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一种新型结构脉动热管性能研究

一种新型结构脉动热管性能研究

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作者：李德辉安徽建筑大学

学位级别：硕士

脉动热管作为一种两相被动传热装置较于传统型热管,其独特的结构特点和运行机制使得脉动热管先天具有结构简单、制作成本低和高效相变传热的突出优点,特别是在受限空间、高热通量等领域中具有广泛应用前景和潜力。近年来,研究人员通过... 详细信息

脉动热管作为一种两相被动传热装置较于传统型热管,其独特的结构特点和运行机制使得脉动热管先天具有结构简单、制作成本低和高效相变传热的突出优点,特别是在受限空间、高热通量等领域中具有广泛应用前景和潜力。近年来,研究人员通过可视化方法和实验研究发现影响脉动热管管内工质两相流状态及热管传热性能的因素总体上可划为分热管几何参数、运行参数以及工质的物性参数三个方面。目前,对提高热管传热性能多是在传统结构脉动热管基础上通过改良工质特性来完成。因此为了进一步提高脉动热管的运行及传热性能,本文提出了一种以低温制冷剂R410a作为填充工质且具有水平垂直立体结构的闭合回路型管式脉动热管,相较于传统管式PHP其较大面积蒸发段能增加与热源的接触面积,更高效的进行传热的同时也能够优化热管的启动阶段,且制作成本和难度低于板式脉动热管。脉动热管在不同应用领域,工作温度区间不同、蒸发段热源分布不同、动态运行环境不同。基于此,研究了不同蒸发段冷凝段温差、不同蒸发段热源、直线往复运动对该新型结构脉动热管传热性能的影响。综合本文的研究内容和结论主要有以下几点:(1)通过搭建该新型结构脉动热管传热性能实验系统,研究蒸发段在全加热模式下不同冷热段温差对热管性能的影响。热管启动时间随冷热段温差升高而降低,且在中高冷热段温差下启动时间相差不大;启动温度随冷热段温差变大而升高;达到稳态振荡时间随冷热段温差升高而降低;热管热阻随冷热段温差变大而升高。(2)全加热模式下,热管传热极限温差8℃下出现“干烧”现象,通过对比同一传热极限温差下的不同调温方式发现通过同时降低蒸发段和冷凝段温度能够改善“干烧”现象,即在高冷热段温差下向低于初始预设温度方向偏移会抑制“干烧”现象的出现;蒸发段对称性结构造成在温差8℃(b)的中部加热方式热管发生“干烧”,故该新型结构脉动热管在实际应用时要避免底部蒸发段热量沿对称轴分布的情况;两种动态布置方式均能一定程度提高热管传热性能,可以克服静态下PHP高冷热段温差的“干烧”现象出现。(3)非均匀加热方式分为两种:蒸发段半加热方式和蒸发段中部加热方式。两种非均匀加热方式下热管启动时间随冷热段温差变大而降低且高于全加热下热管启动时间。同温差下半加热方式PHP启动时间更低;启动温度随冷热段温差变大先升高后降低,同冷热段温差下启动温度相差不大但略高于全加热模式;达到稳态振荡时间随冷热段温差升高而降低,但都高于全加热模式下热管达到稳态振荡时间;两种非均匀加热方式的热阻随冷热段温差变大而升高且都高于同温差下全加热模式的热阻。(4)通过搭建该新型结构脉动热管动态传热性能实验系统,以全加热模式不同冷热段温差为典型研究热管沿X轴、Y轴两种不同布置方式下动态运行传热特性。结果表明;往复直线运行下两种布置方式热管启动时间较静态下会有不同程度上升,随动态频率F升高而升高,沿Y轴方式下热管启动时间更长。同动态频率,热管的启动时间总体随冷热段温差升高而降低,与全加热模式静态热管一样,但降低幅度更大;沿X轴方向布置时,同一动态频率下达稳态振荡时间在随冷热段温差升高先下降后升高,沿Y轴方向布置与之相反为先升高后下降;动态下两种布置方式热管启动温度均低于或维持静态下启动温度;动态运行工况下的热管热阻均低于或持平静态下热管热阻。图[46]表[5]参[80]

关键词：脉动热管热管结构冷热段温差非均匀热源往复直线运动

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气流—喷动床中热管辅助传热的干燥研究

气流—喷动床中热管辅助传热的干燥研究

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作者：董瑞庭大连理工大学

学位级别：硕士

我国油页岩储量丰富,油页岩作为石油替代能源物质在未来具有较大的应用潜力,对油页岩的高效开发利用具有重大战略意义。由于油页岩含水率较大,不利于对其规模化开发利用,所以对油页岩脱水预处理成为当前关注的焦点。本文在传统气流-喷... 详细信息

我国油页岩储量丰富,油页岩作为石油替代能源物质在未来具有较大的应用潜力,对油页岩的高效开发利用具有重大战略意义。由于油页岩含水率较大,不利于对其规模化开发利用,所以对油页岩脱水预处理成为当前关注的焦点。本文在传统气流-喷动床组合干燥的基础上提出将热管结构加入到设备中,开发了气流-喷动床热管辅助传热干燥设备。借助喷动气体和热管结构的联合作用,实现对喷动床环隙区物料流动与干燥的强化。本文从实验和模拟两个方面对热管辅助的气流-喷动床内部的流体动力学特性和干燥特性进行了研究。流体动力学特性实验结果表明,热管辅助的气流-喷动床相比传统气流-喷动床压降减小。热管辅助对于低床层影响较大,多热管条件下不能够形成传统喷动床稳定规律。增加热管数量使最大喷动压降和最小喷动速度减小。加入12根及以下热管时压降突变均表现为压降二次变大,但变大幅度逐渐减弱,且压降突变的转变气速值在逐渐增大。当热管数量大于12根时,压降突变转变为二次减小,喷动变得较不稳定。热管数量为12时的床层压降较小且稳定,有利于喷动床操作。床层较低时无压降突变,气速较大时压降逐渐减小。不同床层下小粒径颗粒未出现明显的压降二次突变。不同进气方式下最大喷动压降相差280Pa。间歇比连续进料时最大喷动压降增大17.6%,表观气速0.88m/s是两种进料方式下的流型变化点。数值模拟流体动力学特性结果表明,热管影响了颗粒在流场中的循环现象,喷泉区颗粒进入环隙区时颗粒速度较大。热管壁面条件对于流场有较大影响,壁面滑移系数的增加使喷射区直径增大,环隙区颗粒速度变化明显。颗粒间弹性恢复系数对床内固相的垂直分布有显著影响,颗粒拟温度随恢复系数的增大而增加。颗粒与壁面碰撞恢复系数对于环隙区颗粒速度有显著影响,随着恢复系数的增大,颗粒拟温度在增大。干燥特性实验结果表明,热管辅助提高了油页岩脱水效率。12根热管比无热管干燥时间缩短约14.29%,水分脱除率提升约4.25%。床层高度、气体温度、颗粒粒径对油页岩干燥的影响较大,而气体速度和初始含湿量的影响相对较小。在连续跨域循环操作下,装置无热管条件干燥所有物料需要约90分钟,相同条件下热管辅助干燥时间缩短约11.11%。

关键词：油页岩热管结构气流-喷动床流动干燥 CFD

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氟代醚平板脉动热管运行特性研究

氟代醚平板脉动热管运行特性研究

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作者：李晓娜北京建筑大学

学位级别：硕士

脉动热管(Pulsating heat pipe,PHP)作为一种新型高效传热元件,不仅适用于小型化、集成化芯片高热流密度散热应用,在核能、太阳能及空间领域也具有一定应用潜力。而工质及热管结构对脉动热管的工作温度区间及热质传递规律起决定性影响... 详细信息

脉动热管(Pulsating heat pipe,PHP)作为一种新型高效传热元件,不仅适用于小型化、集成化芯片高热流密度散热应用,在核能、太阳能及空间领域也具有一定应用潜力。而工质及热管结构对脉动热管的工作温度区间及热质传递规律起决定性影响。氟代醚作为一类新型环保工质,主要应用于电子器件冷却领域,其在脉动热管中应用研究较为初步。搭建了可视化平板脉动热管运行特性实验台,以氟代醚(HFE-7100、HFE-7200、HFE-7300、HFE-7500)及其二元混合物(7100:7500)为工质,实验研究了结构(长度及管形)及加热、冷却条件对脉动热管运行特性的影响规律;基于氟代醚脉动热管传热传质特性,提出了重力型脉动热管,并对其进行了可视化实验研究。主要结论如下:(1)氟代醚及其混合工质的低黏度及低表面张力特性适用于脉动热管,传热性能良好。基于脉动热管启动及稳定运行的工作特性分析,发现沸点是影响氟代醚工质脉动热管传热特性的首要原因:工质沸点越高,启动时所需热流密度越大,最佳工作温度区间更宽;极限热流密度更大,在热流密度高且变化时,温度波动小,运行稳定。对于氟代醚HFE-7100、HFE-7500混合工质,小比例的高沸点HFE-7500(4:1)即可明显提高启动功率(由10W延迟至30W),7100:7500为2:1混合比例时脉动热管具有最佳传热性能。(2)在不同结构脉动热管中,氟代醚工质表现出不同工作运行特性。当脉动热管通道较长,工质流动受管道阻力影响,气泡易破裂,降低了循环推动力,工质流动速度慢,传热性能下降;当减小脉动热管长度,传热性能明显提升。脉动热管管道断面形状影响了工质与内壁面的接触,方形通道的直角结构可使毛细吸附力增强,在角部形成液膜,减小流动阻力,工质的循环动力增大,对气泡的成长较为有利。(3)重力脉动热管随加热功率的增加经历三个运行阶段,空腔内进行典型的池沸腾过程。并依次经历了低加热功率稳态运行(70-130W)、过渡阶段(150-170W)和高加热功率稳态运行(190-230W)阶段。低加热功率与常规脉动热管运行特性相似;在过渡运行阶段,蒸发段与绝热段之间的临界面下形成稳定液膜,降低了脉动热管运行稳定性,温度波动较大;在高加热功率下,蒸发段独特的空腔结构可以强化重力效应,液膜逐渐消失,冷凝段工质大量回流到蒸发段,有效避免了“烧干”的出现,提高了脉动热管传热极限,重新实现良好传热性能和稳定运行。(4)加热功率与冷却水共同作用于脉动热管,可使其传热性能处于不同的最佳运行温度区间。低加热功率时,冷却水温度越高,管内热量积累越快,越容易启动;中等加热功率时,高冷却水温度与加热功率的综合作用有利于脉动热管传热;高加热功率时,冷却水温度的影响明显减小,加热功率处于主导作用。对于重力脉动热管,冷却水温度的升高会明显减少过渡阶段持续时间和极限加热功率,对低加热功率及高加热功率稳态运行阶段传热特性影响相对较小。

关键词：脉动热管氟代醚热管结构冷却水温度运行特性

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