脉动热管传热能力增加的方法文献综述

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[1, 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[1]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

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[3]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。