自激振荡流热管被动强化传热特性研究

摘要

随着高新技术的发展,许多设备单位面积热负荷越来越高。而这些承受高热负荷场合又常常需要冷却,并要求换热设备小型或微型化。传统热管因微型化将受到携带极限限制而面临挑战,自激振荡流热管的应用有望解决这一技术难题。
　　 本论文针对回路型自激振荡流热管的热传输特性,运用实验研究的方法,率先从被动强化传热的角度出发,通过自激振荡流热管分别采用非均匀截面结构、不等径结构、管内工质为Cu-H2O纳米流体时的热传输功率以及对壁面温度特性的对比分析,研究其热传输及自激强化传热特性。在此基础上,运用理论分析的方法,对自激振荡流热管内的物理过程进行合理的简化,构建其内部流动及传热的数学模型,通过计算和对比分析,研究其热传输及自激强化传热特性。
　　 实验自激振荡流热管材料为黄铜,总垂直高度480mm。其中,冷凝段150mm,加热段和绝热段共330mm,总弯头数8个,热管倾角55°。非均匀截面结构是在内径3mm等截面热管基础上,将加热段和绝热段加工成垂直交错布置、断面为椭圆形结构型式,工质为蒸馏水,充液率为42％。不等径结构同样是在内径3mm等截面热管基础上,将热管中部相间管段变成内径1mm的结构型式。其中,不等径段长度220mm,工质为蒸馏水,充液率74.5％。工质为Cu-H2O纳米流体的热管内径2mm,Cu-H2O纳米流体的充液率分别为40％、43％、58％、60％、67％,Cu粉体积份额分别对应1.0％、O.50％、0.30％、O.10％、0.05％。
　　 实验研究得到的主要结论:
　　 (1)自激振荡流热管采用非均匀截面结构可以起到强化传热的作用,但加热功率必须要达到使热管的循环动力足以克服非均匀截面所造成的流动阻力。
　　 (2)自激振荡流热管采用不等径结构可以达到强化传热的目的,在中等热负荷情况下,强化传热效果比较明显,尤其是热源在变径区域的情况。
　　 (3)Cu-H2O纳米流体作为自激振荡流热管工质,在很大程度上可以起到强化传热的作用,但只是辅助性的,而决定其热传输功率的关键因素应是充液率。
　　 理论分析方面,主要研究管径、充液率、冷热端温差等因素对管内工质的受力、传热及振荡特性的影响。考虑到前期实验研究工作具体情况,理论研究重点放在加热段传热特性的计算分析上,而被动强化传热特性主要针对非均匀截面结构进行了研究。通过对比分析,理论计算结果与相对应的实验研究结论基本符合。
　　 结合下一步的研究工作,对自激振荡流热管技术在太阳能热利用、电子元器件散热以及低温余热回收等领域的应用进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第一章 引言

1.1 本课题的研究背景

1.2 自激振荡流热管的工作原理及特性

1.3 本课题研究的内容及意义

1.4 本章小结

第二章 自激振荡流热管国内外实验研究现状

2.1 概述

2.2 自激振荡流热管国内外实验研究现状

2.2.1 自激振荡流热管的可视化实验研究

2.2.2 自激振荡流热管结构参数影响的实验研究

2.2.3 自激振荡流热管运行参数影响的实验研究

2.2.4 自激振荡流热管其它的实验研究方法

2.3 自激振荡流热管国内外强化传热实验研究现状

2.4 本章小结

第三章 自激振荡流热管被动强化传热特性实验研究

3.1 概述

3.2 自激振荡流热管强化传热的技术途径与可行性分析

3.2.1 纳米流体作为自激振荡流热管工作介质的可行性

3.2.2 变截面结构实现强化传热的可行性

3.3 非均匀截面自激振荡流热管强化传热实验研究

3.3.1 基本思想

3.3.2 实验研究方法及实验系统

3.3.3 非均匀截面与等截面热管壁温特性对比分析

3.3.4 非均匀截面与等截面热管热传输性能对比分析

3.3.5 非均匀截面热管强化传热特性分析

3.3.6 本节小结

3.4 不等径结构自激振荡流热管强化传热实验研究

3.4.1 实验研究方法及实验系统

3.4.2 实验研究结果分析

3.4.3 不等径结构热管强化传热特性分析

3.4.4 本节小结

3.5 纳米流体自激振荡流热管强化传热实验研究

3.5.1 Cu-H2O纳米流体的制备

3.5.2 实验研究方法及实验系统

3.5.3 不同工质及充液率下热传输性能的对比分析

3.5.4 充液率及纳米颗粒体积份额对热传输性能的影响

3.5.5 本节小结

3.6 加热位置对自激振荡流热管传热性能影响的实验研究

3.6.1 实验研究方法及实验系统

3.6.2 不同加热位置热管传热性能对比分析

3.6.3 本节小结

3.7 本章小结

第四章 自激振荡流热管理论模型的建立

4.1 概述

4.2 自激振荡流热管的理论基础

4.2.1 表面张力

4.2.2 接触角

4.3 自激振荡流热管现有的理论模型

4.4 自激振荡流热管理论模型的构建

4.4.1 基本思想

4.4.2 物理模型

4.4.3 数学模型

4.4.4 非均匀截面强化传热特性在理论模型中的体现

4.5 本章小结

第五章 理论计算结果对比分析

5.1 概述

5.2 自激振荡流热管传热特性理论计算分析

5.2.1 加热段流动沸腾传热特性计算分析

5.2.2 充液率对流动及传热特性影响计算分析

5.2.3 管径对流动及传热特性影响计算分析

5.3 自激振荡流热管振荡特性理论计算分析

5.3.1 冷热端温差对振荡特性影响计算分析

5.3.2 充液率对振荡特性影响计算分析

5.3.3 管径对振荡特性影响计算分析

5.4 非均匀截面自激振荡流热管传热特性理论计算分析

5.4.1 非均匀截面热管强化传热特性计算分析

5.4.2 非均匀截面热管振荡特性计算分析

5.5 本章小结

第六章 自激振荡流热管应用技术及前景展望

6.1 概述

6.2 自激振荡流热管应用技术需解决的关键问题

6.3 自激振荡流热管应用技术现状及前景展望

6.3.1 在建筑节能及太阳能热利用领域中的应用技术展望

6.3.2 在电子元器件散热领域中的应用技术展望

6.3.3 在低温余热回收领域中的应用技术展望

6.3.4 在其它领域中的应用技术展望

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作