脉动热管传热能力增加的方法文献综述.docx

脉动热管传热能力增强的方法一、脉动热管的原理脉动热管是20世纪90年代出现的一种新型热管，由日本的Akachi［i,2］最早提出其基 本工作原理是：将管内抽成真空后充注部分工作介质，由于管径足够小，管内将形成气泡柱 和液体柱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那里，气泡冷却收缩并破裂，压力下降这样，由于两端间存在 压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，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，完全是在热驱动下的自我震 荡，传热原理图如图 1由此可见，脉动热管传热主要依靠管内工质的气液振荡来传递相变 潜热和显热，传热量较大而且传热速度较快，在此过程中还有膨胀功等作用由于其主要利 用工质相变和脉动传热，有一定的随机和自适应机制，当热流密度很大，气泡膨胀很快，从 而使液体总能及时的回流到加热段，在一定范围内可以自我调节所以有些研究发现脉动热 管具有一定的自我修复等功能，传热恶化后可以在适当的范围内调节并回归到稳定运行状态图 1 传热原理示意图小管径和冷热端反复的折弯是形成振荡热管的两个基本条件。

此外还具有如下基本特点 不需要吸液芯；可以有多个加热段和冷却段，绝热段可有可无；无需外加动力，自激振荡； 表面张力占主导地位，但重力也影响传热性能；自激振荡的工作流体同时传递潜热和显热； 尤为可贵的是，对其结构和设计参数进行优化后，其运行性能基本不受重力作用的影响，因 此能在重力场倒置、微重力场及重力场变化等环境下运行二、脉动热管的结构形式H. Akachi在其1990年的专利⑴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［2］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总之，脉动热管的结构形式可以很灵活，但是基本结构是 不变的，如图 2图中第四种是板式脉动热管，制造过程是在上下盖板加工出槽道，然后组 装在一起，密封起来，就形成热管的管道图 2 脉动热管的基本结构与普通的热管相比，脉动热管的结构和传热形式有着自身的特点，见表 1表 1 脉动热管和普通热管的比较类型内往热量传递形式吸液芯普通热管—般大于3rnrri潜热有脉动热管毛细尺度显热.潜热、膨胀功无由于脉动热管的结构和传热机理，与普通热管相比，脉动热管具有如下优点。

1) 优越的传热性能：脉动热管传热形式有显然、潜热和膨胀功，传热能力强振荡热 管没有普通热管所特有的传热限制在合适的充液率下，热流密度可以很大而不会烧 干Nishio等⑶的实验结果表明：充有50%的R142b、内径为0.5mm的玻璃管式振 荡热管，在竖工作时传输的热流密度可达1000 W/cm2，显著高于普通吸液芯热管 (50 W/cm2)2) 结构简单紧凑、成本低：脉动热管由毛细管组成，管径只需满足一定的毛细尺度， 管径小从而决定了整体尺寸小；脉动热管不需要吸液芯，使得其结构简单、生产容 易从而减少了生产成本；而且脉动热管的动力来自于其本身，无需外部动力设备， 没有运动部件，从而降低了运行和维护成本3) 结构灵活、适应性强：脉动热管的各段可以任意的弯曲，管路加工形式多样化，参 见图 3，形态结构各异，即使在较大的热流密度变化范围下，脉动热管也可以稳定 运行，并且可以有多个加热段以及冷却段，可以在多种角度下运行，这就进一步增 加了脉动热管的适应能力，从而使应用领域得到了扩展图 3 脉动热管的结构形式(4) 使用广泛：由于其灵活紧凑的结构形式，独特的传热机理，脉动热管开拓了热管技 术应用的范围。

在改善材料的性能、地板采暖［4］、 空调排风预热回收等领域得到 了应用三、脉动热管的研究现状A. 理论研究脉动热管传热有着复杂的两相流形式，在加上根据使用环境和要求不同，传热性能变化 很大，很难建立一个准确的数学模型来准确的描述脉动热管的相变传热各国学者，特别是 国外的学者对此作了很多工作，下面将介绍一些具有代表性的数学模型［5］1) 弹性阻尼系统模拟该方法用一个或多个弹性阻尼来模拟管内流体的振荡流动和压力的 波动其核心思想是把加热和冷却过程看作是两个外界扰动源，并用拉格朗日方法来描 述流体的运动特性，可预测气液柱的长度，分析充灌率的影响等其缺点是过于简化蒸 发和冷凝过程，只强调吸热或放量的数量，而忽略了相变过程中出现的重要物理现象， 如气泡的生成、膨胀、合并、收缩及破裂等等因此，该模型缺少物理意义，与实际结 果相差太大2) 应用经典的三大守恒方程求解通过选取控制单元，对其进行质量守恒、动量守恒及能 量守恒的分析，建立其相应的微分方程组，最后用数值计算方法求解在现有的这类模 型中，考虑用一些经验公式去模拟蒸发过程和冷凝过程及气液柱的动力特性等从这个 意义上讲，其模型较前一种有所改进但是，模型的复杂程度大大增加，并作了很多假 设。

另外，尚不能反映气泡的合并和破裂过程，流型及流态的转换过程，振荡流动的混 沌性等因此，离实际预测还有差距3) 混沌理论考虑到脉动热管内流体的流动和振荡现象十分复杂，具有相当的随机性和不 可确定性，且影响因数众多因此有人试着用混沌理论去解释但是该理论是否适用尚 有待进一步验证4) 人工神经网络预测该方法模拟人脑的思考过程，通过对已有知识的反复学习和映射， 去解决一些类似的未知问题一个好的神经模型非常容易使用，使用者只需提供输入参 数，模型会自动预测结果，且结果准确它特别适用于解决多参数影响的高度非线性问 题当然，对建模者来说，为了编制一个好的人工神经网络模型，需事先收集大量的原 始资料作为学习样本，并经过反复的训练和调整过程这通常意味着需要有大量的实验 数据作为前提条件5) 实验关联式建立在实验基础上的经验或半经验的无量纲表达式或准则关联式等，通常 是行之有效的办法但应注意实验条件及适用范围综上所述，目前，国内外对于脉动热管的理论研究还处于在探索摸索阶段这些模型都 只能够反应出脉动热管传热的某些方面的规律，尚不能很准确的模拟脉动热管内在的传热机 理脉动热管传热的理论是窄通道内气液两相的变化规律，而这一理论也是目前传热传质领 域研究的难点和热点。

B. 脉动热管的实验研究现状 脉动热管自出现以来辈受各国学者的关注，很快成为了研究热点根据脉动热管传热所 受的影响因子，各国学者开始大量的实验研究脉动热管虽然结构简单，但是传热机理复杂，各种因子影响其传热性能和启动运行情况Khandekar［6 ］将影响脉动热管传热特性的参数归结为三类：①几何参数：包括管径、管道界 面形状、弯头数、总长、蒸发/冷凝段长度等；②操作参数：包括放置位置、加热/冷却方式、 是否带有单向阀等；③物理参数：包括工质热物性、充液率等这些因子最终通过影响脉动 热管的传热量和热阻来影响总体热力性能它们相互之间也有制约作用，关系如图 4图 4 脉动热管传热特性的影响因子 笔者将分别从这三个方面(几何参数、结构参数、物理参数)总结最近国内外学者对于 脉动热管传热性能的实验研究一) 几何参数(1) 弯头数Charoensawan ［7］等在常规条件下，通过各种参数研究了水平放置式环路脉动热管的传热 特性，热管的材料是铜从所得的实验结果中发现水平放置式脉动热管的启动运行取决于蒸 发温度，而蒸发温度又和弯头数有关两者的关系见图 5图 5 弯头数和启动温度的关系图 5 发现了临界弯头数而且加深了我们对弯头数的理解。

临界弯头数是脉动热管作为 传热设备运行时的最小弯头数，取决于蒸发器的温度和热管的内径从图上可以看出，当 Te±70°C,内径为2mm时，水平放置式脉动热管只有在临界弯头数为11时才开始运行；而 对于内径为1.5mm和1mm的脉动热管来说，只有临界弯头数达到16时才能运行•所有的蒸 发段长度都表现出了这种趋势：蒸发温度越低，临界弯头数越多在Te=60C，内径为2mm 时，水平放置式脉动热管的临界弯头数增加到 16，所以蒸发温度越高，管子内径越大，临 界弯头数就越低2) 管径大小管径往往和弯头数，工质类型一起综合影响脉动热管的传热性能在特定的工质下，热 管，脉动热管管径有着一个范围管径须足够小［8］，使得液塞和气泡能够在表面张力的作用 下共存，最大内直径可由下式确定：dmax式中b , p 1分别为液体工作介质的表面张力和密度；g为重力加速度常用工作介质对应的最大管径如下:水,d=5.54mm；丙酮，d=3.36mm；乙醇，d=3.25mm；R142b， d=2.04 mm如果管径太小，则克服毛细力的压头就要明显升高，从而影响振荡效果通常管径的取 值范围为:0.7(2)Charoensawan ［9］等研究指出在蒸发器和冷凝器温度差一定的情况下，适当增大管径或者增加弯头数都能改善传热性能。

3) 管道界面形状 目前对于界面形状的研究的文献不多，我国的商福民［10-12］等在变截面方面做了较多工作 取得了一些结论性的成果其理论依据是，根据脉动流热管的工作原理可以看出，要想进一 步强化其传热量过程，除了强化管内汽~液介质以及汽~液介质与管壁之间的传热外，另一个 是要提高其振荡频率和运行的循环动力从提高运行的循环动力出发，可以采用两种大小不 同的管径交替布置，以构成非均匀截面的自激振荡流热管，使管内流体在加热端受热后沿较 大的管径快速膨胀，并流向冷凝端而在冷凝端冷凝后的液体则沿着较细管道流回加热端由于大小管径的曲率半径不同，其液膜产生的表面张力也不同，由此获得的附加循环动力为:(3)2b 2b~R R12式中: b ——表面张力系数；R1、 R2 ——不同管径的曲率半径研究得出的结论是:无论是上部加热、中部加热还是下部加热，不等径脉动热管与等径 脉动热管相比都起到了强化传热的效果，但不同的加热位置随着加热功率的变化强化传热的 效果存在一定差别相比之下，当上部加热处于最佳的强化传热效果时，不等径自激脉动热 管的传输功率是等径自激脉动热管的1.5倍；当中部加热处于最佳的强化传热效果时，达到 了3.5倍；当下部加热处于最佳的强化传热效果时，达到了2.3倍。

同时，这样的不等径脉 动热管也改善了热管的启动性能Khandekarg］等人发现，脉动热管采用矩形截面的运行性能要好于圆型截面或圆管曲 伟［14-16］等人研究正方形截面，等腰三角形和正三角形截面的脉动热管传热特性在加热功率 和充液率相同的情况下，三角形热管的热阻比正方形热管的热阻低，等腰三角形比等边三角 形的热阻低周岩［17］研究发现当管径一定时，正三角形截面热管的热阻值要低于正方形截 面热管当截面形状一定时，水力利直径稍大(1.5mm)的热管的热阻值低于水力直径稍小 (1mm)的热管的热阻值4) 蒸发段和冷凝段的长度影响Charoensawan ［7］等研究了脉动热管的蒸发器长度对传热性能的影响实验条件是一环行 脉动热管，蒸发器的温度是80°C, 26个弯头，得出的结论是随着蒸发器长度的增加，热阻 就增加，性能就下降，图 6 给出详细的实验结果亠目一 arm"力」它=已左1图 6 蒸发器长度对热阻的影响从图上可以看出，最大的传热能力发生在蒸发器的长度为50mm,其原因可能是更短的 长度可以使得工质的摩擦压降降低，工质更容易能够从蒸发段流。