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大充液率环路热虹吸管传热特性研究

卫铃佼  
【摘要】:大充液率环路热虹吸管以液相传热占主导、汽相加速液相环流的传热方式使其具有比单相环路热虹吸管更强的传热能力,而且在加热段处加热面与工质通过对流散热进行换热,比传统两相环路热虹吸管有更好的高热流密度散热能力。本文通过实验及理论方法对大充液率环路热虹吸管的传热特性及传热机制进行了详细的研究工作,包括探索性实验、可视化实验、强化实验以及理论分析。探索性实验主要研究大充液率环路热虹吸管在不同加热功率下的传热特点与传热能力,并与单相环路热虹吸管进行对比。实验结果发现单相环路热虹吸管在低于其传热极限的任何加热功率下都可以达到稳态阶段,但是大充液率环路热虹吸管需在较高的加热功率下才能达到稳态,在较低的加热功率下不能正常地工作。在不同的加热功率下,大充液率环路热虹吸管呈现了三种不同的传热模式,依次是加热段附近的自然对流、周期性地产生汽泡、连续产生汽泡。在稳态工作阶段,加热段处能连续产生汽泡维持管内两相环流,热量通过工质的显热和潜热在加热段和冷却段之间传递。可视化实验是为了研究大充液率环路热虹吸管内的汽液两相流动特性,特别是汽相在传热过程中所起到的作用。实验结果发现加热段处汽泡的产生对大充液率环路热虹吸管的启动有重要意义。汽泡的产生过程可以分为三个阶段:汽泡生成、汽泡紊乱、汽泡稳定。在稳态工作阶段,汽泡的产生、上升以及冷凝对维持管内的快速环流起到关键的作用。实验中测试到90%充液率的环路热虹吸管内,汽泡上升速度为0.35±0.05 m/s,在汽泡的加速作用下,大充液率环路热虹吸管管内工质的流动速度显著提高。强化实验是为了验证了大充液率环路热虹吸管在高热流密度下的传热能力。实验测试最高热流密度达到160 W/cm2,测试充液率在0.60至0.95之间。实验结果表明在高热流密度加热条件下,大充液率环路热虹吸管比传统两相环路热虹吸管有更强的传热能力,而且根据实验结果可以判断实验装置还可以工作在更高的热流密度下工作。此外,本文还系统地比较了单相、大充液率、传统两相环路热虹吸管的传热特性及传热能力,分析了各自不同的应用特点。最后,根据实验分析结果建立大充液率环路热虹吸管的传热模型,并推导管内工质流动匀速与充液率之间的关系,继而推导出传热能力与充液率之间的关系。通过将理论分析结果与实验结果进行对比发现:在低功率情况下,实验结果与理论分析结果符合较好,但是在高功率下偏差较大。这是因为在理论分析中低估了汽相传热在较高功率下提高传热能力的强度。因此,还需要进行更多的实验来研究汽泡产生频率、汽泡的分布与充液率、加热功率之间的关系。本文详细地介绍了大充液率环路热虹吸管的传热机制,及其在不同加热功率和充液率下的传热特性。通过与单相及传统两相环路热虹吸管的传热性能作对比,大充液率环路热虹吸管更适合在小加热面积、高热流密度下工作,这为目前日益突出的电子器件散热问题提供一种新的解决方法。


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