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土木工程视角下脉动热管散热装置传热性能实验研究与应用

论文编号:lw202006221035398533 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2020年06月29日 论文作者:无忧论文网

本文是一篇土木工程论文,本文设计并搭建了脉动热管传热性能的实验研究装置和实验系统。通过不同的实验方法,研究并分析倾角及不同布置方式对脉动热管传热性能的影响。本文的主要结论有一下几个方面:(1)单排脉动热管不同倾角对启动性能与准稳态振荡特性影响较大。当侧倾角为 90°时,连通管和重力的共同作用使工质在较低的热负荷下,能够进行循环流动。脉动热管有最小的启动温度、最短的启动时间和最小的跳跃温差。同时,在非稳态振荡阶段并未发生间歇振荡的现象,增强了脉动热管的热稳定性。(2)双排脉动热管在连通管接通的工况下,侧倾角为 90°时,侧管内工质逐渐趋向一致的流动方式使温度振荡方式也趋向一致。并且,传热热阻明显小于 0°和 90°(水平)两种角度下的传热热阻。(3)双排脉动热管在连通管断开的工况下,脉动热管的启动时间、启动温度和跳跃温差明显增大。倾角为 90°时,在较高热负荷工况下,脉动热管传热热阻最小。并且,两侧温度变化趋势呈现出一致性。


第 1 章   绪论


1.1   研究技术背景

1.1.1   小空间、高热流散热技术需求

近年来,随着科学技术的飞速发展,各个行业都取得了巨大的进步,特别是在电子信息技术领域。目前,处理器的制造工艺已经进入了 7 nm 时代。随着制造工艺及水平的不断提高,云计算的出现和大数据时代的到来,使得人们对数据处理能力提出了更高的要求。在这种时代背景下,建设大型的数据计算中心可以满足人们的要求。大型数据中心是在有限的空间内集成了大量的电子元器件,这种布局方式必将造成小空间内的高热流密度。有研究显示,对于小空间大热流密度的数据中心,其热流密度一般可以达到 100W/cm2,在特殊情况下能达到200W/cm2[1,2]。然而,电子元器件必须在其要求的温度内才能高效安全地工作。超出额定的工作温度,不仅其运行速度变慢、工作效率下降,更能导致使用寿命降低,严重者可直接烧毁。根据研究发现,电子元器件的故障率随着温度的升高呈现指数函数关系增长,并且每升高 1 ℃,电子元器件的性能降低 5%[3,4]。因此,解决小空间、大热流密度下的电子元器件散热问题是促进电子信息技术产业发展的重要动力。对于传统的散热方式,主要通过热管和翅片强化传热过程。然而,对于高度集成化的电子信息技术产业,由于翅片体积大、散热效率低,已经不能满足当今社会的需求,传统热管在体积方面同样也不占有优势。因此,开发一种稳定可靠、传热效率高、体积小、布置灵活的散热设备,对于促进电子信息产业的发展有着重要意义。同时,对于电子信息相关产业的发展也能够起到积极的促进作用。

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1.2   脉动热管简介

脉动热管是 1990 年由日本科学家 Akachi 提出的传热装置[30]。脉动热管一般是由一根铜管弯折成 n 个带弯头的管路连接组成。脉动热管与其他一般热管最大的区别在于脉动热管内部没有毛细芯结构。为了使管内工质呈现稳定的液塞和气塞随机分布,脉动热管内部工质的重力、毛细力和工质压力必须达到平衡。这样,就使得脉动热管临界直径必须满足以下公式[31]:

脉动热管主要有回路型和非回路型两种结构,如图 1-2 所示。由于回路型脉动热管在传热性能上更具有优势,因此,研究开展的更加深入和广泛。脉动热管与传统具有吸液芯热管一样,也分为蒸发段、绝热段和冷凝段三个部分。由于脉动热管没有吸液芯。因此,工质与传统的有芯热管工质的工作有明显的区别。

图 1-2   脉动热管结构形式

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第 2 章   脉动热管传热性能分析理论基础


2.1   传热性能影响因素分析

影响脉动热管传热性能的因素主要分为内部因素和外部因素。改变内部因素是提高脉动热管传热性能的根本方法之一,涉及的传热过程主要有液塞和壁面之间、气塞和壁面之间、气液相变等传热过程。外部因素是提高脉动热管在实际应用过程中传热性能的重要方式,主要涉及运行参数、管路形状、弯头个数、倾角、充液率等。因此,在脉动热管散热器开发过程中,实际应用工况是指导脉动热管设计关键技术参数。

提高工质流动能力的方式主要有两种。一种是工质本身的性质,即选用运动粘度较小的工质;另一种是通过外界作用提高工质流动能力,最直接的方法就是通过外加作用场的方式,例如通过磁场改变工质流动的滞后角,让工质可以快速流动。但是,通过外加其他场不但需要辅助设备,在实际应用过程中也难以实现。如果不是应用于航天方面的脉动热管,最简单的方法就是合理利用重力场。

重力在工质流动的过程中既可以是动力也可以是阻力,因此,合理利用重力是提高工质流动能力切实有效的方法。要想控制重力对工质的作用效果,只要通过改变倾角就能达到目的。还有一种方法就是通过不同的布置方式,设计一种有利于工质流动的脉动热管结构,来减少工质的流动阻力。

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2.2   脉动热管启动定义

现阶段,对于脉动热管的启动判断还没有明确的定义。目前的主要判断方式有两种:一种是当温度曲线第一次出现波峰、波谷振荡就说明脉动热管开始启动,但由于脉动热管内工质随机分布,这样就造成了脉动热启动具有一定的随机性[92];另一种是利用统计学随机变量的分布理论进行判断,温度的变化可以看成是一个随机变量,温度 t 在(t0-3σ,t0+3σ)范围内发生的概率为 99.73%(σ 为随机变量的标准差),当温度变化范围瞬间超过了(t0-3σ,t0+3σ)就认为脉动热管启动[93]。

在实验过程中这两种判断方式均存在局限性。由于两种方式都是通过温度瞬间剧烈变化来判断脉动热管是否启动,而在低热负荷下,有时工质开始流动,但并未发生明显相变过程,这样在温度曲线上就不会出现波峰和波谷的变化。因此,
在温度曲线光滑上升阶段,如果 dt/dτ 的值出现明显改变时,同样可以认为脉动热管开始启动。

2.2.1   启动时间

脉动热管启动是一个具有随机性的准稳态过程。在启动前,脉动热管需要一定的时间积累热量、提高管内工质的温度,直至达到启动条件。从开始输入热负荷到脉动热管启动所经历的时间就定义为脉动热管的启动时间。 2.2.2   启动温度

脉动热管启动前工质处于平衡状态,启动过程工质需要积累了大量的热量,达到一定的温度才能使脉动热管启动。实验过程中将脉动热管启动时刻蒸发段需要达到的温度定义为脉动热管的启动温度。

2.2.3   启动功率 

脉动热管工质的流动动力来源之一就是工质在蒸发段受热气泡膨胀和在冷凝段遇冷收缩产生的压力差。气泡的长大过程需要在蒸发段吸收大量的热量,因此存在一个最小的热功率,使工质能够产生足够的压力差推动工质流动,这个使脉动热管启动的最小功率就是脉动热管的启动功率。

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第 3 章   实验系统及实验方法 .............................. 17

3.1   实验系统简介 ....................... 17

3.2   实验方法 ............................ 19

第 4 章   单排脉动热管传热性能分析 ................................. 23

4.1   启动阶段特性分析 .......................................... 23

4.1.1   脉动热管倾角为 0°时启动特性 ............................... 23

4.1.2   脉动热管倾角为 180°时启动特性 ............................ 24

第 5 章   双排脉动热管传热性能分析 .............................. 36

5.1   启动及运行特性分析 ..................................... 36

5.1.1   连通管接通时双排脉动热管启动及运行特性 ..................... 36

5.1.1.1   脉动热管倾角为 0°时启动及运行特性..........................36

5.1.1.2   脉动热管侧倾角为 90°时启动及运行特性..................36


第 5 章   双排脉动热管传热性能分析


5.1   启动及运行特性分析

5.1.1   连通管接通时双排脉动热管启动及运行特性

双排脉动热管与单排脉动热管结构的不同,导致启动特性存在明显的差异,为了研究双排脉动热管启动过程及运行特性,对两侧平均温度曲线进行分析。同时,为了分析不同的启动方式对脉动热管准稳态运行阶段的影响,将启动过程与准稳态运行阶段相结合分析。

5.1.1.1   脉动热管倾角为 0°时启动及运行特性

图 5-1 为倾角 0°时,脉动热管温度变化曲线,图中上下两侧平均温度通过公式(5-1)进行计算。图中红色曲线为上侧管路的平均温度变化,黑色曲线为下侧管路平均温度变化。从图中发现,温度在上升过程中(τstart 前)多次出现 dt/dτ 的值变化明

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