旋转热管研究现状及进展_刘腾霄

旋转热管的结构如图 1所示, 它由一根密闭 的空心轴构成, 沿轴向长度上略带锥度。旋转热 管分为 3段: 蒸发段、绝热段和冷凝段。
图 1 旋转热管工作原理图 旋转热 管 绕 其 轴 线旋 转 产 生 离 心 加 速 度 2 r, 沿热管壁面的加速度分量为 2 rsin , 相应产 生的力推动冷凝段工质沿 热管壁面回流 到蒸发 段。 旋转热管的工质选择主要是以热管的工作温 度为依据。每一种工质都有特定的温度范围: 下 限为其凝固点; 上限为其热力学临界点 [ 2] 。
2 国外旋转热管的研究与发展 2. 1 理论研究与发展
与普通热管相比, 旋转热管的液体回流是利 用旋转液体在管内产生离心力而驱动的, 只要有 足够的旋转速度, 就能保证足够的液体回流, 因此 它不需要像普通热管那样安装毛细材料, 而且能 在不同角度下回流, 达到连续运行的目的。自旋 转热管问世后, 立即吸引了很多科学工作者对其 进行研究, 使得旋转热管得到了快速的发展。学 者们主要围绕着旋转热管理论和实际应用两条主 线展开研究、实践, 逐步形成了比较完善的旋转热 管理论和其研究成果的应用体系。但是, 这些基 于不同理论视角的理论假设和研究方法都还存在 着不少的问题, 与此同时, 有关旋转热管研究的理 论也就在这些问题中得到完善、充实, 其实际应用 的范围也逐步拓宽。
这个模型的不同之处在于它不像之前的模型那样
将每个部分分别考虑, 而是将旋转热管作为一个 整 体 来 计 算。 1993 年, Schm a lhofer J 和 Faghri A [ 6 ] 发展了轴向旋转热管的三维模型, 自此热管
的传热问题寻求数字化的解决办法得以发现。在
模型中, 他们假设吸液芯部分的传热是靠热传导,
在工业领域, 1994年, Judd R L 和 A ftab K [ 19] 采用旋转热管技术冷却铣床的主轴, 铣床在精度 加工中, 由于热变形引起的加工误差占零件制造 总误差的 50% ~ 70% , 使用旋转热管后, 可以移 走 200W 的热量, 同时轴承的温度可降低 50% , 而 且能均衡主轴部件的温度场, 提高机床主轴轴线 的热稳定 性, 从 而改 善机 床的 加 工精 度。 2000 年, L ing Jian和 G ao Y rding [ 20] 将小型高温旋转热 管应用到工程实际中, 同样取得了良好的效果。
1994年, Cao Y 和 Faghri A [ 13 ] 给出了沸腾极 限时蒸气的临界过热度以及临界热流量。即随着 微型热管尺寸的减少, 蒸气在热管芯内失去其连 续流动特性, 并认识到热管的这个极限, 针对不同 的工质计算了最小蒸气核直径, 给出了连续流动 极限发生的临界温度。 Longtin J 等 [ 14] 对微型热 管在稳定运行条件下建立了一维模型, 分析了压 力、速度、液膜厚度的轴向分布以及热管的最大传 热能力, 模型中考虑了界面间的相互作用等因素 的影响, 得到了最大传热量与热管长度和水力学
图 2 利用旋转热管冷却复合轴承的 热输送模型
1 内 散热片; 2 冷 却水; 3 蒸 汽; 4 工 作液体; 5 进 水阀门; 6 连 通孔; 7 出 水阀; 8 导 轴承; 9 旋 转热管; 10 封水阀门; 11 水轮机轴轮
在航空航天方面, 航天器在宇宙空间环绕地 球或太阳运行时, 向着太阳的面受到强烈的热辐 射, 温度会升得很高, 而背着太阳的一面, 不仅不 能吸收到太阳热量, 还要向温度更低的宇宙空间 辐射出热量, 因此航空器正、背面的大温差, 使其 不能正常的工作, 甚至损坏。针对这种情况, 科学 家利用热管技术, 解决了这个难题。采用了热管 技术的太阳能热动力发电系统 ( SD ) 已成为长寿 命、低轨道及高功率空间站电源系统的首选对象。 美国的 W r igh t航空动力实验室 利用旋转热管密 封性好、不需要特别的维护以及不需任何冷冻剂 就能使回转轴等温旋转等优点, 将旋转热管应用 于航空器的 IPU ( integrated pow er un it) 部分。该 实验室分别对旋转热管在低速 ( 3 500r/m in) 、中 速 ( 7 000r /m in) 及高速 ( 40 000 r/m in) 进行测试, 具体方法是将旋转热管安装在油雾润滑的高转速 的陶瓷球轴承上, 蒸发段的加热是通过射频感应 加热器直接作用在旋转热管的金属表面, 冷凝段 的冷凝水的流量测量是通过测量旋转热管的进口 及出口温度的方法完成的。此项测试结果令人满 意。
第 35卷 第 3期
化工机械
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旋转热管研究现状及进展
刘腾霄* 江 楠
(华南理工大学 )
摘 要 对国内外旋转热管的理论研究、应用情况进行了较为详细的介绍, 旋转热管的 研究工作 已呈现
从理论研究转向应用研究的趋势, 未来的研究重点宜立足于工业新产品的开发。
关键词 旋转热管 热管 研究进展
中图分类号 TQ051 5
合。但是, 值得注意的是, 无论是凝结模型还是复 合式膜状凝结 /蒸发模型, 都只能被用于蒸发段热
阻被忽略不计的情况下。
针对这种情况, 2002年, Song F 等 [ 9] 研究了 新的模型用来预测离心加速度高于 104g 的高速
旋转热管的性能, 将试验中冷凝段蒸发率用下式
计算:
式中 m
Q = m cp ( T o - T i ) 水流的质量流量, kg / s;
发现热管的冷凝段用改进 Nu 数型膜状凝结模型 的传热性能 的理论值大于 试验测定值。同时发
现, 冷凝段的传热性能随着转速的下降 而降低。
这一点也与模型理论值相反。因此得出结论, 冷
凝段模型不适合高速旋转热管。学者们注意到这
个情况, 通过理论与实验分析, 建立了新的复合式
膜状凝结 /蒸发模型, 该模型的预测值与试验值吻
究和实验分析, 研究结果认为温降主要发生在蒸 发段, 输出功率增加、温差增加; 为增加传热能力, 需增加热管内的薄液膜区。
2. 2 应用研究与发展 近六十多年来, 世界各国对旋转热管的理论
和应用开展了大量的试验研究, 使热管技术得到 了飞速的发展。目前, 在世界范围内, 从宇航到地 面, 从军工到民用, 已有数以百万计的旋转热管在 发挥作用。
文献标识码 A
文章编号 0254-6094( 2008) 03-0183-06
热管于 1964年诞生在美国的 Los A lamos国 家科学实验室, G rover及其合作者 Cotter与 E rikson[ 1] 发明了这种高效传热元件。旋转热管 ( R otating H eat P ipe, RH P ) 是热管中的一种, 自 1969 年以来, 旋转热管的理论及其应用的研究取得了 令人瞩目的进展, 其产品在航空航天、核工业、石 油化工及建筑等领域都得到广泛使用。 1 旋转热管的结构及工作原理
液固接触角的变化等因素的影响, 并通过理论计 算证实微热管的蒸气连续流动极限, 并给出蒸气 连续流动极限公式和沸腾极限公式。
1997年, M a H B 和 Peterson G P[ 17] 在常弯月 面的假设下, 利用控制容积法通过压力平衡对微 型旋转热管的毛细极限以及最大传热能力进行了 分析, 在蒸发段始端的控制体内通过蒸发量和液 体流量的平衡得到了最小弯月半径, 并且通过对 热管内液体流动的二维分析得到了摩擦因数 f R a 的计算方法, 比较精确地考虑了气液界面作用 的影响。同年, L in L 和 FaghriA [ 18] 对稳定状态下 的微型旋转热管的最大传热量作了详细的理论研
1979年, H o lm F W 和 G op len S P[ 10] 推导出 微型旋转热管蒸发段传热的一维分析模型。 1990 年, Bab in B R 等 [ 11] 通过实验和理论两个方面进 一步研究了微型热管的传热极限以及工作特性, 导出了微型热管的毛细传热极限, 分析了稳态工 作时微型热管中气液两相工质的压力变化以及传 热极限 和工 作温 度、倾斜 角 之间 的关 系。 1992 年, Stephan P C 和 Busse C A[ 12] 通过对微型旋转 热管壁面和槽中流体的综合分析, 推导出蒸发段 薄膜传热和二维传热模型, 对声速极限理论作出 了较大的贡献, 还提出了适用于液态金属热管启 动过程的粘性极限理论。
cp 常压下的比热容, J / ( kg K ) ; T i 冷却水套的进口水温度, K; T o 冷却水套的出口水温度, K。
试验结果表明, 以上模型的理论值与试验结 果十分吻合。 Song F 等发现, 对于圆柱形旋转热 管, 旋转时离心加速度的方向与流体流动方向正 交, 并且流体依靠流动方向液膜厚度的减少以产 生足够的梯度压力驱使液体回流到蒸发段。这一 现象造成冷凝段的液膜ห้องสมุดไป่ตู้度增大, 降低了流体蒸 发过程的效率。
旋转热管的发展研究大体经历了两个发展阶 段, 在每一阶段都有不同的理论发现和实用化的 成果。旋转热管发展的第 1个阶段, 主要集中于 环状流型的研究, 即对热管在高转速下工作特性 的研究; 第 2阶段的研究主要集中在中低速旋转 热管工作特性, 发现热管内流型不仅是环状流, 还 存在着其他流型, 各流型的管内传热情况也不一 样。在中低转速下, 由于重力场与离心力的交互 作用, 使旋转热管内部工质流动与传热复杂化了。 这阶段主要研究了以下几方面:
在水利电力方面, 日本在中小型水电站采用 的较多卧轴混流式机组中, 应用了先进的旋转热 管冷却技术, 其利用旋转热管冷却复合轴承的热 输送模型如图 2所示。这种新技术是利用旋转热 管的特性, 结合利用推力环泵作用的粘性泵无油
技术, 不用配置冷却水装置和润滑油装置, 适用于 5MW 以下的中小卧轴混流式机组, 提高了发电站 整体效率, 节省占地, 缩小了电站规模。同时, 维 修保养简便, 节约了大量劳力。
在以后旋转热管的研究中, 众多学者都从不 同的角度, 采用不同的方法, 对不同用途的旋转热 管进行了大量的实验与理论的研究, 其中这一阶 段研究较为完善的是旋转热管微型化研究。