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。

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。

脉动热管温度信号的小波分析及流型识别

脉动热管中的温度波动信号具有较复杂的瞬态波动特征,采用连续小波变换方法可以较好地分析此类信号特征。采用全玻璃脉动热管,在可视化实验基础上,应用小波分析方法,重点研究PHP温度振荡信号及流型识别。结果表明,采集频率、管壁材料以及热通量等会影响温度信号的主频值。当热通量较高(q=2.65~3.18 W/cm^(2))时,1 Hz的采集频率容易导致信号失真,应采用10 Hz及以上的采集频率。玻璃管的热惰性会导致温度信号失真,尤其在高热通量(q=2.65~3.18 W/cm^(2))时不可忽略。总体来看,随着热通量的增加,蒸发温度波动幅度减小、频率增加。当热通量从0.35 W/cm^(2)增加到3.18 W/cm^(2),流体温度信号的主频值从0.02 Hz增加到3.88 Hz。相应地,管内流型由弹状流逐渐向环状流转变,并出现单向大循环流。由管内流体温度信号求得的主频值可推广至铜管或其他金属材料的脉动热管,有助于识别其内部流型及流态变化,更好地理解其传热特性。

基于电池冷却用新型脉动热管性能的实验研究

提出一种电池冷却用C形脉动热管(pulsating heat pipe,PHP),具有较好的散热性和包裹特性。选择甲醇、丙酮、去离子水、乙醇和甲醇-丙酮混合物为PHP工质,实验研究了不同加热功率和充液率(filling rate,FR)工况下PHP的性能。结果表明,FR过高或过低均不利于C形PHP稳定运行,实际应用中需综合考虑热阻、传热极限等指标,选取合适的FR。实验研究范围内,C形PHP最佳FR在45%左右。综合考虑蒸发温度与热阻,甲醇-丙酮混合物C形PHP具备更好的性能,能够满足第二代Mirai电池冷却需求,可将其表面温度控制在84℃以下,允许的电池最大体积功率密度为6 kW/L。依据应用场合选择工质和布置方式后,PHP能保证受控对象的安全运行。相关结论为电池热控制系统设计提供了重要的参考和借鉴。

常温闭环脉动热管性能影响因素研究综述

常温闭环脉动热管依靠工质在管内脉动和相变传热,具有传热效率高、结构简单、成本低等优点,广泛应用于电子元件散热。将影响脉动热管启动和传热性能的因素分为3类展开综述:结构参数、操作参数和工质物性参数。首先对结构参数中管径、截面形状、弯头数以及各段长度比等因素的研究进行总结,其次分析操作参数中加热功率、倾斜角度和充液率的影响,最后将工质物性参数分为影响流动和传热两方面进行归纳。为提升脉动热管启动和传热性能,未来需对临界弯头数开展深入研究;为适应小倾角和负角度工况,需要提升热管抗重力性能;为描述工质物性对热管性能的影响,需构建物性参数综合评价指标。

CTAB水溶液浓度对脉动热管传热性能的影响

为了研究十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对脉动热管(PHP)传热性能的影响,搭建一个铜制PHP实验装置平台,探究不同质量分数(0~0.072%)的CTAB水溶液对PHP的传热性能的影响,实验充液率为50%。结果显示:向水中添加CTAB可以改善PHP内部液塞的脉动频率及传热性能。PHP的传热热阻与加热功率和CTAB的浓度有关,随着加热功率和CTAB浓度的增加而减小。加热功率为20 W时,与纯水PHP相比,质量分数为0.072%的CTAB水溶液具有最大的强化作用率(31.6%);加热功率达到90 W后,向水中添加CTAB对PHP传热的强化作用相对较弱。研究表明,CTAB可以改善PHP的传热性能,并增加其传热效率。

特斯拉阀型脉动热管传热特性数值研究

基于VOF模型,将D型特斯拉阀分别设置于脉动热管的蒸发段、冷凝段、绝热段位置,对单回路特斯拉阀型脉动热管的传热特性进行数值模拟,研究特斯拉阀的位置对启动时间、运行温度、传热热阻的影响规律。结果表明:特斯拉阀的单向导通性能够有效促进工质流动循环,特斯拉阀位于蒸发段及绝热段的启动时间优于普通脉动热管,在加热功率为2 W时,特斯拉阀位于蒸发段的脉动热管启动时间最短,加热功率>2 W时,特斯拉阀位于绝热段的脉动热管启动时间最短。相较普通脉动热管,特斯拉阀位于绝热段与蒸发段的脉动热管的热阻降低10%—18%。研究可为新型管路结构脉动热管内的气液两相流动及传热机理提供理论支持。

L形脉动热管电池包的传热性能数值研究

随着化石能源逐渐枯竭,新能源汽车成为主流交通工具.其核心部件——锂电池因其发热特性使汽车安全性难以保障.研究汽车锂电池热管理问题最终要解决电池包温度问题,对锂电池工作原理、发热机理进行模拟研究,通过传热学、流体力学等知识对锂电池建模.在ANSYS17.2中进行单体电池的网格划分及仿真分析,在1~3C的放电倍率下对L形脉动热管电池包的传热性能进行数值分析.结果表明,发热率随着C-rate的增加而增大,且电池环境温度的升高也会导致发热量的增加.其发热率范围为10~30 W.结果显示,通过对L型热管和板式锂离子电池构成的电池包进行仿真计算,在25℃冷却水条件和1~3C的电流条件下,电池包的平均温度保持在50℃以下,最高温度55℃,能够充分保证电池的正常工作温度.与其他散热方式相比,L形脉动热管在电池热管理系统中的散热性能最好.

纯电动汽车动力电池脉动热管加热技术的试验

为保证动力电池在低温下的使用性能,制备了以蒸馏水、乙醇为基液的纳米二氧化钛(TiO_(2))流体作为动力电池加热元件脉动热管(pulsating heat pipe, PHP)的工质,并进行了低温环境下动力电池相关加热性能的试验研究.结果表明:乙醇相比于蒸馏水在低温条件下性能更佳,当添加体积分数为2%的纳米TiO_(2)流体,热管充液率为50%时,PHP加热性能显著提高,可获得最佳低温性能的PHP;最优工质配比的乙醇-二氧化钛纳米流体脉动热管(TiO_(2)-PHP)在低温环境的充/放电工作模式下,其电池容量最高可达62.91 A·h;在-30℃极寒环境下,将所设计热管作为加热元件加热电动汽车动力电池,可实现由原来的无法放电到放出61.56 A·h的提升,所设计的TiO_(2)-PHP加热、导热有效.

非对称微通道平板脉动热管的变工况实验研究

为解决小型化电子器件的高效散热和脉动热管难于水平运行的问题,文中设计了非对称微通道平板脉动热管(NCPHP)并搭建了其传热性能实验平台。在非对称通道的结构设计下,通过控制不同倾角、充液率和冷却水温度的方法,探究了NCPHP的运行特性。结果表明:在30%及50%充液率下,NCPHP的热阻对倾角的变化较为敏感,30%充液率下NCPHP发生了烧干现象,50%充液率下NCPHP可以在倾角为-5°和0°时达到较低的热阻值,分别为0.622和0.545 K/W;NCPHP的最小热阻值出现在60°倾角和50%充液率条件下,为0.415 K/W;在-5°倾角和50%充液率下,加热功率达到40 W时,NCPHP的蒸发段温度出现短时间内持续升高的现象,而加热功率为50 W时此现象消失并转变为平稳波动的脉动特性;不同冷却水温度对稳态阶段NCPHP蒸发段平均温差的影响,随着加热功率的升高而降低;50%充液率下,NCPHP蒸发段温差从30 W时的5.1℃下降到60 W时的4.2℃;较低的冷却水温度能够延缓30%充液率下NCPHP烧干现象的发生。

超薄交替变径通道平板脉动热管的传热特性

采用印刷电路工艺,设计制作了厚度为1.00 mm的铜基平板脉动热管.宽度分别为1.00和2.20 mm的通道在平板脉动热管内交替排布,宽通道底部为刻蚀有平行微槽的阵列结构.以HFE-7100为工质,在充液率为30%~50%条件下,对有、无微槽结构的交替变径通道平板脉动热管的启动和传热性能开展比较研究.研究结果表明:平板脉动热管在水平和竖直放置时均可以正常启动,且实现稳定运行,引入微槽结构可以显著改善脉动热管的启动和传热性能,降低蒸发段温度,并增强其抗重力性能;在加热功率为24 W、充液率为30%条件下,超薄脉动热管分别呈水平和竖直放置时,其等效导热系数可分别达到1241和1226 W/(m·℃),比无微槽脉动热管分别提高25.6%和18.7%,能够较好满足部分芯片器件散热冷却的需要.

脉动热管换热器传热性能试验研究

随着全球能源需求量的增加,能源的利用和回收显得尤为重要。针对市场上一些换热器存在成本高、换热效率较低等问题,将脉动热管与翅片相结合,对管内工质为充液率φ=50%无水乙醇的脉动热管换热器进行了试验研究,对比分析了脉动热管换热器在不同恒温水浴温度下的传热性能。试验结果表明:随着热源温度的升高,管内工质振荡效果越来越明显,振荡频率越来越快,脉动热管内热阻呈现先升高后减小的趋势,在热源温度为50℃时达到最高值,随后工质运行阻力减小,管内工质逐渐趋于稳定循环脉动,脉动热管的传热性能得到强化;热源温度越高,脉动热管的启动时间越短,使换热器能够迅速启动进行换热,热源80℃时脉动热管换热器换热效率达到54%。

冷却温度对平板脉动热管传热特性影响的试验研究

为了探究冷却温度与脉动热管传热性能的关系,以氟代醚HFE-7100,HFE-7300和HFE-7500为工质,改变冷却水浴温度及加热功率,试验研究了加热功率与冷却温度对脉动热管传热的综合影响。结果显示,沸点更低的HFE-7100及HFE-7300脉动热管在30~50 W成功启动,适用于低加热功率,而沸点更高的HFE-7500适用于高加热功率(110~170 W);当给定加热功率或冷却温度时,分别存在一个最佳冷却温度或加热功率使得脉动热管传热性能最优,因此应根据脉动热管的加热功率及运行温度区间合理选择工质。氟代醚脉动热管受冷却温度的影响较大,高冷却温度下过渡时间明显增加;受沸点影响,HFE-7500过渡时间变化相对较小。高加热功率下,冷却温度对脉动热管的影响减小,过渡时间也减少。低加热功率配合较高冷却温度及高加热功率配合较低冷却温度均可使脉动热管达到最佳运行状态,不同的是低加热功率下脉动热管的最佳运行区间较小,高加热功率下最佳运行区间增大。

单回路液氦脉动热管气液两相流数值模拟

为了探究液氦脉动热管的传热机理,建立了单回路液氦脉动热管的二维数值模型。基于多相流VOF(Volume of Fluid)方法对该模型进行了数值求解,模拟了该液氦脉动热管的初始状态以及运行状态。其中初始状态为气液交替分布的饱和静止状态。运行状态为方向变化的脉动流动状态,流型为塞状流。分析了液氦脉动热管的流动与传热特性。

氧化石墨烯还原前后对脉动热管传热的影响

工业生产中主要通过化学方法将GO(氧化石墨烯)还原,制备RGO(还原氧化石墨烯)。文中将GO及RGO应用于PHP(脉动热管),分析比较它们的结构及热物性,及其对PHP启动和传热的影响。采用闭式3回路铜制PHP,垂直强制风冷散热,蒸发段电加热功率范围10—105 W。PHP充液率约50%,GO及RGO纳米流体质量分数均为0.05%。研究表明:在水中添加GO及RGO有助于改善PHP的启动及传热。加热功率为20 W时,GO及RGO纳米流体的强化作用率分别为37.4%和16.7%。随着加热功率的增加,强化作用有所下降。对于RGO纳米流体,当加热功率为105 W时,强化作用基本消失。与RGO相比,GO纳米流体的强化作用更大。主要归因于GO纳米流体湿润性、分散性及稳定性较好,表面张力及黏度较小。

R-134a脉动热管相变蓄放热实验研究

为研究低温工质对脉动热管相变蓄热器的影响,搭建了脉动热管相变蓄放热试验台。实验选用的低温工质为R-134a,相变材料为石蜡,蓄热器由一组自主设计的脉动热管组成。实验结果表明,采用R-134a作为工质能够实现脉动热管蓄热器的正常蓄热和放热。在蓄热过程中,加热功率的增加会减少蓄热时间,但同时也会增加蓄热器内的最大温差;在放热过程中,冷却水温度的降低会减少石蜡的凝固时间,当水温由20℃变为5℃,石蜡的凝固时间缩短了34.8%。冷却水流量的增加也会减少石蜡的凝固时间,水流量由10 L/h变为40 L/h,凝固时间缩短了9.5%。在约3h的放热实验后,相变材料的温度与室温接近。

脉动热管计算流体力学模型与研究进展

脉动热管利用工质的潜热和显热实现高效的热传递,过程中伴随气液塞强烈的往复振荡,流动与传热现象极其复杂。利用计算流体力学模拟可以获得管内气液界面形态、流型转换及振荡压降等重要信息。本文对公开发表的相关研究进行了综述,介绍各个模型的主要公式、数值模拟的求解方法、优势和现有的局限性,总结现有模拟研究开展的主要工作和结论。通过分析发现了目前存在的问题:相变模型中蒸发、冷凝系数的确定仍未有明确的理论依据;二维模型中管径的确定方法还未形成共识;将气-液-固三相流动的颗粒流体简化为均质流体。基于上述问题,本文提出了利用计算流体力学模拟脉动热管后续的研究方向。

不同冷凝段温度下液氮脉动热管可视化实验研究

脉动热管作为一种高效换热元件,能够在低温制冷机的冷量传输过程中发挥重要作用。对脉动热管内流型的可视化研究能够全面掌握工质的流动与传热机理,但由于低温环境可视化实验的复杂性,目前从实验中获得的低温脉动热管流型特性是稀缺数据。通过搭建低温脉动热管可视化实验台,采用制冷机作为冷源,系统地研究了以氮为工质时冷凝段温度对装置传热性能的影响。结果表明,充液率较低时,冷凝段温度越高,启动所需的热负荷越低,但易出现干涸现象;中等充液率工况下在冷凝段温度较低时由于流道未全部启动,热阻会升高,全局运行后热阻降低稳定;高充液率下气液运动稳定,随着热负荷增大,热阻下降后保持不变;各充液率下冷凝段温度的升高皆有利于脉动热管全局运行,并获得更低的热阻。

微乳液脉动热管应用于锂离子电池的散热性能

利用11弯管的脉动热管作为汽车锂离子电池的散热系统进行传热实验。在脉动热管中引入不同比例的混合工质[H_(2)O、全氟丁基甲基醚(HFE-7100)],在模拟单体锂离子电池不同发热功率下展开传热实验,实验结果表明,微乳液工质可以有效避免高发热功率下脉动热管出现局部烧干的现象,防止电池表面温度过高发生热失控。使用水包油(O/W)型微乳液工质(0.048%SDBS∶HFE-7100=1∶1)时传热性能最理想,并且可以保证锂离子单体电池正常工作(20~30W)时,温度不超过40℃,表面温差低于1.8℃,在单体电池高发热功率(40~50W)时,电池局部温度不超过56℃,电池表面的平均温度不超过55℃。

升降热流条件下的脉动热管性能

作为一种高效的传热元件,脉动热管由于其结构柔韧性,在微小空间和复杂形状中的热管理和设备散热中具有广泛的应用。脉动热管的热性能对于设备效率和安全性有重要的影响,而操作条件和运行模式对热管性能的改善有显著作用。本文针对脉动热管在升降热流条件下的性能进行实验测试,采用水为工质,30%~40%充液率,结果表明,热管在低热流、弱冷却条件下易于遭受启动失败和热失控的风险;在升降热流条件下,脉动热管的热阻在启动前后的变化趋势存在反向规律。由于热管在启动前后的工质状态不同,热流升降对于工质状态变化的影响受限于热惰性和迟滞现象,继而导致热阻变化规律的差异。热管负荷相同,若热管未启动,上升段热阻低于下降段;当热管启动运行时,下降段热阻低于上升段;热管负荷越远离启动临界值,升降热流条件下的热阻差异越小。相较于低充液率,热管在高充液率时的热阻反向规律更显著;热管在自然冷却时的热阻反向规律更显著于强制冷却。