微热管及其传热理论分析

微热管及其传热理论分析微热管及微热管换热器微热管是以相变传热为基本工作原理的一种有效的散热器件热管的研究背景当今传热工程面临两大问题：研究高绝热材料和高导热材料。具有良好导热性的材料有铝[(λ＝202W/m•℃)]、柴铜[λ＝385W/m•℃]、和银：λ＝410W/m•℃)]，但其导热系数只能达到102W/m•℃的数量级，远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要，热管以及微热管的发明就解决了这一问题。微热管的相当导热系数可达105W/m•℃的数量级．为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能．微热管是传热领域的重大发明和科技成果，给人类社会带来巨大的实用价值。微热管的应用领域微热管工作原理当微热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体在沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不已，热量便从一端传到了另一端！微热管工作时利用了三种物理学原理：⑴在真空状态下，液体的沸点降低；⑵同种物质的汽化潜热比显热高的多；⑶多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。三个区段的划分：根据外部热交换情况分：加热段、绝热段、冷却段根据管内工质传热传质情况分：蒸发段、绝热段、冷凝段微热管工作原理微热管在实现其热量转移过程中，包含了六个相互关联的主要过程：①热量从热源通过微热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液—汽分界面②液体在蒸发段内的液—汽分界面上蒸发③蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段到冷凝段④蒸汽在冷凝段内的汽—液分界面上凝结⑤热量从汽—液分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源⑥在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后工作液体回流到蒸发段微热管工作原理R1：热源与微热管外表面的传热热阻R2：蒸发段管壁径向传热热阻R3：蒸发段毛细芯径向传热热阻R4：汽—液交界面蒸发传热热阻R5：蒸汽轴向流动传热热阻R6：汽—液交界面冷凝传热热阻R7：冷凝段毛细芯径向传热热阻R8：冷凝段管壁径向传热热阻R9：管壁外表面与热汇传热热阻R10：管壁轴向传热热阻R11：吸液芯轴向传热热阻R10、R11与R1—R9相比很大，通常看作绝热。总热阻：R=R1+….+R9从热源到热汇的总温降△T也是这9个温降的总和，△T=△T1+…+△T9微热管的传热过程：总热流量Q与总温降△T、总热阻R的关系为：Q=△T/R微热管的工作特性对于普通热管，其液体和蒸汽循环的主要动力是毛细材料和液体结合所产生的毛细力。假设热管中沿蒸发段蒸发率是均匀的，沿冷凝段冷凝率也是均匀的，则其质量流率、压力分布、温度分布及弯月面曲率的分布如右上图所示。在蒸发段内，由于液体不断蒸发，使汽液分界面缩回到管芯里，即向毛细孔一侧下陷，使毛细结构的表面上形成弯月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐渐凝结的结果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形状，即界面的曲率半径为无穷大(见右上图上部及右下图)。曲率半径之差提供了使工质循环流动的毛细驱动力(循环压头)，用以克服循环流动中作用于工质的重力、摩擦力以及动量变化所引起的循环阻力。热管液汽分界面的形状（a）管起动前的液—汽交界面（b）热管工作时的液—汽交界面（c）吸液芯内液—汽界面参数微热管微热管的结构及工作原理与常规热管类似，最大的区别是常规热管内部通常存在专门提供毛细力以供工质回流的毛细吸液芯；而微热管则主要是通过沟道尖角区完成工质的回流。理论分析发现只要是非圆形的截面都能提供或大或小的毛细力。微热管发展之初，常用的沟道结构主要是简单的三角形和矩形结构，图中(a)、(b)、(c)。随着机械加工和其他各种加工技术的发展，一些比较不规则的结构也进入研究之列，如图中(d)、(e)、(f)。微热管阵列上述单根微型热管的传热量往往不是很大，为了提高传热能力，在基底材料上加工出一系列独立、平行的微细槽道，形成微型热管阵列，以增加散热面积。这种微型热管阵列在启动后的短时间内，由于总压降的不平衡，其内部可能出现汽液流动方向相同的现象。而且由于汽态和液态工质共用同一流动通道，其高速反向运动带来的截面剪切摩擦力降低了微热管的传热性能。为此，人们将这些微型热管簇的蒸汽空间连通，形成微型平板热管。微热管由阵列型向平板型转变的结构改变由下图给出。微热管阵列由图可以看出，蒸发段液体吸收热量并在汽液交界面上蒸发成蒸汽导致液体向三角形顶角退去，所以蒸发段弯月面半径较小，在稳定工作状态及一定的输入热量Q下，此时蒸发段端部的弯月面半径就是最小弯月面半径，记作Rmin。冷凝段有大量蒸汽冷凝导致液量增加弯月面半径增大，在稳定工作状态及一定的输入热量下，此时冷凝段端部的弯月面半径就是最大弯月面半径，记作Rmax。蒸发段和冷凝段端部弯月面半径的差异正是沟道产生毛细力的根源。微热管传热极限分析微型平板热管通过相变换热的工作机理使其具有很强的传热能力，但也不能无限制的增大其热载荷，热管工作过程中也受到很多因素影响存在一定的传热极限。传热极限的大小是由热管的内部流道结构、外部形状特征、管壳材料、加工方法、工质特性、工作温度等共同决定的槽道式平板微热管理论分析以微槽道平板微热管为例如下图所示，利用一维稳态模型，对影响其性能的几个结构性问题做定量分析，指出其性能可进一步提高的潜在范围。构建模型的四个假设条件热管工作在稳定的条件下，不考虑微热管的瞬态和不稳定状态；气体和液体工质的密度为恒定值，均为不可压缩流体；液态工质达到稳定工作状态时其液体表面弯月面半径仅沿轴向变化，简化为一维模型；同理工质的物理参量也只能沿轴向发生变化，例如压强、流速等均取其在流体横街面上的平均值。模型的控制方程对于有限容积单元dz，在其处于稳定状态时满足质量恒定，即单位时间内流入有限容积单元dz和流出dz的质量是相等的，如下图所示。模型的控制方程质量守恒方程vvAvu——液体工质的密度；——在某一位置液体工质流体的横截面面积；——液体工质在某一横截面位置的平均流速。式中：1()vvvvvvfgdudAdQzAudzdzNhdz1()llllllfgdudAdQzAudzdzNhdz气体液体模型的控制方程动量守恒方程2()sinlllllliliwlwldAudPAAgAAdzdz2()sinvvvvvvviviwvwvdAudPAAgAAdzdz气体液体模型的控制方程Laplace-Young方程微热管在工作时，蒸汽在冷凝段冷凝，液体在冷凝段增多，使弯月面半径变大；而液体在蒸发段受热蒸发，液体向尖角区流动，使毛细半径变小。槽道内部的毛细作用就是由这种冷凝段和蒸发段之间的毛细半径之差产生的。弯月面的产生是由于工质表面张力、气提压强和液体压强之间共同作用的结果，Laplace-Young方程给出了弯月面半径和气液压强之间的关系：2vldppdrdzdzrdz式中σ——表面张力模型的控制方程边界条件为求解上述微分方程，需要确定微分方程所涉及相关参量的边界条件，微分方程组在蒸发段端部（z=0）的边界条件如下：式中—弯月面半径在蒸发段端处的初值；—在工作温度下的饱和蒸汽压。00,0,,/lvvsatlsatrruuppppr0rsatp模型的控制方程最大传热量Q的计算首先假设蒸发端的弯月半径r0为rmin；通过模型计算得出输入热量qm为时的弯月面半径的轴向分布；然后不断增大qm并通过模型计算出冷凝端处的弯月面半径，直到其恰好等于rmax，则此刻的输入热量qm即为微型多槽道平板热管的最大传热量Q。未来微热管研究展望尽管在微热管领域已经有了一定的研究成果，但是该领域毕竟是一个全新领域，尚有很多问题有待解决。展望未来，主要的研究领域有：发展更精确、更可靠的微热管的机械加工技术以解决细微结构机械加工费用昂贵的问题，进而扩大微热管的使用领域；根据微热管的具体运用环境，设计出与热源表面结构相匹配的异截面形状热管；展开对热管结构可靠性研究以及热管在变热流密度、变热源位置条件下间歇性运行中的稳定性研究；采用FLEUNT、CFX等传热和流体流动的商业软件实现对热管在多热源多热沉条件下传热和流体流动瞬态和稳态特性的数值模拟谢谢