振蕩流熱管傳熱極限實驗研究-徐文進

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1、傳熱傳質(zhì)學(xué)編號：143577小國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文振蕩流熱管傳熱極限實驗研究徐文進1,冼海珍1,唐小峰1,杜小澤11華北電力大學(xué)教育部“電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制”巫點實驗室，北京102206：(Tel:010-80798627,Email:xhz@ncepu.edu.cn)摘要：對振蕩流熱管的傳熱極限的研究有益于了解其在高熱負荷下的失效特性，分析其適用范圍，增強其運行的可靠性。在制作了紫銅閉環(huán)式振蕩流熱管基礎(chǔ)上，實驗研究不同傾斜角度與不同工質(zhì)對振蕩流熱管傳熱極限的影響，分析傳熱極限形成機理，揭示振蕩流熱管傳熱極限特性。結(jié)果表明：振蕩流熱管蒸發(fā)段蒸干

2、導(dǎo)致其出現(xiàn)傳熱極限，TL由局部達到傳熱極限，再整體達到傳熱極限。振蕩流熱管達到傳熱極限時的極限加熱功率、軸向熱流密度均隨著傾角的增加而增人。相同角度下，0.3%戊醇-水溶液的傳熱極限明顯高于水為工質(zhì)的振蕩流熱管。這是因0.3%戊醇?水溶液獨特的自濕潤作用，促進低溫液體流向高溫處，延緩了蒸干。關(guān)鍵詞:振蕩流熱管；傳熱極限；極限加熱功率；蒸干；0前言現(xiàn)代電子產(chǎn)品正不斷朝著小型化、片式化、復(fù)合化、多功能化飛速發(fā)展。與此同時，各類電子設(shè)備能量密度不斷提高，帶來了嚴峻的散熱問題。例如intel公司發(fā)布的新型電腦芯片，僅數(shù)平方厘米的表面積，耗電量就超過300W,熱流

3、密度高達100W/ci『［1］。在如此大的熱流密度下，為了滿足電腦芯片對運行溫度的苛刻要求，保證其運行的安全性，可靠性和節(jié)能性，高效微型的散熱設(shè)備至關(guān)重要。熱管作為一種被動傳熱元件，以其高效的傳熱性能已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域,如航空航天，筆記本電腦。其中，振蕩流熱管(OHPorPHP)是由日本學(xué)者H.Akachi［2］于上世紀90年代提出，該熱管由毛細管彎曲成蛇形，抽真空并部分充液后制成。相比傳統(tǒng)熱管，其不僅傳熱高效，而且結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，可微型化，成本低廉，無毛細極限。已在相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如混合動力汽車，燃料電池，鋼絲管式換熱器等［3-7］0雖然

4、振蕩流熱管具有優(yōu)異的傳熱性能，但是其傳遞的熱量并不能無限增加，其與傳統(tǒng)熱管一樣具有傳熱極限。但是，有別于傳統(tǒng)熱管在傳熱過程中體現(xiàn)出的沸騰極限、毛細極限、粘性極限、聲速極限和攜帶極限等，振蕩流熱管因無毛細結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部工質(zhì)具有獨特的兩相熱動力振蕩特性，綜合了對流換熱與相變換熱，使其傳熱極限與傳統(tǒng)熱管截然不同。對振蕩流熱管的傳熱極限的研究有益于了解英在高熱負荷下的失效特性，增強英運行的可靠性。因此針對振蕩流熱管的傳熱極限，許多學(xué)者進行了深入研究。其中，KhandekarfS］實驗研究了不同工質(zhì)的振蕩流熱管水平放置與垂直放置時的有效工作范圉。Katpradit［

5、9］針對封閉式振蕩流熱管，實驗研究了不同工質(zhì)，管徑，加熱段長度以及彎頭數(shù)對振蕩流熱管傳熱極限的影響。并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別針對水平放置和垂直放置的振蕩流熱管提出經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。KammuangflO］結(jié)合傳熱性能實驗和可視化實驗研究，發(fā)現(xiàn)振蕩流熱管的最大熱流密度隨管徑和彎頭數(shù)的提高而提高。且振蕩流熱管達到最大熱流密度是因為蒸發(fā)段液膜出現(xiàn)蒸干。Yang［11］等以R123為工質(zhì)，實驗研究發(fā)現(xiàn)振蕩流熱管達到傳熱極限的特征為：蒸發(fā)段因過熱度太大而岀現(xiàn)蒸干。Cui［12］等同樣實驗研究發(fā)現(xiàn)隨著加熱功率的提高，振蕩流熱管的傳熱性能一定會有一個極限限制，且該極限與熱管結(jié)構(gòu)傾

6、角有關(guān)，而與工質(zhì)和充液率無關(guān)。Cui指出因管內(nèi)汽液柱塞分布不均勻，導(dǎo)致不同管間蒸發(fā)段傳熱不均而出現(xiàn)局部周期性蒸干。綜上所述，目前針對振蕩流熱管傳熱極限的研究還較少。已有研究雖然給出了振蕩流熱管傳熱與一些參數(shù)的關(guān)系，但還不全面。沒有對振蕩流熱管傳熱極限的清晰定義，以及對蒸干現(xiàn)象的合理解釋。為了豐富對振蕩流熱管傳熱極限與不同參數(shù)關(guān)系的研究，清晰的界定振蕩流熱管傳熱極限及其物理現(xiàn)象，本文制作了閉環(huán)式振蕩流熱管，實驗研究不同傾斜角度與不同工質(zhì)對振蕩流熱管傳熱極限的影響，明晰振蕩流熱管達到傳熱極限時的物理現(xiàn)象，并分析傳熱極限形成機理，揭示振蕩流熱管傳熱極限特性。本

7、文的研究結(jié)果將為合理的選擇振蕩流熱管工作范圍，以及提高其傳熱極限提供思路。1實驗系統(tǒng)簡介圖1為平板式振蕩流熱管試驗系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由平板式振蕩流熱管，加熱系統(tǒng)，恒溫冷卻系統(tǒng)，溫度測量系統(tǒng)等組成。平板式振蕩流熱管由外徑5mm、內(nèi)徑3mm、總＜度6140mm的紫銅管彎曲加工而成,共有彎頭10個，直管段10個。熱管整體長度為600mm3其中蒸發(fā)段，絕熱段，冷凝段分別為200mm,如圖所示。振蕩流熱管左右兩側(cè)分別留有進出口，以便抽真空和灌液。振蕩流熱管蒸發(fā)段均勻纏繞冇加熱帶，并與穩(wěn)壓交流電源相接，通過調(diào)節(jié)輸入電壓控制加熱功率。冷凝段置于冷卻水箱中，并rtlLa

8、ude恒溫水浴提供冷卻水，流量為20升/小時，水溫為20°C(±0.5)o為保證