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        脈動熱管的試驗(yàn)及理論研究現(xiàn)狀

        2021-01-06 10:32:51劉超翔
        河南建材 2021年7期
        關(guān)鍵詞:熱阻工質(zhì)熱管

        劉超翔

        沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院(110168)

        0 引言

        脈動熱管又稱振動熱管,相較于傳統(tǒng)熱管沒有毛細(xì)芯,工質(zhì)依靠管內(nèi)表面張力作用產(chǎn)生的毛細(xì)力回流。 因均溫性良好、傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易加工且造價(jià)成本低等特點(diǎn)引起了了世界范圍內(nèi)研究者的廣泛關(guān)注。按照結(jié)構(gòu)形式可將脈動熱管分為開放型回路和閉合型回路結(jié)構(gòu)。

        目前對脈動熱管的研究, 多以回路型PHP 為主,通過實(shí)驗(yàn)、理論分析與建模等方法,對熱管的可視化、傳熱性能、強(qiáng)化傳熱技術(shù)及方法等方面開展學(xué)術(shù)研究。

        1 試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

        Khandekar[1]將影響脈動熱管傳熱特性的因素歸結(jié)為三類:①幾何參數(shù):包括管徑、管徑截面形狀、彎頭數(shù)、蒸發(fā)段/冷凝段長度等;②物理參數(shù):包括工質(zhì)熱物性、充液率等;③操作參數(shù):包括放置位置、加熱/冷卻方式等。 為了探究各因素對熱管傳熱性能的影響規(guī)律, 眾多研究人員對熱管開展試驗(yàn)研究,總結(jié)出了各因素對脈動熱管傳熱特性的影響規(guī)律及結(jié)論。

        曹小林[2]等通過對方形和三角形截面PHP 的研究,發(fā)現(xiàn)熱流密度小時(shí)三角形熱管性能優(yōu)于方形熱管, 熱流密度大時(shí)界面形狀對傳熱極限影響不大。商福民[3]等對非均勻截面熱管的試驗(yàn)測試,發(fā)現(xiàn)非均勻截面在特定條件下PHP 傳熱性能優(yōu)于均勻性截面熱管。 王超[4]對三角形、梯形、矩形三種不同截面的熱管進(jìn)行可視化研究,得出三角形及梯形截面PHP 的熱阻遠(yuǎn)小于矩形截面熱管, 換熱系數(shù)更高;引入周期性縮擴(kuò)變截面通道結(jié)構(gòu),試驗(yàn)結(jié)果表明在熱負(fù)荷較高時(shí),C 型縮擴(kuò)變截面熱管的熱阻遠(yuǎn)小于A、B 型截面,對流傳熱系數(shù)更高,傳熱性能更為優(yōu)異。 充液率嚴(yán)重影響著脈動熱管的傳熱性能,取值范圍通常為20%~80%。 低充液率容易導(dǎo)致蒸發(fā)段出現(xiàn)“燒干”,充液率過大會使蒸發(fā)段形成的氣泡數(shù)減少,削弱熱管的震蕩效果,故熱管存在最佳的充液值。 陳貝貝[5]等對銅-乙烷脈動熱管進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)最佳充液率為50%,且傳熱性能與充液率呈倒U 型曲線關(guān)系。 Miyazaki[6]等則認(rèn)為脈動熱管的最佳充液率與加熱方式密切相關(guān)。

        目前脈動熱管采用的工質(zhì)主要有水、 電子冷卻液 FC72、丙酮、R123、乙醇、R141b、R134a 等。 陳靜妍[7]對七種工質(zhì)的脈動熱管研究,結(jié)果表明低沸點(diǎn)和低汽化潛熱工質(zhì)更有利于脈動熱管啟動的啟動效果,同時(shí)選用工質(zhì)時(shí)還應(yīng)考慮導(dǎo)熱系數(shù)、黏度以及表面張力等因素。 除純工質(zhì)外,褚紅蕊[8]等對混合工質(zhì)展開研究,結(jié)果表明,非共沸混合物是建立在恒壓、非熱的熱力學(xué)性質(zhì)基礎(chǔ)上的,混合物的種類、配比和填充量與熱泵的工作特性密切相關(guān), 以達(dá)到熱泵的最佳性能。

        脈動熱管的傾斜角對熱管影響的啟動及運(yùn)行特性,史維秀[9]等的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傾角為90°時(shí),傳熱熱阻最低,運(yùn)行效果最好,理想的傾斜角度是30°~90°,水平放置時(shí)容易出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象。

        趙佳騰[10]等對不同彎頭數(shù)的研究發(fā)現(xiàn),在彎頭數(shù)目相同時(shí), 熱阻大小與加熱功率大小呈負(fù)相關(guān)系,加熱功率不變時(shí),熱阻大小與加彎頭的數(shù)量呈正相關(guān)。現(xiàn)階段對于脈動熱管傳熱特性的試驗(yàn)研究比較豐富,但由于脈動熱管運(yùn)行過程的復(fù)雜和流動的隨機(jī)性以及試驗(yàn)研究對象的差異,對某些運(yùn)行機(jī)理尚不明確,需要更多的試驗(yàn)測試來完善對脈動熱管的認(rèn)識,為該技術(shù)的優(yōu)化及發(fā)展應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

        2 理論與數(shù)值分析研究現(xiàn)狀

        在脈動熱管的理論研究過程中,涉及毛細(xì)力學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)等多門學(xué)科,可將現(xiàn)階段的理論研究現(xiàn)狀分為4 類理論模型:

        2.1 “彈簧- 質(zhì)量- 阻尼系統(tǒng)”模型

        Zuo[11]等將氣塞模擬成彈簧,對液塞進(jìn)行受力分析,建立了“單彈簧-質(zhì)量-阻尼”模型,而由于該模型過于簡化, 沒有考慮表面張力及液膜的作用,模擬與試驗(yàn)觀測差別較大。Wong[12]等在該模型的基礎(chǔ)上聯(lián)立每組氣塞、液塞,建立“多彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型,極大地簡化了管內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)動特征,但傳熱和相變過程未加以考慮,偏離物理實(shí)際,所以缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Ma[13]等利用Laplace 變換,考慮熱摩擦力和驅(qū)動力的作用,改進(jìn)了“彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)”模型,獲得了氣、液塞位移的解析解,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)較為吻合,然而,由于該模型忽略了液膜蒸發(fā)遷移及表面張力等影響因素,不能準(zhǔn)確描述熱管的物理規(guī)律。 而Nikolayev[14]等基于氣、液塞單元的質(zhì)量、 動量和能量守恒方程所建立的數(shù)學(xué)模型,能更好的闡述重力、表面張力和液膜蒸發(fā)相變傳熱過程的作用。

        2.2 基于容積控制法的數(shù)學(xué)模型

        不少學(xué)者借助Fluent 軟件, 通過VOF 方法描述脈動熱管內(nèi)氣、液界面的位置和運(yùn)動變化。曲偉[15]等利用三大控制方程,模擬脈動熱管內(nèi)工質(zhì)的流動情況,建立了理論模型,得總結(jié)出PHP 工質(zhì)的潛熱量是總傳熱量的30%等結(jié)論。

        2.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型

        Chang 和Lee[16]利用外源神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),介紹了一種分析頻域和時(shí)域內(nèi)脈動熱管的熱動力學(xué)方法,證明了在不同操作條件下,脈動熱管的熱傳遞是非線性的。 鄂加強(qiáng)[17]等在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立“灰度”關(guān)聯(lián)模型, 其模擬結(jié)果與試驗(yàn)有很好的擬合度,僅有4%的誤差。

        2.4 基于無量綱分析的半經(jīng)驗(yàn)方程模型

        脈動熱管內(nèi)工質(zhì)流動的復(fù)雜性、非線性和機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定性,使得直接模擬極為困難。 為此,許多學(xué)者在試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出預(yù)測熱管傳熱的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 Khandekar 等提出應(yīng)用無量綱分析的脈動熱管半經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停?在規(guī)定冷凝溫度與熱流密度時(shí),利用該模型可計(jì)算對應(yīng)的蒸發(fā)溫度。 依托于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)聯(lián)式,對熱管的傳熱能力預(yù)測較為準(zhǔn)確,與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

        雖然以上多種模型被大量研究人員建立用來描述熱管的物理傳熱現(xiàn)象,但各類模型都存在其自身的局限性,因而都要滿足一定的要求才能使用這些模型。 脈動熱管復(fù)雜的運(yùn)行機(jī)理任然需要學(xué)者們的不斷研究和探索。

        3 總結(jié)及展望

        近年來引起了極大的關(guān)注。 在實(shí)驗(yàn)研究中,研究人員考察了傳熱性能隨某些參數(shù)的變化趨勢。 同時(shí),理論工作主要集中在對PHP 運(yùn)行機(jī)制的建?;蚍抡嫔?。 兩種研究方法都取得了很大的成果。 本研究通過綜合文獻(xiàn)綜述,對PHP 的試驗(yàn)及理論研究現(xiàn)狀以及傳熱特性有了更深入的了解。 而PHP 技術(shù)的應(yīng)用及研究還存在一些需要解決的問題:

        1)盡管已有大量關(guān)于氣-液兩相流的研究報(bào)告,但關(guān)注液-液系統(tǒng)的相對較少。

        2)應(yīng)分析和建立績效評價(jià)指標(biāo)與影響因素之間的關(guān)系。

        3)由于微電子器件尺寸小得多,有必要進(jìn)一步加強(qiáng)微PHP 的研究,提高其在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

        4)規(guī)模效應(yīng)和流體性質(zhì)的變化對PHP 的啟動特性有很大的影響,而揭示這一問題的研究工作很少。

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