軸向槽道熱管的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

軸向槽道熱管的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

0“”形槽道熱管設(shè)計(jì)管道是有效、可靠的熱傳輸元件，已被廣泛使用。在眾多熱管形式中，槽道熱管依靠管內(nèi)軸向的微槽道提供毛細(xì)力，而且槽道的開鑿相對于傳統(tǒng)的毛細(xì)芯簡單，運(yùn)行穩(wěn)定性也更為可靠，使其在航空航天及電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間目前，國內(nèi)外研究的槽道熱管以較為規(guī)則的矩形、三角形和梯形截面為多因此，文章針對“Ω”形槽道熱管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專門的加工平臺(tái)，制作了鋁氨熱管，對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了“Ω”形軸向槽道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，研究了該形熱管的傳熱性能。1灌裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)文章研究的“Ω”形軸向槽道熱管擬應(yīng)用于航空航天或者電子散熱領(lǐng)域，工作溫度屬于-20～50℃的低溫?zé)峁芊秶牧弦矐?yīng)盡量的輕。因此，熱管的管殼材料采用6063鋁合金，工作介質(zhì)為氨(NH由于工質(zhì)在常溫下極易氣化，在灌裝的過程中極有可能會(huì)出現(xiàn)氣液共存的現(xiàn)象，因此將氨容器放置在罐裝系統(tǒng)的最高點(diǎn)并倒置，保證容器下游的管道內(nèi)始終為液體氨。灌裝系統(tǒng)如圖2所示，為了確保在液氨流量計(jì)內(nèi)流通的是液態(tài)流體，在流量計(jì)入口前部又增設(shè)了恒溫裝置，使得流經(jīng)流量計(jì)的液態(tài)氨狀態(tài)穩(wěn)定，計(jì)量更為準(zhǔn)確。常見熱管的封裝方式有夾緊和焊接，如銅質(zhì)殼體熱管多采用夾緊式封裝，不銹鋼的采用焊接的方式。文章研究的熱管殼體為鋁合金，其硬度較大，無法進(jìn)行夾緊封裝;其內(nèi)工質(zhì)屬于易爆物質(zhì)，也不能簡單地采用焊接方式。提出的解決方案為:將鋁合金外殼與直徑較小的鋁管進(jìn)行焊接，通過鋁管完成工質(zhì)灌注后，再對其進(jìn)行封裝。由于鋁質(zhì)地較軟，對其進(jìn)行夾緊較為容易，但僅僅依靠夾緊來實(shí)現(xiàn)封裝無法滿足運(yùn)行后管內(nèi)高壓帶來的安全要求，所以需要對其進(jìn)行焊接。為了避免焊接過程中產(chǎn)生的高溫造成熱管夾口變軟，引起內(nèi)部高壓氣體泄漏甚至爆炸的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用夾持系統(tǒng)。在灌裝結(jié)束后，使用厚度較大的兩組鉗口對鋁管進(jìn)行夾緊，然后切斷熱管與灌裝系統(tǒng)的連接，并打開外側(cè)的鉗口對斷口處進(jìn)行焊接。此時(shí)保持內(nèi)側(cè)鉗口夾緊防止泄漏，較厚的鉗口能夠較多地吸收焊接產(chǎn)生的熱量，起到隔離兩側(cè)鋁管的作用，使得另一側(cè)熱管的溫度不會(huì)有顯著升高。制作加工完成的成品如圖3中所示。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。所用的熱管長度為1.0m，沿?zé)峁茌S向在加熱段、絕熱段以及冷凝段每段內(nèi)均勻布置熱電偶，共17個(gè)測點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，采用特制的聚酰亞胺加熱片產(chǎn)生的熱流作為熱源，通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源電壓來改變輸入的熱流量，其功率精度誤差為±2.5W。為了能較大范圍地測量熱管的工作性能，冷卻方式采用液體冷卻，以高性能恒溫水浴提供的恒溫導(dǎo)熱油作為冷源，最低溫度可以到達(dá)-35℃，冷源溫度溫控精度為±0.01℃。冷卻水套進(jìn)出口油溫通過放置于進(jìn)出口管內(nèi)的銅—康銅熱電偶測量，其溫度誤差為±0.25℃，冷卻流體流量使用測量誤差為5%的流量計(jì)測量。熱管壁面的溫度分布采用相同的熱電偶進(jìn)行測量，溫度數(shù)據(jù)采集通過Fluke數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。3熱管熱管的導(dǎo)熱傳熱熱管內(nèi)發(fā)生的物理過程包含工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程、工質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)，此外還有熱管管壁的導(dǎo)熱傳熱。因此，要表征熱管傳熱性能的優(yōu)劣可以從局部著手，如討論熱管的蒸發(fā)換熱系數(shù)或者冷凝換熱系數(shù)等，也可以從整體出發(fā)，討論熱管的總換熱系數(shù)、總熱阻，以及將熱管看作是實(shí)心金屬棒，分析導(dǎo)熱熱阻等以研究其整體傳熱性能。3.1熱管的瞬態(tài)響應(yīng)熱管狀態(tài)對熱負(fù)荷變化的響應(yīng)速度是熱管的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。文章對啟動(dòng)和關(guān)閉過程中熱管的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。分別在兩種冷源溫度下，將熱管加熱10min，隨后停止加熱，再運(yùn)行10min，記錄熱管各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖5所示。分析數(shù)據(jù)可知:在不同冷源溫度(T3.2加熱功率對熱管熱性能的影響熱管表面溫度是實(shí)驗(yàn)測試得到的最主要參數(shù)，最能直接反映熱管的傳熱性能。充液率FR(FillingRate)表示工質(zhì)的充注量，其定義為實(shí)際充注工質(zhì)量與將管內(nèi)壁槽道全部充滿液體而其余區(qū)域?yàn)檎魵鈺r(shí)所需工質(zhì)量之比。熱管豎直放置時(shí)，充液率為1.0時(shí)，在不同工作溫度T在不同工況下，絕熱段溫度較為均勻，這是受熱管的運(yùn)行原理影響，同時(shí)良好的保溫措施也是影響因素之一。由圖6(b)～(d)可知，熱管冷熱段的溫差隨著加熱功率的增加而升高。熱管加熱段溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在加熱段測點(diǎn)3位置附近，即圖6(b)中“+”所示測點(diǎn)。熱管內(nèi)蒸汽被加熱后沿著管內(nèi)空腔向冷凝段運(yùn)動(dòng)過程中被加熱，溫度不斷上升，同時(shí)，溫升程度隨著功率的增加而增加。熱管溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在冷凝段與絕熱段相交的測點(diǎn)12，分析可能是該位置是冷卻油入口，冷卻效果較理想。在較高功率下或者繼續(xù)加大功率，局部較大熱流密度使該點(diǎn)附近液氨汽化量比其他位置多，甚至有可能出現(xiàn)槽道內(nèi)干涸，出現(xiàn)隨著加熱功率的增加溫度迅速升高或者冷熱段溫差過大的現(xiàn)象，此時(shí)的功率即為熱管最大傳熱功率。3.3熱設(shè)計(jì)中熱壓的測量在熱管結(jié)構(gòu)相同的情況下，除了工質(zhì)的物性參數(shù)之外，工質(zhì)的充注量也是影響熱管性能的重要參數(shù)。如將整根熱管看作是一根實(shí)心的金屬棒，認(rèn)為熱量通過導(dǎo)熱的方式在金屬棒兩端之間進(jìn)行傳遞，根據(jù)其上發(fā)生的傳熱量與兩段溫差計(jì)算得到熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，其隨著功率的變化曲線如圖7所示。充液率為0.8、1.0和1.4的熱管在不同工作溫度下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢分別如圖7(a)～(c)所示;相同工作溫度下，不同充液率熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)如圖7(d)所示。熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)在不同工況下的變化規(guī)律為:在同一工作溫度下，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率和充液率的升高呈上升趨勢;加熱功率相同時(shí)，隨工作溫度的升高而增大。圖7(d)中充液率為1.0的曲線有波動(dòng)是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性引起的，在合理范圍之內(nèi)。3.4熱管熱阻對比熱管的總熱阻借鑒了金屬棒的物性參數(shù)，由熱管冷熱兩端的溫差以及傳熱量計(jì)算得到，能夠比較形象地反映出熱管的傳熱能力大小。充液率為1.4的熱管在不同傾角下，熱阻隨加熱功率的變化如圖8所示。在實(shí)驗(yàn)所給的加熱功率和冷源溫度范圍內(nèi)，熱管熱阻變化較小，在0.11～0.17K/W范圍內(nèi)波動(dòng)，并且隨著功率的增加熱管的熱阻逐漸變小，變化的趨勢也不斷減小，最終趨于不變。由圖中可以看出，角度對熱管的換熱有一定影響，熱阻最小的工況出現(xiàn)在傾角為60°時(shí)。由圖6中熱管軸向溫度分布曲線可知，熱管在絕熱段幾乎為均溫，即該段的熱阻為0，因此，熱管的總熱阻由蒸發(fā)段和冷凝段熱阻組成。在不同的傾角下，熱管蒸發(fā)段和冷凝段各自液膜的形成和排除具有不同的規(guī)律，因此，各自的傳熱系數(shù)變化呈不同規(guī)律，兩者的綜合作用造成在60°傾角時(shí)熱阻最小。3.5溫度對熱管最大傳熱能力的影響在熱管的實(shí)際應(yīng)用中，除了上述直接反映熱管傳熱效率的參數(shù)外，熱管的最大傳熱能力也是在選擇熱管時(shí)重點(diǎn)參考的指標(biāo)之一。最大傳熱能力是在規(guī)定了冷熱兩端溫差≤2℃的條件下測量得到的。不同工作溫度下，熱管最大傳熱能力的變化如圖9所示?？梢钥闯觯瑹峁艿淖罴压ぷ鳒囟葹?0℃，充液率為0.8、1.0和1.4時(shí)，對應(yīng)的最大傳熱能力分別為67、80和82.4W。該溫度下達(dá)到熱管的最大傳熱能力，因?yàn)閷τ跓峁艿墓べ|(zhì)而言，隨著溫度的上升，冷熱兩端能夠提供驅(qū)動(dòng)蒸汽流動(dòng)的動(dòng)力增加，兩端間的傳熱量增加，但同時(shí)逆向流動(dòng)的氣液間的阻力以及槽道對兩者的阻力也會(huì)增加，并且隨著溫度的升高，工質(zhì)的傳輸因素減小，在多個(gè)因素的作用下傳熱能力達(dá)到了最大值。熱管的最大傳熱能力隨著充液率的增加而增加，但在充液率>1.0之后，充液率的增加對傳熱能力的提升作用并不明顯。4熱管熱性能與熱阻對比文章以“Ω”形軸向槽道熱管為研究對象，針對殼體硬度大、工質(zhì)易氣化和有爆炸危險(xiǎn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了加工制作平臺(tái)，并對熱管成品進(jìn)行了傳熱性能測試的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得到了熱管軸向溫度分布、當(dāng)量換熱系數(shù)當(dāng)量熱阻以及最大傳熱能力等。主要結(jié)論如下:(1)熱管具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)熱性，在不同的加熱功率和冷源溫度下均能較快地啟動(dòng)或者關(guān)閉。(2)在相同工作溫度下，熱管的冷熱端溫差隨著加熱功率的增加而升高;熱管最高溫度和最低溫度分別出現(xiàn)在