中温铯热管启动与升温试验研究

为解决热管对中温热源的热传输难点,该研究研制了一种中温铯热管。该研究通过对金属铯作为中温热管工质优缺点进行了分析,确定了铯作为中温热管工质的可行性,研制了3根试验用中温铯热管。该研究利用热管启动与升温实验装置对3根不同规格中温铯热管开展了启动与升温试验。研究得到:铯热管能够在500 K附近进入正常工作状态,实现启动。铯热管蒸汽腔直径为17 mm时,热管启动温度为510 K;蒸汽腔直径为22 mm时,启动温度为495 K;蒸汽腔直径25 mm时,启动温度为485 K。对比试验验证了铯热管的启动温度随热管蒸汽腔直径的增大而降低。在500~700 K中温区间,中温铯热管轴向各点能够同步升温,具有良好的等温性。

热管冷却反应堆系统研究进展和挑战

热管是一种高效的非能动热量传递元件,热管冷却反应堆核动力系统在多场景特种应用领域具备独特优势。本文概述了热管冷却反应堆特种核动力系统发展情况。首先介绍了热管冷却反应堆概念提出以及在海陆空天等领域的应用场景分析,同时总结了国内外典型堆型的发展现状。其次探讨了当前热管冷却反应堆面临的关键技术挑战,包括高性能材料研究、高性能热管研制、高效能量转换技术研究、设计分析技术研究。最后对未来发展趋势进行了分析和展望,强调了整体系统一体化研制、发电器件特性研究以及智能自主控制技术在热管冷却反应堆领域的重要性。本文的系统性总结将推动热管冷却反应堆技术的进一步发展,为未来特种核动力系统的应用提供重要支持。

基于钎焊工艺的环路热管耦合系统设计及验证

随着航天技术的发展,航天器的功能集成度提升,对系统散热要求越来越高。环路热管作为一种两相态高效传热部件,具备远距离、逆重力、布局灵活等特点,常应用于单一热源下的定向热量传输;对于多点热源的复杂环境,环路热管系统稳定性差,一般很难适应。针对复杂空间热流下多点分散热源的散热需求,设计了一种基于钎焊工艺的环路热管强耦合热管理系统,对关键耦合参数进行了敏感性分析,并开展了相关试验,验证了界面低热阻、强耦合等关键技术的可行性,提升平台散热能力达52%。环路热管实现了在陆地探测四号01星载荷舱上的应用,为国际首次在平台系统的大规模应用,载荷舱散热能力由4 kW提升到6 kW,为大功率固态放大器提供0~20℃在轨温度环境。环路热管突破了在平台应用的约束限制,为后续环路热管的热耦合系统设计提供借鉴。

热管堆单根热管失效事故瞬态数值分析研究

热管冷却反应堆(热管堆)如果发生单根热管失效事故,可能会超过热管最大允许温度和功率并出现级联失效。本文以热管堆堆芯为研究对象,通过建立单根热管失效事故瞬态计算模型,利用ANSYS Mechanical APDL程序对不同工况单根热管失效事故进行了瞬态数值分析研究。结果表明:最恶劣工况是处于靠近外围热管失效的工况,基体最高温度为1314.16 K,芯块中心最高温度达到1352.49 K,热管最高工作温度为1149.84 K,均未超出容许工作温度限值,约123 s达到新的稳态;在最恶劣工况下,靠近中心的热管最高功率为83709.87 W,未超出热管传热极限范围,并能顺利达成新的稳态进行工作,不会有整体级联失效的风险。本文结果可为该堆型的设计提供热管失效事故的参考,并为堆芯结构设计奠定基础。

温差热电转换型空间热管冷却反应堆瞬态分析程序开发及验证

热管冷却反应堆采用固态堆芯设计、高温热管传热,具有结构简单、非能动、高可靠性等优点。为研究温差热电转换型空间热管冷却反应堆电源系统的瞬态特性,本文针对该型电源系统中最主要的系统(包括堆本体、高温热管、温差热电转换系统)建立了详细的数学物理模型,并开发了系统瞬态分析程序,其中堆本体模型基于OpenFOAM进行模块开发,耦合了点堆动力学模型和反应性反馈模型。通过文献和试验数据分别验证了高温热管及温差热电转换模型,结果与参考值符合较好,其中温差热电转换模块发电功率与试验值的相对偏差小于2.75%。采用该程序对KRUSTY进行了建模分析,开展了反应性引入、热电转换模块失效、负荷跟踪、主动冷却丧失工况下的瞬态分析,并与试验值进行了对比。结果表明,在上述瞬态工况下堆芯燃料表面温度与试验值的偏差小于4.1 K,程序计算结果与试验值符合较好。

一种简化的高温热管启动模型

热管堆具有体积小、结构紧凑、功率密度高和固有安全性好等优点,被认为是深空和深海任务中最有前途的候选之一。为了研究其启动特性,建立兼顾计算精度及求解效率的热管启动模型至关重要。本文在充分考虑吸液芯区工质的熔化及气液界面处的蒸发和冷凝现象的基础上,建立了基于二维导热的热管壁和吸液芯区热阻网络模型。对于蒸汽区,基于尘气模型(DGM),研究分析了两种不同模拟方式的求解精度和计算效率。通过对不同碱金属热管实验的模拟,验证了模型的准确性。结果表明,模型能较好地模拟高温热管的启动特性,简化的等效热阻模型具有更高的计算效率,其更适合于热管堆系统的启动特性模拟。

空间热管反应堆电源研究进展及展望

深空探测技术的发展对动力系统提出了更高的要求。传统的太阳能电源与化学电源的适用范围较小,环境适应能力不强,而微型核反应堆电源能量密度高,不依赖太阳光照,可应用于轨道运输、高轨探测多场景任务。在微型核反应堆电源技术路线中,热管冷却核反应堆电源因其系统设备极大简化、模块化设计,高可靠的全固态堆芯、非能动传热及瞬态响应迅速等特性,成为空间核反应堆电源最具可行性的路线之一。通过文献调研总结目前空间热管堆发展现状,从发展历史出发,梳理热管冷却核反应堆电源设计和理论研究,总结热管冷却核反应堆电源发展方向和关键技术。

平板热管式锂离子电池热管理系统仿真分析研究

锂离子电池是航空混合电推进系统的关键子系统,本文针对基于平板热管的航空锂离子电池热管理方案进行设计与性能评估。针对一款锂离子电池模组进行建模与验证,初步设计平板热管方案并进行仿真分析;在原方案基础上,对平板热管散热翅片进行结构优化设计并开展了实验验证,结果表明:优化后的方案可提高系统对流换热量。以优化后的平板热管为基础,结合航空器高空巡航工况的环境温度,平板热管换热性能将得到进一步提升:电池平均温度可降低10.6℃,降幅达18.83%。与水冷方案相比,平板热管优化方案散热能力与之相当,系统减重30%、能耗降低约63%。

基于平板热管的高温质子交换膜燃料电池堆启动特性

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)运行温度约160℃,较传统低温电池具有更佳的电化学反应动力学、更简单的水热管理和更高的CO耐受性等优势。但运行温度提高,如何实现HT-PEMFC的快速预热启动成为制约其应用推广的重要挑战之一。当前工作中,针对一个额定功率为500W的HT-PEMFC电堆,尝试利用一种平板热管(FHP)对该电堆进行预热启动。设计搭建了实验装置,从预热时间、温度分布、传热量分布等方面对这一方法进行评估。实验结果表明,提高加热功率可以显著缩短预热时间,500W时预热耗时3000s,1500W时则仅需980s;但同时也造成温度均匀性出现恶化,500W时竖直方向最大温差约28℃,1500W时该温差则达到了80℃。此外,水平方向的温差也随加热功率的提高而增加,且越靠近热源的区域越明显,最高达15.7℃,这无疑会加速质子交换膜的机械失效。实际中,应在不过多影响电池运行寿命的前提下,提高加热功率以缩短启动时间。

热管耦合相变材料全气候锂离子电池热管理系统性能分析

电池热管理系统(BTMS)是保障储能电池在不同工况下安全高效运行的重要方法。基于相变材料高潜热与热管高导热特性,设计了一种热管耦合相变材料的新型锂离子BTMS,该系统可实现全气候条件下电池保温与散热一体化。采用数值模拟对BTMS的保温与散热性能进行研究。在低温环境下,通过模拟电池放电过程和放电结束后电池温降过程,分析了保温层厚度和初始温度对保温性能的影响;在常温和高温环境下,基于相变材料、热管、双层冷却通道耦合手段提出了相应的散热方案,有效保障了锂离子电池在放电倍率0.5C~2.0C下的安全稳定运行。设计的BTMS可实现不同环境温度下的保温或散热需求,为实现全气候锂离子电池热管理技术提供理论参考。

电机散热中毛细芯热管等效导热系数演变规律实验研究

为推动毛细芯热管在电机中的应用并提供理论参考和数据支撑,本文通过实验研究了加热功率、运行角度以及风速对毛细芯热管等效导热系数的影响。结果表明,热管正常运行过程中,加热功率对热管等效导热系数影响不大。不同运行角度下的热管等效导热系数也存在一定的差异,在10 W加热功率下,等效导热系数的差异最高可达25%。当风速增大时,热管的等效导热系数呈现出减小的趋势,这种现象对高加热功率下的热管运行尤为明显。

质子交换膜燃料电池的平板热管传热性能

为探究平板热管在电堆中的传热性能,针对电堆中的传热条件设计平板热管的传热性能测试实验。结果表明:平板热管瞬态响应灵敏,响应时间在100—260 s之间;加热功率增加时平板热管的温差增加,等效热阻下降,5—15 W时处于启动阶段,40—50 W时等效热阻低于0.1℃/W,温差<5℃;冷却风速增加,平板热管的温差和等效热阻都有所上升;工作倾角对平板热管的性能影响显著,逆重力的工作条件将使平板热管的性能恶化,在50 W的加热功率、-90°工作倾角下平板热管的等效热阻约为90°时的3倍。

兼顾高/低温环境性能的动力电池热管理系统设计

热特性对电动汽车的性能有着重要的影响。低温环境严重影响锂电池的容量和寿命,而高温环境则可能导致热失控。为了保证锂电池在高低温环境下的安全高效运行,本研究提出一种兼顾高低温的热管理系统,通过保温材料和相变材料组合成的蓄热模块的灵活拆卸,实现对高低温天气下电池的散热和保温。使用Star CCM+软件进行建模和仿真。研究结果表明:动力电池在不同倍率放电后静置维持在0℃以上的时间最高达17 h,低温下静置与无热管理的情况下相比保温时长增加了约8倍,比单纯使用相变材料保温时长增加了近3倍,且验证了添加隔热层的必要性。在实际应用中表明停车后可直接启动,避免电动汽车频繁的预加热。在高温条件下拆掉蓄热模块使用风冷散热既节省了能源又进一步加强了该系统散热能力。以1C~3C倍率放电后,与未添加散热措施的电池组对比,添加热管理散热系统后电池组最高温度分别降低了34%、42%和48%,添加翅片后对电池的降温效果有明显作用,1C~3C放电倍率下最高温度比未添加翅片的电池组最高温度分别降低4.8%、5.4%、6.7%,放电倍率越高添加翅片的散热效果越明显。

飞秒激光选区微织构AlN超浸润平板热管

目的为了提升AlN基板的散热性能,研究嵌入式一体化AlN平板热管的激光加工方法。方法通过飞秒激光微织构技术结合热处理工艺制备出AlN亲疏水组合表面,并组装嵌入式一体化平板热管,测试其传热性能。通过三维表面轮廓仪、SEM、EDS和XPS分别分析表面的三维轮廓、形貌、元素含量和化学成分,研究表面亲、疏水的形成机理。结果楔形亲疏组合AlN平板热管的启动时间、启动温度均最低,相较于全超亲水样品,启动时间降低了14.9%,启动温度降低了6.0%。楔形亲疏组合热管的热阻最低,热流密度最高。相较于全亲水热管,热阻降低了33%,热流密度提升了2%。结论AlN陶瓷表面经过激光织构会产生AlOx(多价铝氧化物),具有较高的表面能,呈超亲水状态。热处理能使表面充分氧化,降低表面能,呈超疏水状态。嵌入一体化AlN平板热管的设计和无化学激光选区微织构方法,为电子陶瓷基板的散热提供了一种新思路。

全玻璃真空太阳集热管关键技术参数研究进展

全玻璃真空太阳集热管是太阳能热利用系统的重要组成部分,其性能参数的优劣直接影响到太阳能热利用系统的热性能、耐久可靠性和节能效果。文章从真空管基本结构和工作原理的介绍出发,对影响真空管性能的光学性能、热性能等关键技术参数及玻璃管材料、真空性能等其他技术要求的研究进展做了详细分析,并在长期从事科研和检测工作的基础上,给出了提升真空管的产品性能可从玻璃管生产优化、新涂层开发、真空性能加强、技术创新、先进设备开发、标准修订等方面的建议。

基于高低温分区热管网络的高轨通信卫星散热能力提升方法

针对我国高轨通信卫星不断提升的散热需求,提出采用基于高低温分区热管网络的热设计方法。在分析热管网络散热能力的基础上,进行设备分区布局设计、分区热管网络散热面设计和分区热管网络布局设计。该方法可在保证卫星仪器设备工作温度、不降低热设计可靠性、不增加分系统重量及功率需求的前提下,将卫星散热能力提升15%~20%。文章还结合近些年通信卫星研制中的经验和教训,归纳给出高低温分区热管网络设计中的注意事项,以期为相关工程设计提供有效指导。

波纹结构液氮脉动热管传热传质特性研究

低温热管换热器是天然气液化系统中的关键装置,液氮脉动热管作为其核心器件具有体积小、换热效率高等特性,可有效克服系统冻堵及设备紧凑等问题,然而开展相应实验难度较大,因此通过数值模拟方法研究其内部传热传质规律具有重要意义。首先,文章通过UDF(User-Defined Functions)编写自适应相变模型,研究了典型液氮脉动热管的传热传质特性。随后,在冷凝段优化设计了波纹结构,结合相态分布与轴线温度方差值,对比分析了充液率为50%情况三种液氮脉动热管传热传质特性,结2果表明5 mm波纹结构热管两侧方差值为51.49 K与99.22 K2,工质循环速率较快且轴线温度分布均匀。最后,研究了充液率分别为30%、50%与70%情况下5 mm波纹结构的脉动热管的传热性能。结合相态、温度及轴线温度分布分析得出充液率过高或过低均会导致热管内部产生液塞,充液率较高时,轴线温度均匀分布,热管充液率为70%时,综合性能最佳。

基于平板热管技术的电子器件热管理研究进展

随着电子器件不断趋于小型化和高度集成化发展,电子器件功率过高引发的散热问题亟待解决。平板热管由于具有均温性好、散热效率高等优势已为许多大功率电子元器件的散热问题提供了有效的热管理解决方案。但面对如今越来越多元化的散热需求,开发适应新型电子设备散热需求的高效平板热管仍是当前研究的热点。基于此,在对平板热管工作原理及结构特点进行阐述的基础上,对平板热管的传热性能、影响传热性能的因素(毛细芯结构、腔体厚度、工质、充液率、倾角和热源)、强化平板热管传热性能的措施(不同润湿性表面和支撑柱结构等)及其在小型化电子设备、IGBT晶体管、LED和电池组等电子器件散热应用等方面进行了系统性综述,指出研究不同毛细芯结构与腔体厚度下平板热管内部流动传热特性、散热性能强化的机制和综合优化方法,以及如何在不同电子器件热管理需求下设计出空间适应性强而散热性能高效的平板热管等仍是当前平板热管有待进一步突破的关键技术,将为平板热管在电子器件散热领域的进一步深入研究与优化提供一定参考。

航天器用钾热管传热性能的敏感性分析和优化

碱金属热管在空间核电源系统中具有重要应用,是航天器辐射散热器的重要组件。文章研究钾热管对充液率、吸液芯层数、吸液芯丝网目数及热负载功率的敏感性,并对上述多参数耦合下钾热管传热性能进行优化。分析结果表明:钾热管温差随充液率和吸液芯丝网目数的增加而降低,随吸液芯层数和热负载功率的增加而升高,且钾热管的整体温度和蒸气流速随热负载功率的增加分别升高和降低。钾热管性能对吸液芯层数和热负载功率敏感,优化得到最优参数组合为充液率1.0时7层350目吸液芯和712.475 W的热负载功率。文章采用的分析和优化方法对热管式辐射散热器的工程应用设计具有工程参考价值。

脉动热管太阳能集热器传热性能实验研究

以真空玻璃管为载体、石蜡为相变储热材料、脉动热管和铜管为传热元件,对比分析了充液率φ=50.0%的脉动热管太阳能集热器与铜管太阳能集热器在相同辐照度下的集热性能。研究结果表明,当辐照度大于0 W/m^(2)时,脉动热管太阳能集热器相比于铜管太阳能集热器管壁温度提高了40℃;相较于铜管太阳能集热器,热源温度越高,脉动热管太阳能集热器吸热能力越强,传热效果越好;在相同的辐照度下,相比于铜管太阳能集热器,脉动热管太阳能集热器内的石蜡达到熔点的时间缩短了13%;脉动热管太阳能集热器输出的热量比铜管太阳能集热器高0.5 kJ,随着辐照度的增强,热量差值将会更大;脉动热管蒸发段和冷凝段壁面与其相接触的传热工质会形成一种准平衡态,蒸发段与冷凝段的传热能力呈反比关系,当蒸发段传热能力下降时,冷凝段传热能力上升,保证了集热器的稳定运行。