角形和正三角形截面的脈動熱管傳熱特性.在加熱功率和充液率相同的情況下,三角形熱管

16、的熱阻比正方形熱管的熱阻低,等腰三角形比等邊三角形的熱阻低.周巖17研究發(fā)現(xiàn)當管徑一定時,正三角形截面熱管的熱阻值要低于正方形截面熱管.當截面形狀一定時,水力利直徑稍大(1.5mm)的熱管的熱阻值低于水力直徑稍小(1mm)的熱管的熱阻值.(4)蒸發(fā)段和冷凝段的長度影響Charoensawan7等研究了脈動熱管的蒸發(fā)器長度對傳熱性能的影響.實驗條件是一環(huán)行脈動熱管,蒸發(fā)器的溫度是80C,26個彎頭,得出的結(jié)論是隨著蒸發(fā)器長度的增加,熱阻就增加,性能就下降,圖6給出詳細的實驗結(jié)果.20J6.12O.IM眥no54)urn»Evupurituiikdi|：lti(nun)圖6蒸發(fā)器長度對熱

17、阻的影響從圖上可以看出,最大的傳熱水平發(fā)生在蒸發(fā)器的長度為50mm,其原因可能是更短的長度可以使得工質(zhì)的摩擦壓降降低,工質(zhì)更容易能夠從蒸發(fā)段流向冷凝段.研究還指出在任何填充率、蒸發(fā)器溫度和彎頭數(shù)的情況下都有著相同的趨勢.冷凝段的長度也影響著脈動熱管的性能,如果太短,其冷卻的水平不夠強,會影響熱管的散熱水平.冷凝段的長度也跟冷卻方式有很大的關系,目前常用的冷卻方式主要是恒溫水浴和強制對流.(二)操作參數(shù)(1)放置位置脈動熱管的放置位置對其傳熱水平有著很大的影響,安裝位置一般有豎直、水平、傾斜放置.熱管的方向9對熱管有著兩方面的影響,一是重力場對熱管的影響,二是彎頭對流體的時間和空間上動態(tài)壓力的影

18、響.張顯明和楊洪海18,19等研究了傾斜角度對脈動熱管的影響,由于兩人的實驗條件不同,得出結(jié)論不太一致.張顯明對以FC72為工質(zhì)的脈沖熱管進行了實驗研究,在傾斜角度q=0°10.時,脈沖熱管傳熱性能對角度極為敏感,加熱段溫度隨著傾斜角度的增加急劇下降；當q=10.15.時,加熱段溫度反而略有上升；當q=15.30.時,加熱段溫度又緩慢下降；而當傾斜角度q=30°90.時,加熱段溫度變化很小,傾角對傳熱性能幾乎無影響.楊洪海在對內(nèi)徑分別為1mm和2mm的細銅管彎曲而成的40彎頭脈動熱管試驗裝置上,采用R123、水和酒精為工作介質(zhì),研究了傾斜角及充液率對脈動熱管傳熱性能的影響.

19、結(jié)果說明：在相同的熱負荷下,當傾斜角從+90°逐漸轉(zhuǎn)到0°,最后轉(zhuǎn)到-90.時,平均蒸發(fā)溫度有不同程度的提升；在較低負荷下,傾斜角對運行性能的影響比擬明顯.馬永錫等人對管式銅水閉合回路振蕩熱管的傳熱性能進行了實驗研究.得出的結(jié)論是：傳輸功率隨傾斜角度增加呈增長趨勢,但增加的速度逐漸減小,0°時性能最差,90.傳熱效果最好,90.時的傳輸功率約為0.時的34倍；70.至90.是最為理想的安裝角度范圍,其次是45.到70.曹小林21等對銅乙醇閉式回路脈動熱管進行實驗研究,研究了傾斜角、充液率及彎頭數(shù)目等對傳熱性能的影響,得到的最正確傾斜角范圍為70°90&#

20、176;,最正確充液率為50%左右.由此可見,傾斜角一般是和充液率、彎頭數(shù)一起影響脈動熱管的性能的.(2)加熱方式的影響加熱方式對熱管的性能有著很大的影響,常用的加熱方式有均勻加熱脈動加熱.脈動熱管內(nèi)的振蕩是由于熱沖擊而引起的,以脈沖加熱代替常規(guī)的連續(xù)熱源加熱有利于增強管內(nèi)脈動機制,提升循環(huán)動力,促進傳熱.冼海珍22,23等人研究了脈沖加熱對熱管傳熱性能的影響,得出的結(jié)論是脈動加熱能夠提升熱管的脈動頻率,增強熱管的傳熱性能.脈沖寬度和脈沖間隔改變時,其傳熱性能亦發(fā)生變化,并指出存在最正確的脈沖加熱參數(shù).加熱方式也會影響熱管的啟動.啟動時間和啟動溫升作為脈動熱管啟動特性的兩個評價指標.啟動時間定

21、義為脈動熱管受熱開始到循環(huán)開始所經(jīng)歷的時間,時間越短那么脈動熱管啟動越迅速,進入穩(wěn)態(tài)運行的時間越早.啟動溫升那么指啟動前的最高溫度和穩(wěn)定運行時的溫度之差,啟動溫升太高會超出設備允許的溫度范圍,從而影響設備的性能.短時間內(nèi)的迅速啟動和適宜的溫升將決定脈動熱管在實際中的應用.劉玉東24等研究了熱管啟動過程,發(fā)現(xiàn)采用低加熱功率下伴隨有明顯溫度波動的顯熱啟動過程和高加熱功率下的光滑連續(xù)啟動過程,兩者的差異很大,詳見圖7.從圖上可以看出啟動時間沒有太大差異,但啟動溫升前者較大.圖7有溫度波動加熱和均勻加熱的啟動過程(3)充液率的影響充液率為工作介質(zhì)的總體積占振蕩熱管內(nèi)部總?cè)莘e的百分比,往往和工質(zhì)、彎頭數(shù)

22、已經(jīng)放置位置一起綜合影響熱管的傳熱性能.從本質(zhì)上來說,充液率是決定脈動熱管的傳熱性能的因素,其他的因素只是可能輔助增強換熱性能.假設充液率太大,管中的氣體較少,就不能形成很強的擾動,工質(zhì)流動較慢,換熱效果自然就差；假設充液率過小,那么管內(nèi)的液體較少,在蒸發(fā)段就容易燒干,出現(xiàn)運行不穩(wěn)定.對于每個熱管都會存在一個最正確充液率,但是最正確充液率范圍與管內(nèi)徑、加熱模式、熱負荷及工質(zhì)種類等因素有關.Zhang,丫25指出充液率一般在20%80%之間,對于一些典型熱管實驗(彎頭數(shù)少于20),最正確充液率一般在40%左右.Charoensawan7等研究了充液率和熱阻的關系,實驗條件是2mm直徑,26彎頭數(shù)

23、的水平環(huán)路熱管.蒸發(fā)器的溫度是90C,采用的工質(zhì)是水和酒精,蒸發(fā)器的長度是150mm和50mm.得到如下列圖8曲線.圖8充液率和熱阻的關系從圖上可以看出對于150mm的蒸發(fā)器,最正確充液率是30%,而對于50mm的蒸發(fā)器,最正確充液率是30%50%,這個范圍內(nèi)熱阻沒有太大變化.楊洪海19等人研究充液率和傾斜角對熱管性能的影響,對內(nèi)彳5為1mm的脈動熱管充注酒精,采用三種加熱模式水平加熱,垂直頂部加熱,垂直頂部加熱.隨著充液率的增加,熱阻先下降,隨后又增加,存在一個最正確充液率范圍,在該范圍內(nèi)脈動熱管的熱阻較小.其中,垂直底部加熱模式下的最正確充液率范圍較寬,為30%70%;水平加熱模式下的最正

24、確充50%70%指出在液率范圍為40%70%;垂直頂部加熱模式下的最正確充液率范圍較窄,為工程應用中,最正確充液率可近似取管內(nèi)總體積的55%左右.王宇26等人研究了充液率對單回路的脈動熱管啟動的影響.研究了單環(huán)路脈動熱管在不同充液率30%,50%,70%下的啟動、運行情況.實驗過程中觀察到高充液率下50%,70%管內(nèi)工質(zhì)的主要流型為塞狀流,低充液率下30%主要流型為環(huán)狀流；啟動過程中管內(nèi)工質(zhì)左右振蕩,運行中工質(zhì)呈現(xiàn)較穩(wěn)定的單向流動；50%及70%充液率下脈動熱管能夠順利地啟動運行；較低的充液率30%影響到熱管的正常啟動和穩(wěn)定運行；采用運行熱阻評價熱管運行中的傳熱效果,結(jié)果說明,70%充液率的傳

25、熱效果優(yōu)于50%充液率.C.物理參數(shù)1工質(zhì)對脈動熱管傳熱的影響不同的工質(zhì)其物性參數(shù)不同,其傳熱性能有著很大的不同,常用的工質(zhì)一般是水、氟利昂和酒精等.1995年,美國Argonne國家實驗室首次提出納米流體的概念：即以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子,形成一類新的傳熱工質(zhì).由于固體粒子的導熱系數(shù)比液體大幾個數(shù)量級,因此懸浮有固體粒子的液體的導熱系數(shù)要比純液體大很多.大量的實驗研究說明納米流體的導熱系數(shù)明顯地高于其基液的導熱系數(shù)在強化傳熱方面和沸騰傳熱方面都有巨大的潛能.商福民27,28等人研究Cu/水納米流體對傳熱性能的影響.得出的結(jié)論是充液率是決定振蕩熱管傳輸功率的關鍵

26、因素,尤其是針對工質(zhì)為納米流體的振蕩熱管.傳統(tǒng)的熱管最正確充液率范圍應該上調(diào).與工質(zhì)為蒸儲水的振蕩熱管相比,在相同條件下,Cu/水納米流體作為振蕩熱管工質(zhì),在很大程度上可以起到強化傳熱的作用.并指出在高熱負荷時納米流體和納米顆粒沉積溶液熱傳輸性能所表現(xiàn)出的“反?，F(xiàn)象,可能是由于熱管充液率相對較低、納米顆?！皥F聚以及穩(wěn)定劑的影響.MaHB29,30等人研究金剛石/水納米流體振蕩熱管.實驗管為銅管,其內(nèi)徑為1.65mm,外徑為3.18mm,蒸發(fā)段與冷凝段的長均為0.6m,絕熱段為10.2m,彎頭24個.金剛石納米顆粒粒徑為550nm,體積份額為1%.實驗發(fā)現(xiàn)納米流體導熱率從0.5813W/mK上升

27、到1.0032W/mK,以這種納米流體作為工質(zhì)的振蕩熱管,傳熱性能明顯改良.LinYH31分析比擬了Ag/H2O納米流體銅脈動熱管在不同的濃度10-4、4.5X10-4、各種填充率20%、40%、60%、80%和在不同的加熱功率5、15、25、35、45、55、65、75、85W下的實驗結(jié)果.其中Ag納米顆粒粒徑為20nm,振蕩熱管的內(nèi)徑2.4mm,蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長度分別為22、113、35mm,彎頭10個.實驗結(jié)果說明中間的填充率40%、60%比較好,60%的效果比40%還好,較好的濃度是104;進一步分析還發(fā)現(xiàn)加熱功率為85W時,蒸發(fā)段與冷凝段的溫差被降低7.79C,熱阻被降低0.

28、092C/Wo曲偉等研究了納米流體的數(shù)值模型32.將相變傳熱項合理引入了汽塞能量微分方程；液塞動量方程中考慮了剪切力的影響；納米流體的物性采用了當量處理方法.采用數(shù)值迭代方法進行了求解,得到了汽塞壓力、溫度、質(zhì)量的變化波形,分析了波形的頻率,進而解釋了初始條件、重力等對脈動熱管的流動與傳熱影響的機理.馮劍超33等建立了脈動熱管的可視化實驗臺,對以體積分數(shù)為1%的TiO2/H2O和CuO/H2O納米流體及基流體為工質(zhì)、55%充液率的脈動熱管性能進行了實驗研究.結(jié)果說明,工質(zhì)靜止時,納米顆粒在脈動熱管中會發(fā)生沉淀,但工質(zhì)的運動能夠使沉淀納米顆粒再次懸浮；隨著溫度的升高,納米顆粒的懸浮穩(wěn)定性減弱；與

29、基流體工質(zhì)相比,納米流體脈動熱管的最小啟動功率低,啟動時間較短,工作溫度低,傳熱熱阻小,溫度波動振幅小、頻率高；納米流體能大幅提升脈動熱管的傳熱性能,工作溫度為110c時,蒸儲水、TiO2/H2O及CuO/H2O脈動熱管的傳熱熱阻分別為0.23C/W、0.11C/W和0.13C/W；兩種納米流體脈動熱管的傳熱性能接近.相變膠囊也能強化傳熱,原因是微膠囊流體內(nèi)含有微小的顆粒,有利于形成汽化核心,此外其比熱和汽化潛熱都較大,密度較小,呈乳膠狀,有利于工質(zhì)在管內(nèi)產(chǎn)生振動.汪雙鳳34等人對膠囊流體的傳熱性能做了研究.將外徑為2.5mm、內(nèi)徑為1.3mm的銅管加工成四環(huán)脈動熱管,在不同工質(zhì)(3%的FS3

30、9E型微膠囊流體、乙醇、水)和充液率(40%80%)下探討了脈動熱管的啟動特性,以及工質(zhì)和充液率對脈動熱管熱輸送性能的影響.結(jié)果說明：脈動熱管的啟動與充液率、熱驅(qū)動力和工質(zhì)有關；相比于乙醇和水,微膠囊流體作為工質(zhì)時,脈動熱管具有較寬的工作范圍,尤其在高充液率的條件下,熱管表現(xiàn)出良好的啟動性能和熱輸送性能.林梓榮35等人對不同濃度微膠囊流體與水在不同加熱功率下的熱阻的實驗研究.發(fā)現(xiàn)在加熱功率為50W以后,微膠囊流體作為工質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)于水的熱輸送水平.其中微膠囊流體最優(yōu)濃度為1%,在加熱功率為80W時,較水為工質(zhì)時,熱阻降低了0.349C/W,提高了傳熱極限.而0.5%微膠囊流體的曲線根本與水的曲線

31、相近,2%、3%的微膠囊流體的熱輸送性能強化作用稍稍差于1%時的.指出了強化傳熱的原因可能是.1微膠囊流體富含相變粒子,微粒在工質(zhì)蒸發(fā)冷凝流動中,增強了管內(nèi)的擾動效應；微粒與管壁接觸也利于形成工質(zhì)的汽化核心；微膠囊流體呈現(xiàn)乳膠狀態(tài),在工質(zhì)蒸發(fā)冷凝的過程中可能形成較純水更好的連續(xù)狀態(tài),此外微膠囊流體的密度較水小,熱容卻與水相近,在同樣的熱驅(qū)動力下,能加速工質(zhì)在管內(nèi)蒸發(fā)冷凝的運轉(zhuǎn)速度；.4微膠囊流體在50W后出現(xiàn)明顯強化熱輸送性能的拐點,可能是由于此時相變微粒發(fā)生了相變,使得管內(nèi)單一物質(zhì)的相變傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N物質(zhì)(基液和微膠囊粒子)的混合相變,蒸發(fā)冷凝的流動更為復雜造成的.冼海珍和陳傳寶36,37等

32、人研究了聲空化外場對傳熱性能的影響.脈動熱管傳熱強化方法可以分為自激強化與受激強化兩大類.自激強化即沒有外場作用的強化方法：非均勻截面熱管和采用納米流體工質(zhì)的均屬于自激強化.受激強化即通過施加外場強化熱管傳熱的方法：脈沖加熱與聲空化強化傳熱的方法即歸于此類.前面已經(jīng)列舉文獻闡述了脈沖加熱強化脈動熱管的傳熱方法是可行的.聲空化是指向液體中輻射超聲波并使聲強到達一定閾值時,在液體中出現(xiàn)的微小汽泡束隨著聲壓的變化做脈動、振蕩并伴隨有生長、收縮以至破滅的現(xiàn)象.聲空化能產(chǎn)生局部高溫、高壓、沖擊波和微射流等現(xiàn)象,使傳熱傳質(zhì)顯著增強.有研究說明,對于單相流,聲空強化能夠顯著增強換熱效果.將聲空化用于脈動熱管

33、可具有雙重效果：既可以強化熱管外流體與管壁之間的對流換熱,同時,由于它可以產(chǎn)生脈沖熱流,因而對熱管內(nèi)的脈動機制也會產(chǎn)生影響.冼海珍研究說明：在不同的聲空化強度下,聲空化脈動熱管傳熱均大于常規(guī)脈動熱管；在相同的加熱溫度下,聲空化脈動熱管的當量導熱系數(shù)均大于常規(guī)脈動熱管.陳傳寶研究說明：聲空化外場對脈動熱管傳熱性能有顯著影響,在某些工況下聲空化外場可以加速熱管的啟動,提升熱管傳熱性能,但亦出現(xiàn)施加聲空化外場反而削弱傳熱的現(xiàn)象.可見,聲空化外場對脈動熱管具有獨特的作用,其特殊的規(guī)律,以及內(nèi)、外場之間的藕合機制亟需進行更加深入的研究.四、脈動熱管的應用8目前對脈動熱管的研究還處于實驗和理論建模探索階段

34、,但由于其自身的優(yōu)點,許多脈動熱管產(chǎn)品從實驗室中走出來,在工程實際中得到了應用.(1)電子元件散熱隨著電子科技的進步,電子元器件的體積越來越小,集成度越來越高,功耗也越來越大.傳統(tǒng)的空氣自然或強制對流散熱顯然已不能滿足電子技術(shù)開展的需求,迫切需要開發(fā)小而輕、強散熱水平、低本錢的新型傳熱裝置.脈動熱管可以作為一種高效的導熱元件廣泛地應用于電子元器件冷卻領域.同管式振蕩熱管一樣,板式振蕩熱管也可以彎制成各種形狀,以適合于安裝空間,可用作導熱基板,也可用作散熱翅片.圖9為日本TSHeatronics公司開發(fā)的用于IntelPentium42.8GHzCPU無風扇散熱器NCU-1000,主體和散熱翅均

35、由鋁-HFC134a板式振蕩熱管制作,具有散熱效率高、無噪聲、安裝方便等優(yōu)點.圖9NCU-1000振蕩熱管CPU散熱器圖10為應用振蕩熱管冷卻IGBT(絕緣柵雙極晶體管,InsulatedGateBipolarTransistor)的裝置圖.該裝置的優(yōu)異性能,與其他冷卻產(chǎn)品相比,明顯地減少了安裝空間.圖10利用振蕩熱管冷卻IGBT但其較低的導熱2000W/mK,比(2)改善原材料的傳熱性能不銹鋼因具有抗腐蝕、高強度、衛(wèi)生、有光澤等優(yōu)點應用于許多領域,性能限制了它的應用范圍.由不銹鋼板制作的板式振蕩熱管的導熱系數(shù)約為原不銹鋼板的導熱系數(shù)高出120倍,同時保持了不銹鋼原有的優(yōu)點.因而可廣泛用于加熱

36、、保溫冷卻等熱限制場合,如用于制造廚具、醫(yī)療衛(wèi)生器具、物理化學精密儀器等.管式振蕩熱管應用于地板采暖系統(tǒng),具有熱響應快、溫升高、節(jié)能等優(yōu)點,與傳統(tǒng)的聚乙烯管式采暖系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)可節(jié)省30%的能源消耗.五、脈動熱管研究方法A,可視化研究1999年,在第11屆國際熱管會議上,Gi38采用毛細玻璃管制作了可視的脈動熱管,可定性地觀察到氣塞和液塞在玻璃管內(nèi)的上下脈動,從此便引發(fā)了對脈動熱管的大量研究.可視化是可以給研究帶來很大好處的.目前可視化研究的手段一般都是采用玻璃毛細管進行研究,文獻39-47采用可視化手段研究了熱管的啟動和運行情況.Kawara48等嘗試用質(zhì)子射線技術(shù)(ProtonRadio

37、graphy)對一平板開槽型脈動熱管的流型作可視化研究.PHP板的總體尺寸為190mmX50mmX1.3mm,采用開式回路結(jié)構(gòu),單個矩形槽橫截面的尺寸為0.6mmX0.7mm.浙江大學的王雷49采用電容層析成像技術(shù)測量了兩相流的參數(shù),識別流體的流形.B.統(tǒng)計方法脈動熱管的傳熱性能受受到多方面因數(shù)的影響的,這些因子之間的關系是復雜的和非線性的.馬永錫50等人采用統(tǒng)計方法分析銅/水閉合回路振蕩熱管傳熱性能與充液率、傾角、熱量輸入間關系.首先應用中央復合設計對試驗進行安排,然后采用最小二乘法擬合試驗變量與響應間關系,最后采用方差分析研究3個因素及其交互影響的程度.結(jié)果顯示：二階方程模型較好地反映了傳

38、熱功率與影響因素間的關系；3個因素對傳熱功率的影響都是顯著的,其中傾角的影響最為顯著,但它們的交互影響不明顯；在研究的范圍內(nèi),最正確充液率和最正確傾角隨加熱水流量的增大均有所增加.C.正交試驗手段正交實驗設計是一種實驗設計方法,通過研究多因素、多水平的實驗來優(yōu)化設計,它是根據(jù)正交性從全面實驗中挑選出具備“均勻分散,齊整可比等特點的有代表性的點進行實驗.正交實驗設計是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設計方法,該方法可以有效的解決以下問題：(1)通過實驗數(shù)據(jù)分析,掌握各影響因素對實驗結(jié)果的作用,分清各因素作用的主次順序,從而找出主要因素以及次要因素；(2)可以合理的優(yōu)化設計,選出到達最優(yōu)化時各個因素所

39、取的水平值；(3)分析因素與指標的關系,找出自變量和因變量的相互關系,指出變化的規(guī)律和趨勢,用于指出進一步實驗的方向.天津大學的毛欣欣51采用正交實驗手段,由分析結(jié)果判斷出影響極限功率的因素的主次順序為：充液率工質(zhì)傾角.1 AkachiH.StructureofaheatpipeP.may1,1990.2 AkachiH.Structureofmicro-heatpipeP.jun.15,1993.3 ShigefumiN,ShinichiN,TeruyukiK.StudyonThermalPerformanceofSEMOSHeatPipeJ.NipponDennetsuShinpojium

40、uKoenRonbunshu.2002,39th(Vol.1):127-128.4 KimJS,ImYB,KimYS,etal.Developmentoftheunder-floorheatingsystemusingoscillatingcapillarytubeheatpipeJ.2003,21(4):1-8.5楊洪海,SameerKhandekar,ManfredGroll.脈動熱管技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前沿熱點J.東華大學學報(自然科學版).2006(3):134-138.6 GrollM,KhandekarS.Pulsatingheatpipes:achallengeandstilluns

41、olvedprobleminheatpipescienceJ.2002.7 CharoensawanP,TerdtoonP.Thermalperformanceofhorizontalclosed-looposcillatingheatpipesJ.AppliedThermalEngineering.2021,28(56):460-466.網(wǎng)馬永錫,張紅,莊駿.振蕩熱管一一一種新型彳寺的傳熱元件J.化工進展.2004(9):1008-1013.9 CharoensawanP,KhandekarS,GrollM,etal.Closedlooppulsatingheatpipes:PartA:pa

42、rametricexperimentalinvestigationsJ.AppliedThermalEngineering.2003,23(16):2021-2021.10商福民,劉登瀛,冼海珍,等.采用不等徑結(jié)構(gòu)自激振蕩流熱管實現(xiàn)強化傳熱J.動力工程2021(1):100-103.11商福民,劉登瀛,冼海珍,等.非均勻截面自激振蕩流熱管內(nèi)熱傳輸特性實驗研究J.熱能動力工程.2007(2):201-204.12商福民,冼海珍,劉登瀛,等.自激振蕩流熱管非均勻截面強化傳熱實驗研究J.工程熱物理學報.2006(4):638-640.13KhandekarS,SchneiderM,SchaferP.

43、ThermofluiddynamicstudyofflatplateclosedlooppulsatingheatpipesJ.MicroscaleThermophysicalEngineering.2002,4(6):303-318.14李玉華,曲偉,袁達忠.角管脈動熱管的結(jié)構(gòu)和尺度效應研究J.工程熱物理學報.2021(12):2102-2104.15李玉華,曲偉,周巖.角管脈動熱管的流動和傳熱分析J.工程熱物理學報.2021(8):1367-1369.16周巖,曲偉.脈動熱管的毛細管結(jié)構(gòu)和尺度效應實驗研究J.工程熱物理學報.2007(4):646-648.17周巖.脈動熱管的性能研究D.中

44、國科學院研究生院(工程熱物理研究所),2007.18張顯明,徐進良,施慧烈.傾斜角度及加熱方式對脈沖熱管傳熱性能的影響J.中國電機工程學報.2004(11):224-229.19楊洪海,韓洪達,ManfredGroll.傾斜角及充液率對脈動熱管運行性能的影響J.動力工程.2021(2):159-162.20馬永錫,張紅.低于臨界通道彎數(shù)振蕩熱管的傳熱特性J.北京化工大學學報(自然科學版).2005(4):87-90.21曹小林,王偉,陳杰,等.環(huán)路型脈動熱管的工質(zhì)流動和傳熱特性實驗研究J.熱科學與技術(shù).2007(1):56-59.22冼海珍,劉登瀛,商福民,等.脈沖加熱對振蕩流熱管傳熱性能的影

45、響J.工程熱物理學報2021(8):1363-1366.23冼海珍,商福民,劉登瀛,等.自激振蕩流熱管脈沖加熱強化傳熱實驗研究J.工程熱物理學報.2006(3):457-459.24劉玉東,周躍國,周小三,等.脈動熱管啟動及運行問題研究進展J.昆明理工大學學報(理工版).2021(1):67-73.25ZhangY,FaghriA.AdvancesandUnsolvedIssuesinPulsatingHeatPipesJ.HeatTransferEngineering.2021,29(1):20-44.26王宇,李惟毅.充液率對單環(huán)路脈動熱管啟動運行的影響J.中國電機工程學報.2021(17):79-85.27商福民,劉登瀛,冼海珍,等.振蕩熱管內(nèi)不同形態(tài)納米顆粒流動及傳熱特性J.化工學報.2007(9):2200-2204.28商福民,劉登瀛,冼海珍,等.自激振蕩流熱管內(nèi)Cu-水納米流體的傳熱特性J.動力工程2007(2):233-236.29 Ma,B.H,Wilson,etal.AnexperimentalinvestigationofheattransportcapabilityinananofluidoscillatingheatpipeJ.2006,128(11):4.30 MaHB,WilsonC,BorgmeyerB,etal.Effectof