乙醇工质脉动热管传热性能试验研究文献综述

 2021-10-13 07:10

毕业论文课题相关文献综述

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文 献 综 述

一、课题研究的背景及意义

1.1 脉动热管的背景

随着电子行业的不断发展,集成度越来越高,功率也越来越大,传统的换热设备已经无法满足要求,这迫切需要小型的、强散热能力的新型传热设备。脉动热管具有很强的换热能力,是高效能换热设备的一个重要发展方向[1]。电子装置(含微电子和光电子装置)是由大量的电子元件组成。热量主要来自那些具有载流的元器件,如变压器、集成电路、大功率晶体管、发光器件、扼流圈、大功率电阻等。它们产生的热量大部分以热传导、对流和辐射换热的形式散发到周围介质中,只有小部分以电磁波形式散出。随着电子工业的发展,元器件总数量的增加和集成密度的增加,致使功耗密度不断的增大,电子元器件的散热问题已经成为电子工业持续快速发展的瓶颈问题,急需微型高效的传热技术为其发展铺平道路。

此外,现在计算机主板芯片的散热,尤其是笔记本芯片的散热,也逐渐成为一个研究的热点。随着芯片速度的增高,芯片功率也随着不断增加。以笔记本电脑为例,电子器件的散热就显得非常重要。结合笔记本电脑的工作温度(要求在室温35℃状况)和CPU内部温度(不得超过100℃),脉动热管是一个较好的选择。而且脉动热管在散热上有很大的优点,还有弯曲随意、冲液简单、成本低等特点。这些特点使其在今天电子器件和设备的领域中有着很大的优势。目前脉动热管已经有很多实际应用。

1.2 脉动热管简介

脉动热管[2]是20世纪90年代提出的新型热管由日本的Akachi最早提出,是极具潜力的电子器件冷却器。与传统热管相比,其最大的特点是结构简单无芯,形状可以任意弯曲,当量传热系数大,体积小。脉动热管是最有希望的高热流密度,小型化和低成本的传热元件。

脉动热管的管径很小(内径一般在0.53mm2)它是由金属毛细管弯曲成蛇形结构,弯头一端为加热端,另一端为冷却端,在中间可根据需要布置绝热段。内部抽成真空,充注一部分工作液体,工作液体在表面张力的作用下在管内形成长度不一的液柱和气塞。其工质液体一般为水、甲醇、乙醇、氟利昂等。一般可分为开式回路和闭式回路两种结构。

(1) 闭式回路 (2)开式回路

图1 脉动热管结构示意图

脉动热管的工作原理[3]是:将管内抽成真空后冲注部分工作介质(如水、丙酮等),由于管径足够小,故管内将形成气塞和液塞间隔布置并呈随机分布的状态。在蒸发端,工质吸热产生气泡,迅速膨胀和升压,推动工质流向低温冷凝端。而在冷凝端,气泡冷却收缩并破裂,压力下降。所以,由于两端存在压差以及相邻管子间压力的不平衡,使得工质在郑发端和冷凝端之间震荡流动,从而实现热量的传递。在整个过程中,无需消耗外部机械功和电功,完全是热驱动下的自我震荡。

1.3 脉动热管的优点

与传统的热管相比较,脉动热管主要有以下特点:

(1)结构简单,成本低,体积小。小管径决定了整体尺寸大小,减小了热管结构复杂性和生产成本;动力来自热管本身,无需其他设备,降低了运行和维护成本。

(2)传热性能优异。脉动热管虽然也有传热极限,但在合适的充液率下,其热流密度可以很大而不会烧干。

(3)加热方式多样化。脉动热管可以用于定能加热方式,并且在一定的条件下,顶加热与底加热时传热性能差异不大。

(4)适应性能强。脉动热管的形状可以随意弯曲,而且加热和冷却的部位可以任意选取;可以在任意倾角度和加热方式下工作,这就极大增加了它的适应性,扩大了应用领域的可能性。

二、脉动热管的国内外现状

2.1 理论现状

脉动热管是Akachi[4]于上个世纪90 年代初提出的一种新型热管, 其运行原理和传热特性与传统热管有很大的不同。作为近年来新型热管技术中的典型代表,脉动热管在继承传统热管简单、可靠、价廉和无需功耗等特点的基础上,又较好地克服了其易受携带和沸腾等极限制约、传热极限偏低的不足,具有热响应快、传热能力突出和环境适应性强的优点,已经在微电子冷却、余热回收、干燥、太阳能集热和制冷空调等领域展现出良好的应用前景。H.Akachi在其1990年的专利中,首次罗列了24种不同形式的回路热管。它们在结构上均为封闭回路,且至少有一个流向控制阀,保证流体在回路中沿单向流动。这些新型回路热管能克服常规热管的缺点,诸如毛细极限和输送极限等。由于流向控制阀存在长期运行不可靠的问题,Akachi在1993年的专利中提出了无流向控制阀的新型回路热管,并且提出了开式回路和闭式回路两种结构。在此专利的基础上,日本的T孓Heatronics公司开发出了一系列代号为HEATLANE,KENZAN的商用产品,用于电子冷却。随后,有关脉动热管的研究报道陆续出现,主要信息源为国际热管会议和技术研讨会[5]。

2.2 研究现状

目前,对脉动热管的研究主要是围绕实验研究,通过实验观察脉动热管工作过程和不同工况的热传导能力,实验研究加热方式、管径、截面形状、充液率、工质、倾斜角、表面物性等对热管运行和热传导的影响,同时对管内流型的可视化、管壁温度的测量以及单个参数变化时脉动热管工况变化的研究。从而探寻脉动热管的传热机理和规律,并为设计最优脉动热管和理论研究夯实基础[6]。

曹小林[7]等用一块80x54x4mni的硬绍板制成了板式脉动热管下盖板,在其上面统出一些平行而且相互连通的矩形槽道,然后制作一个玻璃板作为上盖板将二者粘附在一起,即为可视化的板式脉动热管。实验研究了截面形状、加热量、充液率和倾斜角等因素对其传热性能的影响。实验结果表明,板式脉动热管在一定情况下存在着传热极限。同时发现,截面形状的改变对板式脉动热管的极限有严重的影响。实验中获得的最佳充液率为50%,最佳倾斜角为50,此时热管的传热极限最高,传热热阻最低实验结果表明,板式脉动热管在一定情况下存在着传热极限。同时发现,截面形状的改变对板式脉动热管的极限有严重的影响。实验中获得的最佳充液率为50%,最佳倾斜角为50,此时热管的传热极限最高,传热热阻最低。

Kathryn Nikkanen等利用MPE管制成幵环和闭环脉动热管,横截面形状有矩形和三角形等,试验件尺寸很小,很适合应用于电子芯片散热,试验研究了充液率对板式脉动热管的影响,研究发现在矩形截面的脉动热管中,充液率在40%-60%之间达到最大传热特性,同时研究了不同截面形状,不同开闭环形式和不同工质,所能达到最大的热流密度,KathrynNikkanen得出脉动热管的性能依靠热管的特性参数如弯道数、管道形状、大小和幵闭环结构。

S.Khandekar[8]等实验研究闭环脉动热管(CLPHPs),从三大操作方向进行了调查,即垂直底部加热,水平加热和垂直顶部加热方向。对内径,操作方向上的性能及热性能的限制填充率和热输入通量的影响进行了调查。结果表明,对于2mm内径的CLPHP管性能最好存在于垂直方向与底部的加热,而对于以1mm内径的CLPHP管,取向几乎没有发挥作用。在所有方向上,50%填充比例的CLPHP管获得最好的表现。

三、脉动热管的研究展望

脉动热管作为一种新型热管技术,性能卓越且应用前景广阔,是热管领域的一个研究热点。自脉动热管问世以来,对其研究报道日益增多。综合分析了现有的有关文献和已有的实验研究成果以及理论研究方法,并对存在的问题及不足之处作了剖析,从而明确了下一步的研究方向以及有待解决的问题。总结归纳为以下几点:①取大量可靠的实验数据,为脉动热管在电力设备及微电子冷却中的推广应用提供相应的依据和设计规则。②深入研究重力场的作用和影响。③分析比较各种横截面的形状,如圆形、矩形及三角形等对脉动热管运行特性的影响。④类似与常规热管,脉动热管内存在着传热极限问题及烧干的现象。⑤长期运行情况下的寿命问题,非凝结性气体对运行性能的影响,混合工质的使用问题,运行环境的震荡影响等。⑥提供更为实用可靠的数学模型。

四、小结

脉动热管自从 20 世纪 90 年代提出以来,得到了各国学者的广泛关注,探索了脉动热管的传热机理和运行特点,并且取得了有价值的研究成果,但是在理论方面还有待于进一步加深研究,攻克难点,比如说纳米流体工质的应用,特殊结构的研究等。目前脉动热管技术已经应用于电子器件散热领域,而在其他领域,如脉动热管太阳能热水

器,脉动热管节能空调器,脉动热管低温冷却及脉动热管热泵干燥系统的研发等,都需要将脉动热管技术有效应用到技术中去,因此,还需要在坚实的理论,实验基础以及脉动热管技术向应用的转化上不断努力前进。

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