带隔热装置的两相回路热虹吸管运行特性实验研究

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回路热虹吸管作为结构简单和传热能力强的一种高效被动式传热装置,受到了国内外学者的广泛关注,并成为提高能源利用和转换效率的重要选择方案,在太阳能集热系统、电子设备冷却、通讯设备和数据中心热管理等领域具有广阔的应用前景。目前,对回路热虹吸管蒸发段下方热泄漏对其运行性能的影响尚不清楚,缺乏相关研究,这对提高回路热虹吸管的传热性能具有明显意义,并将为其结构设计提供有益参考。本文设计搭建了一种两相回路热虹吸管实验测试系统,并在热管蒸发段下方引入了空心聚四氟乙烯隔热装置,通过实验研究了工质种类、充液率、加热功率、冷却水温度和蒸发段表面状况等因素对热管启动和传热性能的影响规律。主要研究内容和结果如下:(1)在不同充液率(35%,45%和55%)下,分别对以乙醇和HFE-7100为工质的带隔热装置回路热虹吸管的启动和传热性能进行了实验研究,并与同样条件下的无隔热装置回路热虹吸管进行了比较。实验结果表明,由于隔热装置上的小孔结构对热管内乙醇工质流动的阻碍影响,隔热装置的加入使回路热虹吸管的启动和传热性能有所下降。而当使用HFE-7100工质时,在35%和45%充液率情况下,隔热装置减少了蒸发段下方流向液体管道的热泄漏,故有效提高了回路热虹吸管的热效率和有效导热系数,但55%充液率时则刚好相反。在35%充液率时,90 W加热功率下的带隔热装置回路热虹吸管的最高热效率约为87%,150 W加热功率下的最大等效导热系数为1.5×10~5 W/(m·K),分别比无隔热装置时提高了7.8%和8.2%。另外,在不同工质下,随着充液率的增加,回路热虹吸管的温度/压力大小及波动幅度均有所增加,启动时间也增加,传热性能降低。在35%充液率时,以HFE-7100为工质的带隔热装置回路热虹吸管运行特性较使用乙醇工质时高。(2)针对前文最佳实验条件,进一步研究分析了35%充液率下,使用HFE-7100工质的带隔热装置回路热虹吸管在不同冷却水温度(20,25和30℃)下的运行特性和不同功率(50,75和100 W)下的启动性能变化。发现回路热虹吸管启动时间随冷却水温度和加热功率的增大而减小。同时,随着冷却水温度的降低,回路热虹吸管温度/压力波动振幅增大,蒸发段和冷凝段温差也增大,回路热虹吸管的传热性能下降。故该实验的最佳冷却水温度为30℃,此时回路热虹吸管的等效导热系数比20和25℃冷却水温度时提高约15.4%。(3)为了提高以HFE-7100为工质的回路热虹吸管的传热极限,将原内壁光滑的蒸发段用内壁带微槽结构的蒸发段替换,研究微槽结构对回路热虹吸管运行特性的影响。实验结果表明,使用内壁带微槽结构的蒸发段后,中低充液率(35%和45%)情况下回路热虹吸管的可承载热负荷可分别提高约80 W(53.3%)和100 W(66.7%),能够有效延缓蒸发段内局部间歇烧干的出现。另外,在蒸发段内使用微槽结构后,可有效增强对蒸发段内部工质的毛细浸润作用,从而提高了热管的传热极限,但同时蒸发段内部横截面积的增大也导致回路热虹吸管的等效导热系数有所下降。
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