热质交换的新型设备综述.docx
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热质交换的新型设备综述
闭式环路型脉动热管实验研究的读书报告
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作者
标题
出处
年月
1
曲伟,马同泽
微小空间薄液膜相变传热的微尺度效应
航天器工程,Vol13,No.2,36-45,2004
2004
2
崔晓钰,翁建华,M.Groll,
铜/水振荡热管传热特性的实验研究
工程热物理学报,Vol.24,No.5,864-866
2003
3
B.Y.Tong
Closed-looppulsatingheatpipe
AppliedThermalEngineering21,1845-1862
2001
1.曲伟,马同泽,微小空间薄液膜相变传热的微尺度效应,航天器工程,Vol13,No.2,36-45,2004
主要内容:
本文对小空间的相变传热和流动的微尺度效应的研究进展进行了阐述,包括下列几个方面:
固体表面上薄液膜厚度的微尺度效应;圆形截面毛细管管径的微尺度效应;毛细管的截面形状微尺度效应;壁面纳米级粗糙度的微尺度效应;微型热管(MHP)的微尺度效应和连续性极限、堵塞极限;平板热管(FMHP)的壁面粗糙度微尺度效应和沸腾极限;脉动热管(PHP)管径的微尺度效应;薄液膜的稳定性等。
研究分析了上述各方面微尺度效应的机理,归纳推知增加每个薄液膜区域的面积和增加薄液膜区域的数量这两种方法均可提高蒸发器的性能,后一种方法可操作性强,为高效蒸发器性能的提高指明了方向。
主要结论:
对于薄液膜传热,各种力的对比发生根本的变化,脱离压力(DisjoiningPressure)和毛细力(CapillaryPressure)占有主导地位,而重力、粘性力、惯性力相对不重要。
在薄液膜传热和流动研究中发现,脱离压力和毛细力的对比也会因空间尺度、表面微观粗糙度等的不同此消彼长。
由于尺度减小,壁面的相对粗糙度变得越来越重要,即使是对光滑表面来讲,壁面粗糙度也是不能忽略的了,原因是光滑壁面的纳米量级的粗糙度也会改变薄液膜的吸附热,从而改变了脱离压力和毛细力的相对大小。
关于薄液膜稳定性,对薄液膜叠加了表面力,如果薄液膜出现不稳定,则会加剧其表面的波动。
可知增加每个薄液膜区域的面积和增加薄液膜区域的数量两种方法均能提高蒸发器的性能,后一种方法可操作性强,为高效蒸发器性能的提高指明了方向。
在相同的当量直径及相同加热温差下,三角形截面毛细管内总的蒸发传热量最大,圆形截面毛细管的最小。
存在问题和拟定解决措施:
2.崔晓钰,翁建华,M.Groll,铜/水振荡热管传热特性的实验研究,工程热物理学报,Vol.24,No.5,864-866,2003
主要内容:
实验装置如上图。
主要结论:
(1)部分充注的闭式循环毛细尺寸热管在一定换热条件下会产生振荡,振荡对热管传热性能的提高非常显著。
在本文实验条件下,振荡热管的最小热阻可达到无充注管纯导热热阻的一半以下。
利用这一特性,合理开发、设计、使用振荡热管,可以获得较为满意的换热效果。
(2)振荡热管传热性能随换热条件、充注率变化而变化。
一定充注范围内,加热功率达到一定值时,热管工作处于振荡状态。
充注率越小,振荡发生所需的加热功率越小,表现出加热功率较小时,充注率越小,热阻越小,而随着加热功率增大,热阻相差越来越小。
充注率过小或过大均不能形成振荡,热管传热性能较差。
(3)满充注热管是性能良好的单相热虹吸管。
存在问题和拟定解决措施:
3.B.Y.Tong,T.N.Wong,K.T.Ooi,Closed-looppulsatingheatpipe,AppliedThermalEngineering21(2001),1845-1862
(1)
(2)
结论:
脉动热管(PHP)在开始及运行期间,管内工质液塞分布不均匀。
要使CLPHP运行,需要一最小临界输入功率,该最小启动输入功率可引起流体的流动。
在充灌率为0.6时,工质循环才可能。
由于流体流动,热量才能从热管的蒸发段输送到冷凝段。
由于驱动力和回复力间的相互作用,流体流动是连续的。
正因如此,在蒸发段才没出现持续的干烧。
CLPHP在启动期间,出现从蒸发段到冷凝段的大幅度脉动。
在这之后,出现工质的连续循环。
一旦循环开始,工质的循环方向将一致,但对于同一实验运行,循环的方向可能不同(即正向或反向)。
此外,随着输入功率的增大,循环速度增加。
一旦工质开始循环,液塞也在局部发生脉动。
在热管中可观察到复杂过程,如:
核态沸腾、气泡破裂、波动流等。
4.冼海珍,商福民等,自激振荡流热管脉冲加热强化传热实验研究,工程热物理学报,Vol.27,No.3,457-459,2006
主要内容:
本文对脉动热管的加热方式进行了研究,得出结论如下
1)脉冲加热时热管冷、热端壁面温度振荡频率明显大于连续加热热管的壁面温度振荡频率,实验结果表明,脉冲加热可以提高管内流体的蒸发和冷凝速率以及气液相变的交替频率,使之产生更高的相变传热的热流密度以及形成更大的因压力不平衡而获得的循环动力,达到强化热管传热的目的。
2)热管运行存在一最佳的加热功率(输出功率)范围。
3)在相同的加热功率下进行比较,当脉冲宽度在200~1000ms时,脉冲加热热管的传输热流量与当量导热系数均大于连续加热热管的传输热流量和当量导热系数。
4)实验结果表明,脉冲加热强化自激振荡流热管传热的方法是可行的。
存在问题和拟定解决措施:
4.徐进良,张显明,施慧烈,脉冲热管中的热力型脉动现象及实验测量,自然科学进展,Vol.14,No.4,P436-440
主要内容:
本文分析了热力型脉动热管的脉动机理,对常壁温加热条件下,风冷冷却方式的闭式环路型脉动热管进行了实验研究。
PHP热力型脉动机理分析:
(1)加热段金属壁面被汽弹冲刷
在毛细管中,汽弹和液弹共存,在汽弹区,管壁存在一液体薄层,将汽弹和管壁分隔开来,薄液层提供了非常高的传热系数,沸腾发生在汽液界面处,跨过汽液界面,汽侧与液侧压力差
,式中r为汽液界面的曲率半径,
为液体表面张力,汽侧温度
至少大于或等于对应压力
下的饱和温度。
因为沸腾发生的汽液界面处,热量传递的方向是从液体传递到汽液界面,因而
,局部点A处的金属温度为
,式中
为内壁热流密度,
为薄液膜传热系数。
(2)加热段金属壁面被液体冲刷
此时,局部点A处的金属温度为
,因为
,所以对固定金属壁面的某个点A,被液体冲刷时,显示较高的温度值,而当该点被汽弹冲刷时,显示较低的温度值。
当PHP工作时,局部点间隙地被汽弹或液体冲刷,所以局部点温度时而上升,时而下降,形成有规律的脉动,这就是PHP产生热力型脉动的原因。
在冷凝段,也会产生类似的热力型脉动现象,但由于热量是由汽液介质传递给外界环境,产生的过程与加热段相反,即当局部点被液体冲刷时,显示较低温度,而被汽弹冲刷时,显示较高温度。
由于金属壁面间隙地被汽弹和液体冲刷,形成了冷凝段地热力型脉动现象。
在绝热段,由于工质与外界环境几乎无热交换,因而,热力型脉动地幅度应较小。
主要结论:
(1)对于FC-72和乙醇,PHP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。
总体上,加热段的脉动幅度最大,绝热段的脉动幅度较小。
(2)对FC-72和乙醇的热力型脉动曲线的分析表明,在其他参数相同的条件下,FC-72具有较短的脉动周期和较小的脉动幅度,这主要是因为FC-72具有较小的表面张力和汽化潜热。
(3)对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。
(4)在较低功率下,以FC-72为工质的PHP的传热性能最好,以水为工质的最差。
但在高功率下,以水为工质的PHP的传热性能最好,充分发挥了水具有大的汽化潜热的优势,建议根据PHP运行的功率范围,选择采用不同的工质。
存在问题和拟定解决措施:
5.曲伟,马同泽,脉动热管的工质流动和传热特性实验研究,工程热物理学报,Vol.23,No.5,2002
主要内容:
本文对常热流加热边结合水冷冷却方式下的闭式环路型脉动热管进行了实验研究,实验装置如下图,得出的主要结论如下:
1)对于环路型脉动热管,当加热功率较小时管内工质地流型是间歇振动;当加热功率较大时管内工质的流型是单向脉动流动。
2)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。
600倾角时脉动热管地热阻达到最小。
不凝性气体的含量会显著影响蒸发器和冷凝器地运行温度水平和热阻。
存在问题和拟定解决措施:
6.杨蔚原,张正芳,马同泽,脉动热管运行的可视化实验研究,工程热物理学报,Vol22,增刊,P117-120,2001
主要内容:
本文采用玻璃管为材质的圆形通道脉动热管进行常壁温的实验,冷却方式为风冷和水冷,不同冷却方式下采用了几组不同的充灌率,得出主要结论:
(1)流经加热端的气泡在加热端的剧烈膨胀是脉动热管内的典型现象;是脉动热管稳定运行的动力源泉。
(2)底加热情况下,单向和脉动是多数充装率下脉动热管稳定运行时工质运动的显著特征。
(3)脉动热管运行受加热端与冷却端相对位置影响很大;与底加热相比,水平加热和顶加热方式运行的连续性,稳定性很差。
(4)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。
(5)温差,充灌率,对流换热条件,加热段冷却段的长度比,管内表面状况等对脉动热管运行的稳定性均有影响。
存在问题和拟定解决措施:
7.曹小林,席战利等,脉动热管运行可视化及传热与流动特性的实验研究,热能动力工程,Vol.19,No.4,P411-415,2004
主要内容:
本文采用电子冷却液FC72,材质采用硬铝板和酚醛树脂板做脉动热管,断面形状为正方形和正三角。
热端为常热流边界,冷却段为水冷,采用了几组不同充灌率,得出主要结论如下:
(1)脉动热管的运行热阻明显低于铝板的导热热阻,相对于传统热管,脉动热管可以微型化,因此,对于电子冷却来说,脉动热管是一种十分有效的散热技术。
(2)脉动热管存在一个传热极限,加热量超过传热极限,加热段烧干,脉动热管的热阻急剧上升。
(3)脉动热管的运行存在两种运行机理:
重力和表面张力和脉动力作用下没有脉动效应的运行和在重力、表面张力和脉动力作用下有脉动效应的运行。
发生脉动时传热极限明显提高,这就是脉动热管相对于常规热管的优点所在。
观察表明,脉动现象只有在较大的充灌率下才能发生。
(4)存在最佳的充灌率(50%)和最佳倾角(500),在最佳的充灌率和最佳倾角下运行的热管,其传热极限最高,在高热流密度下传热热阻最低。
(5)当热流密度较小时,三角形通道的脉动热管要优于正方形通道的脉动热管,但当热流密度较大时,通道形状对热阻和单位截面传热极限影响不大,通道大小对热管的热性能影响很小。
存在问题:
1)因为可视化原因,试件中部需要绝热的部分没有绝热,而加热段和冷却段都存在一个可视面,其结果是导致测试的最大热通量将大于实际允许最大热通量。
2)加热段和冷却段只有一个面进行加热或冷却,而相应的其余面没有做保温绝热,因此实际由脉动热管带走的热量很难准确测量出来。
3)充液管置于冷却段,充液时由于工质的汽化,气泡会汇集在蒸发段,蒸发段容易产生干烧。
拟定解决措施:
1)加热段/冷却段不做可视化,将其全部做保温绝热,保证加热段输入的热量全部由脉动热管的流体振荡带走,排除由其他非加热面散热的可能性。
冷却段作保温主要看脉动热管是否能正常运行导热,冷热段是否能实现热平衡。
2)绝热段如果要可视化可在酚醛树脂盖板上再外加一绝热透明盒子,将其内抽真空,避免绝热段不绝热,又可实现可视化。
3)改变充液位置,使其尽量靠近蒸发段或将其置于绝热段,让充灌后的液态工质尽可能多的分布在蒸发段,避免加热后蒸发段温度急剧上升和干烧。
8.曹小林,周晋,晏刚,脉动热管的结构改进及其传热特性的实验研究,工程热物理学报,Vol.25,No.5,P807-809,2004
主要内容:
本文以铜管为材质,采用水、乙醇和R123三种工质,热端采用恒温水浴加热,冷段采用恒温水冷。
得出的主要结论:
(1)对脉动热管结构进行了改进,达到合理匹配流动阻力,使工质在通道中稳定单向流动。
通过对比实验,发现在相同的条件下,改进后热管的传热效果要优于改进前。
(2)改进型热管存在传热极限。
在一定的条件下,当加热量增大到一定程度时,加热段烧干,热管的热阻急剧上升,达到其传热极限。
(3)改进型脉动热管存在最佳的充灌率(50%)和最佳倾角(700),在最佳的充灌率和最佳倾角下运行的热管,其传热极限最高,在高热流密度下传热热阻最低。
存在问题:
拟定解决措施:
9.张显明,徐进良,施慧烈,倾斜角度及加热方式对脉冲热管传热性能的影响,中国电机工程学报,Vol24.No.11,222-227,2004
主要内容:
实验装置与文献4相同,文中介绍了相变传热条件下可能发生三类不稳定流动,即压力降型脉动、密度波型脉动以及热力型脉动。
脉动周期随着加热量的增加而变短,加热量越大,脉动周期就越短。
这是因为随着加热量的增加,加热段液体在单位时间内蒸发的速度变快,即产汽率变大,从而使加热段的压力增大,导致工质流速变快,因而脉动周期也相应的变短。
实验发现,随着加热量的增加,壁面温度的脉动周期越来越均匀。
由前面分析知,加热段温度曲线的上升与下降分别表示液体通过测量点和汽体通过测量点,所以脉动周期在高加热功率下变得均匀表明管内汽柱与液柱此时分布可能更为均匀。
实验还发现,脉冲热管的倾斜角度对壁面温度的脉动周期有显著的影响。
温度脉动周期随着倾斜角度的增大而明显变小。
(原因:
由于脉冲热管内工质为汽液两相流,除冷热端的压差提供工质循环振荡的动力外,随着倾斜角度的增加,重力的影响越来越大,汽柱在升浮力的作用下,向上运动的速度越来越快,所以壁面温度的脉动周期随着角度的增加而变短,频率变快。
采用非均匀加热方式的脉冲热管传热性能要优于均匀加热方式的传热性能。
(原因:
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段单位面积上所承受的热负荷要大于均匀加热方式下的热负荷,而脉冲热管在低加热功率不能很好工作,引起热量在加热段的集聚而不能有效散出,所以此时非均匀加热方式下的加热段温度较高。
在较高的加热功率下,脉冲热管已正常工作,非均匀加热方式增加了管内工质压力的不均匀度,促使工质的振荡闭均匀加热方式要剧烈的多,能更有效的把热量从加热段迅速带到冷凝段并释放到大气环境中去,从而使加热段壁温温度保持在较低的水平。
)
结论:
1)加热功率对脉冲热管的热力型脉动周期有显著影响,随着加热功率的增大,加热段温度的脉动周期明显变短,脉冲频率变快,同时,管内汽弹与液弹分布更均匀。
2)随着倾斜角度的增大,加热段温度的脉动周期也变得越来越短,脉动频率越来越快
3)对于以FC-72为工质的脉冲热管,在倾角θ<=100时,传热性能对角度极为敏感,加热段温度随着倾角的增加急剧下降,在θ=00附近时,加热段温度和热阻都很高,表明脉冲热管的工作性能极差;而在θ=100附近时,加热段温度曲线出现一个明显的波谷,表明脉冲热管在这个角度区间,工作性能很好,当θ=00~150时,加热段温度反而略有上升;当θ=150~300时,加热段温度又缓慢下降。
4)当倾斜角度θ=300~900时,加热段温度及热阻始终保持在较低的水平,这表明此时倾斜角度对脉冲热管的传热性能几乎无影响,建议脉冲热管在此倾角范围内工作
5)采用非均匀加热方式的脉冲热管传热性能要优于均匀加热方式的传热性能。
存在问题和拟定解决措施:
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