微熱管及其傳熱理論分析課件

微熱管及其傳熱理論分析1.微熱管及其傳熱理論分析1.微熱管及微熱管換熱器

微熱管是以相變傳熱為基本工作原理的一種有效的散熱器件2.微熱管及微熱管換熱器微熱管是以相變傳熱為基本工作原理熱管的研究背景

當(dāng)今傳熱工程面臨兩大問題：研究高絕熱材料和高導(dǎo)熱材料。具有良好導(dǎo)熱性的材料有鋁[(λ＝202W/m?℃)]、柴銅[λ＝385W/m?℃]、和銀：λ＝410W/m?℃)]，但其導(dǎo)熱系數(shù)只能達(dá)到102W/m?℃的數(shù)量級(jí)，遠(yuǎn)不能滿足某些工程中的快速散熱和傳熱需要，熱管以及微熱管的發(fā)明就解決了這一問題。微熱管的相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)105W/m?℃的數(shù)量級(jí)．為一般金屬材料的數(shù)百倍乃至上千倍。它可將大量熱量通過很小的截面積遠(yuǎn)距離地傳輸而無需外加動(dòng)力。由于熱管具有導(dǎo)熱性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、溫度均勻等良好性能．微熱管是傳熱領(lǐng)域的重大發(fā)明和科技成果，給人類社會(huì)帶來巨大的實(shí)用價(jià)值。3.熱管的研究背景3.微熱管的應(yīng)用領(lǐng)域4.微熱管的應(yīng)用領(lǐng)域4.5.5.微熱管工作原理當(dāng)微熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結(jié)成液體，液體在沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段。如此循環(huán)不已，熱量便從一端傳到了另一端！

微熱管工作時(shí)利用了三種物理學(xué)原理：⑴在真空狀態(tài)下，液體的沸點(diǎn)降低；

⑵同種物質(zhì)的汽化潛熱比顯熱高的多；

⑶多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)液體的抽吸力可使液體流動(dòng)。6.微熱管工作原理當(dāng)微熱管的一端受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸三個(gè)區(qū)段的劃分：根據(jù)外部熱交換情況分：加熱段、絕熱段、冷卻段根據(jù)管內(nèi)工質(zhì)傳熱傳質(zhì)情況分：蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段7.三個(gè)區(qū)段的劃分：7.微熱管工作原理微熱管在實(shí)現(xiàn)其熱量轉(zhuǎn)移過程中，包含了六個(gè)相互關(guān)聯(lián)的主要過程：①熱量從熱源通過微熱管管壁和充滿工作液體的吸液芯傳遞到液—汽分界面②液體在蒸發(fā)段內(nèi)的液—汽分界面上蒸發(fā)③蒸汽腔內(nèi)的蒸汽從蒸發(fā)段到冷凝段④蒸汽在冷凝段內(nèi)的汽—液分界面上凝結(jié)⑤熱量從汽—液分界面通過吸液芯、液體和管壁傳給冷源⑥在吸液芯內(nèi)由于毛細(xì)作用使冷凝后工作液體回流到蒸發(fā)段

8.微熱管工作原理8.微熱管工作原理R1：熱源與微熱管外表面的傳熱熱阻R2：蒸發(fā)段管壁徑向傳熱熱阻R3：蒸發(fā)段毛細(xì)芯徑向傳熱熱阻R4：汽—液交界面蒸發(fā)傳熱熱阻R5：蒸汽軸向流動(dòng)傳熱熱阻R6：汽—液交界面冷凝傳熱熱阻R7：冷凝段毛細(xì)芯徑向傳熱熱阻R8：冷凝段管壁徑向傳熱熱阻R9：管壁外表面與熱匯傳熱熱阻R10：管壁軸向傳熱熱阻R11：吸液芯軸向傳熱熱阻R10、R11與R1—R9相比很大，通?？醋鹘^熱?？偀嶙瑁篟=R1+….+R9從熱源到熱匯的總溫降△T也是這9個(gè)溫降的總和，△T=△T1+…+△T9微熱管的傳熱過程：總熱流量Q與總溫降△T、總熱阻R的關(guān)系為：Q=△T/R9.微熱管工作原理R1：熱源與微熱管外表面的傳熱熱阻9.微熱管的工作特性

對(duì)于普通熱管，其液體和蒸汽循環(huán)的主要?jiǎng)恿κ敲?xì)材料和液體結(jié)合所產(chǎn)生的毛細(xì)力。假設(shè)熱管中沿蒸發(fā)段蒸發(fā)率是均勻的，沿冷凝段冷凝率也是均勻的，則其質(zhì)量流率、壓力分布、溫度分布及彎月面曲率的分布如右上圖所示。在蒸發(fā)段內(nèi)，由于液體不斷蒸發(fā)，使汽液分界面縮回到管芯里，即向毛細(xì)孔一側(cè)下陷，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)的表面上形成彎月形凹面。而在冷凝段，蒸汽逐漸凝結(jié)的結(jié)果使液汽分界面高出吸液芯，故分界面基本上呈平面形狀，即界面的曲率半徑為無窮大(見右上圖上部及右下圖)。曲率半徑之差提供了使工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力(循環(huán)壓頭)，用以克服循環(huán)流動(dòng)中作用于工質(zhì)的重力、摩擦力以及動(dòng)量變化所引起的循環(huán)阻力。

熱管液汽分界面的形狀（a）管起動(dòng)前的液—汽交界面（b）熱管工作時(shí)的液—汽交界面（c）吸液芯內(nèi)液—汽界面參數(shù)10.微熱管的工作特性對(duì)于普通熱管，其液微熱管

微熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理與常規(guī)熱管類似，最大的區(qū)別是常規(guī)熱管內(nèi)部通常存在專門提供毛細(xì)力以供工質(zhì)回流的毛細(xì)吸液芯；而微熱管則主要是通過溝道尖角區(qū)完成工質(zhì)的回流。

理論分析發(fā)現(xiàn)只要是非圓形的截面都能提供或大或小的毛細(xì)力。微熱管發(fā)展之初，常用的溝道結(jié)構(gòu)主要是簡(jiǎn)單的三角形和矩形結(jié)構(gòu)，圖中(a)、(b)、(c)。隨著機(jī)械加工和其他各種加工技術(shù)的發(fā)展，一些比較不規(guī)則的結(jié)構(gòu)也進(jìn)入研究之列，如圖中(d)、(e)、(f)。11.微熱管微熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理與常規(guī)熱管類似，最大微熱管陣列

上述單根微型熱管的傳熱量往往不是很大，為了提高傳熱能力，在基底材料上加工出一系列獨(dú)立、平行的微細(xì)槽道，形成微型熱管陣列，以增加散熱面積。這種微型熱管陣列在啟動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)，由于總壓降的不平衡，其內(nèi)部可能出現(xiàn)汽液流動(dòng)方向相同的現(xiàn)象。而且由于汽態(tài)和液態(tài)工質(zhì)共用同一流動(dòng)通道，其高速反向運(yùn)動(dòng)帶來的截面剪切摩擦力降低了微熱管的傳熱性能。為此，人們將這些微型熱管簇的蒸汽空間連通，形成微型平板熱管。微熱管由陣列型向平板型轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)改變由下圖給出。12.微熱管陣列上述單根微型熱管的傳熱微熱管陣列由圖可以看出，蒸發(fā)段液體吸收熱量并在汽液交界面上蒸發(fā)成蒸汽導(dǎo)致液體向三角形頂角退去，所以蒸發(fā)段彎月面半徑較小，在穩(wěn)定工作狀態(tài)及一定的輸入熱量Q下，此時(shí)蒸發(fā)段端部的彎月面半徑就是最小彎月面半徑，記作Rmin。冷凝段有大量蒸汽冷凝導(dǎo)致液量增加彎月面半徑增大，在穩(wěn)定工作狀態(tài)及一定的輸入熱量下，此時(shí)冷凝段端部的彎月面半徑就是最大彎月面半徑，記作Rmax。蒸發(fā)段和冷凝段端部彎月面半徑的差異正是溝道產(chǎn)生毛細(xì)力的根源。13.微熱管陣列13.微熱管傳熱極限分析

微型平板熱管通過相變換熱的工作機(jī)理使其具有很強(qiáng)的傳熱能力，但也不能無限制的增大其熱載荷，熱管工作過程中也受到很多因素影響存在一定的傳熱極限。傳熱極限的大小是由熱管的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、外部形狀特征、管殼材料、加工方法、工質(zhì)特性、工作溫度等共同決定的14.微熱管傳熱極限分析微型平板熱管通過相變換熱的工作機(jī)理槽道式平板微熱管理論分析以微槽道平板微熱管為例如下圖所示，利用一維穩(wěn)態(tài)模型，對(duì)影響其性能的幾個(gè)結(jié)構(gòu)性問題做定量分析，指出其性能可進(jìn)一步提高的潛在范圍。15.槽道式平板微熱管理論分析以微槽道平板微熱管為例15.構(gòu)建模型的四個(gè)假設(shè)條件

熱管工作在穩(wěn)定的條件下，不考慮微熱管的瞬態(tài)和不穩(wěn)定狀態(tài)；氣體和液體工質(zhì)的密度為恒定值，均為不可壓縮流體；液態(tài)工質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)其液體表面彎月面半徑僅沿軸向變化，簡(jiǎn)化為一維模型；同理工質(zhì)的物理參量也只能沿軸向發(fā)生變化，例如壓強(qiáng)、流速等均取其在流體橫街面上的平均值。16.構(gòu)建模型的四個(gè)假設(shè)條件

熱管工作在穩(wěn)定的條件下，不考慮微熱管模型的控制方程

對(duì)于有限容積單元dz，在其處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)滿足質(zhì)量恒定，即單位時(shí)間內(nèi)流入有限容積單元dz和流出dz的質(zhì)量是相等的，如下圖所示。17.模型的控制方程對(duì)于有限容積單元dz，在其處于穩(wěn)定狀態(tài)模型的控制方程質(zhì)量守恒方程——液體工質(zhì)的密度；——在某一位置液體工質(zhì)流體的橫截面面積；——液體工質(zhì)在某一橫截面位置的平均流速。式中：氣體液體18.模型的控制方程質(zhì)量守恒方程——液體工質(zhì)的密度；——在某一位模型的控制方程動(dòng)量守恒方程氣體液體19.模型的控制方程動(dòng)量守恒方程氣體液體19.模型的控制方程Laplace-Young方程微熱管在工作時(shí)，蒸汽在冷凝段冷凝，液體在冷凝段增多，使彎月面半徑變大；而液體在蒸發(fā)段受熱蒸發(fā)，液體向尖角區(qū)流動(dòng)，使毛細(xì)半徑變小。槽道內(nèi)部的毛細(xì)作用就是由這種冷凝段和蒸發(fā)段之間的毛細(xì)半徑之差產(chǎn)生的。彎月面的產(chǎn)生是由于工質(zhì)表面張力、氣提壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)之間共同作用的結(jié)果，Laplace-Young方程給出了彎月面半徑和氣液壓強(qiáng)之間的關(guān)系：式中σ——表面張力20.模型的控制方程Laplace-Young方程式中σ—模型的控制方程邊界條件為求解上述微分方程，需要確定微分方程所涉及相關(guān)參量的邊界條件，微分方程組在蒸發(fā)段端部（z=0）的邊界條件如下：式中—彎月面半徑在蒸發(fā)段端處的初值；

—在工作溫度下的飽和蒸汽壓。21.模型的控制方程邊界條件21.模型的控制方程最大傳熱量Q的計(jì)算首先假設(shè)蒸發(fā)端的彎月半徑r0為rmin；通過模型計(jì)算得出輸入熱量qm為時(shí)的彎月面半徑的軸向分布；然后不斷增大qm并通過模型計(jì)算出冷凝端處的彎月面半徑，直到其恰好等于rmax，則此刻的輸入熱量qm即為微型多槽道平板熱管的最大傳熱量Q。22.模型的控制方程最大傳熱量Q的計(jì)算22.未來微熱管研究展望

盡管在微熱管領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的研究成果，但是該領(lǐng)域畢竟是一個(gè)全新領(lǐng)域，尚有很多問題有待解決。展望未來，主要的研究領(lǐng)域有：發(fā)展更精確、更可靠的微熱管的機(jī)械加工技術(shù)以解決細(xì)微結(jié)構(gòu)機(jī)械加工費(fèi)用昂貴