角度變化對平板微熱管性能的影響分析

0引言

平板微熱管陣列內(nèi)部由多個(gè)相互獨(dú)立的微通道熱管組成，與傳統(tǒng)熱管相比較具有熱傳遞和承壓能力強(qiáng)、均溫性和啟動(dòng)性好、工作可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)^[1-3],因而被廣泛應(yīng)用于電子元器件、LED散熱以及太陽能集熱領(lǐng)域^[4-5]。

Huang等人^[6]對應(yīng)用丙酮、環(huán)戊烷和正己烷三種不同工質(zhì)的平板微熱管陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明以丙酮為工質(zhì)的平板熱管的熱工性能最優(yōu)。

Moon等人^[7]對熱管毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)炭纖維束結(jié)構(gòu)的毛細(xì)芯能夠有效提升平板熱管的換熱性能。

Rahman等人^[8]對四種不同填充工質(zhì)的平行微熱管進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同熱源溫度和工質(zhì)對熱管的傳熱特性有很大影響，與丙酮、丙醇-2和乙醇相比，以甲醇為工質(zhì)的微熱管具有最低的蒸發(fā)表面溫度，在較高熱通量下熱導(dǎo)率最高，是磁流體動(dòng)力系統(tǒng)的最佳工作流體。

Xin等人^[9]提出了一種新型的平板熱管漸變槽芯設(shè)計(jì)，研究軸向帶槽壁、微槽尺寸對熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱流量為5 W 時(shí)，熱管的有效導(dǎo)熱系數(shù)提高了12.4%,并且?guī)О疾坌逼率綒庖罕诿嬖O(shè)計(jì)不僅簡單，而且更符合實(shí)際應(yīng)用。

王裴等人^[10]提出一種槽道周邊采用鋸齒狀結(jié)構(gòu)的熱管，發(fā)現(xiàn)鋸齒狀結(jié)構(gòu)可以強(qiáng)化底層擾流和換熱，對該結(jié)構(gòu)的熱管的傳熱性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該熱管具有很好的均溫性，最大溫差僅為0.8℃。

平板微熱管相關(guān)參數(shù)的選取對熱管的傳熱性能有很大影響，但目前對平板微熱管整體傾斜角度、冷凝段彎折角度方面的研究較少，本文將通過實(shí)驗(yàn)研究平板微熱管整體傾斜角度、冷凝段彎折角度對平板微熱管傳熱性能的影響，以期為平板微熱管的應(yīng)用提供相關(guān)參數(shù)參考。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)以填充工質(zhì)為25%的平板微熱管為研究對象，研究了平板微熱管整體在傾斜角度為0°~90°和冷凝段彎折角度為0°~30°時(shí)的均溫性能和傳熱性能，平板微熱管的尺寸為250 mm×40 mm×3mm,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由銅板加熱系統(tǒng)、平板微熱管、保溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，如圖1所示。

2性能評價(jià)方法

通過傅里葉定律計(jì)算得到通過微熱管的熱流密度值q:

式中：q₁、q₂為加熱銅板上不同測點(diǎn)之間的熱流密度；t?、t?>t?為加熱銅板上的測點(diǎn)溫度；λ為銅板的導(dǎo)熱系數(shù)；△X為測點(diǎn)的間距，△X=10mm。

溫差△T為微熱管的軸向溫差：

式中：t?、t?為蒸發(fā)段溫度；t?、t?為冷凝段溫度。熱阻為微熱管蒸發(fā)段到冷凝段的熱阻：

式中：R?為微熱管蒸發(fā)段到冷凝段的熱阻；Q為微熱管的加熱功率。

3結(jié)果和分析

3.1 傾角對平板微熱管性能的影響

平板微熱管軸向溫差在不同傾斜角度下隨時(shí)間變化曲線如圖2所示，從圖中可以看出，軸向溫差隨著加熱時(shí)間的加長呈增大趨勢，當(dāng)傾斜角度從0°增大到10°時(shí)，平板微熱管的軸向溫差增幅逐漸減小，當(dāng)傾角大于10°時(shí)，平板微熱管的軸向溫差增幅隨著傾角的增大基本保持不變；當(dāng)傾角從0°到10°時(shí)，平板微熱管的平均軸向溫差從7℃減小到1℃,當(dāng)傾斜角度為150和30°時(shí)，微熱管陣列的平均軸向溫差最小，僅為0.7℃。

平板微熱管的熱阻在不同傾斜角度下隨熱流密度變化曲線如圖3所示，可以看出，當(dāng)平板微熱管的 傾角在0°~5°范圍內(nèi)變化時(shí)，熱阻隨著熱流密度的增大而增大，當(dāng)傾角大于10°時(shí)，平板微熱管的熱阻隨 著熱流密度的增大先減小而后基本保持不變。當(dāng)平板微熱管的傾角從0°增加到10°時(shí)，微熱管陣列的平 均熱阻從3.85℃/W 減小到0.66℃/W。

3.2 彎折對平板微熱管性能的影響

平板微熱管軸向溫差在不同冷凝段彎折角度下隨時(shí)間變化曲線如圖4所示，從圖中可以看出，平板微熱管的軸向溫差隨著加熱時(shí)間的加長先增大后基本保持不變，冷凝段彎折角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°時(shí)的平均軸向溫差為1.05、1.02、1.1、0.93、1.12、1.06、1.19℃,平板微熱管冷凝段的彎折角度大于15°時(shí)的平均溫差大于冷凝段彎折角度小于15°時(shí)的平均溫差，當(dāng)平板微熱管冷凝段彎折角度為15°時(shí)，平板微熱管的平均軸向溫差最小，為0.93℃。

平板微熱管的熱阻在不同冷凝段彎折角度下隨熱流密度變化的曲線如圖5所示，從圖中可以看出，平板微熱管的熱阻隨著熱流密度的增大先減小后基本保持不變。冷凝段彎折角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°時(shí)的平均熱阻為0.63、0.61、0.67、0.5、0.76、0.79、0.82℃/W。 平 板 微 熱 管 冷 凝 段 的 彎 折 角 大 于15°時(shí)的熱阻大于小于15°時(shí)的熱阻，當(dāng)平板微熱管冷凝段的彎折角度為150時(shí)，平板微熱管的平均熱阻最小，為0.5℃/W。

4結(jié)論

本文以填充工質(zhì)為25%的平板微熱管為研究對象，實(shí)驗(yàn)研究了微熱管整體傾斜角度、冷凝段彎折角度對平板微熱管性能的影響，得到以下結(jié)論：

1)當(dāng)平板微熱管水平放置以逆時(shí)針角度變化的過程中，在傾斜角度從0°變化到10°時(shí)，平板微熱管的性能有很好的改善，當(dāng)傾斜角度大于10°時(shí)，傾角的改變對平板微熱管性能的改善無顯著作用，傾斜角度大于10°時(shí)平板微熱管的熱性能明顯好于0°時(shí)，所以在實(shí)際應(yīng)用中平板微熱管傾斜角度應(yīng)大于10°使用。

2)當(dāng)平板微熱管垂直放置，冷凝段的彎折角度為15°時(shí)，平板微熱管具有較好的均溫性和傳熱性， 此時(shí)的平均溫差和熱阻為0.93 ℃和0.5℃/W; 當(dāng)平 板微熱管冷凝段的彎折角度大于15°時(shí)，平板微熱管的平均軸向溫差和平均熱阻均大于冷凝段彎折角度小于15°時(shí)的平均溫差和熱阻，所以在實(shí)際應(yīng)用中平板微熱管的冷凝段彎折角度應(yīng)小于15°使用。

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2024年第15期第11篇