並行式熱管

並行式熱管（全稱迴路並行式熱管(LPH) 又稱為迴路並行式熱虹吸管(LPT)）是一種新概念的熱虹吸管。迴路並行式熱管是兩根直管段和兩個 U 型彎頭連線起來的一種熱管形式。它和普通的熱虹吸管有很大的區別。單根熱虹吸管(STT) 的研究很多, 相關理論也很成熟, 套用範圍很廣, 同時也存在著不足。迴路並行式熱管因其本身的結構優勢能很好地改善 STT 的不足, 但其內部機理遠比普通熱虹吸管複雜, 是涉及多學科、多參數的汽液兩相流系統。詳細介紹了介紹了迴路並行式熱管的結構、特點, 分析了實驗所觀察的物理現象和影響性能的主要因素。

基本介紹

• 中文名：並行式熱管
• 外文名：parallel heatpipe
• 中文全稱：迴路並行式熱管
• 英文全稱：looped parallel heatpipe
• 別名：迴路並行式熱虹吸管
• 別名英文：looped parallel thermosyphon
• 領域：能源
• 學科：熱力學

結構特點

迴路並行式熱管的工作原理和結構特點與普通的熱虹吸管有很大的差異。圖 1 所示的是單根熱虹吸管, 工作液體在內部從蒸發到冷凝然後在重力的作用下液體回流到蒸發端, 蒸汽和冷凝液在同一根管子內部流動;

單根熱虹吸管

迴路並行式熱管

圖 2 是迴路並行式熱管, 兩側同時加熱和冷卻, 工作液體在蒸發段蒸發汽化, 蒸汽同時沿著兩側管上升, 同時沿壁面冷卻回流。此外迴路並行式熱管還具有如下的一些基本特點: 內部吸液芯和絕熱段可有可無; 加熱段的布置位置和加熱方式靈活; 無需外加動力, 主要依靠重力回流, 在很小角度的情況下能產生自激循環來工作, 同時傳遞工作液體的潛熱和顯熱; 內部工作液體的流動方式會隨著角度的不同而改變。

基於以上特點, 與普通的熱虹吸管相比, 迴路並行式熱管具有如下顯著的優點:
(1)結構簡單, 生產成本低。內部結構簡單, 無需吸液芯, 減少了熱管結構的複雜性和加工的難度, 降低了生產成本; 熱量傳遞能力來自於自身液體的相變和重力的輔助作用, 無需其它外加設備, 減少了運行和維護的費用。

( 2)傳熱性能好。迴路並行式熱管由於迴路的存在使得熱管在工作過程中不容易出現乾涸現象，達到傳熱極限。在合適的充液率下，傳熱能力比普通的熱虹吸管大2-4倍。
(3)適應性好。熱管的布置靈活，可以有多個冷卻段和加熱段;而且可以在0^。-90^。之間任意角度轉動;克服了普通熱虹吸管在0^。角附近工作不正常，傳熱惡化的現象，大大增加了它的適應性，擴大了使用範圍。不但可以套用於大型工業換熱器，也可以套用於小型微電子產品的散熱器，以及其他一些要求嚴格的特殊場合。

物理現象

迴路並行式熱管的物理現象指熱管啟動和正常運行時管內液體的流型和運行特徵。在低熱流密度和大充液量的情況下，出現間隙沸騰也即發生大液塞脈衝振盪;在充液量稍大的情況下，出現小液塞脈衝現象;情況較好的是工作液體在管壁形成液膜同時底部有一很小的液池;在大熱流密度和小充液量的情況下則會出現乾涸現象，加熱段壁而溫度迅速上升，出現極限狀態。

在較低熱流密度時，管底部的液池沒能產生沸騰，池內主要是自然對流;隨著熱流密度的增大，液池內產生氣泡，發生脈衝現象;繼續增大熱流密度，液池內形成沸騰，蒸汽量大大增加，汽液界而的相互作用力加大，管壁出現許多穩定或不穩定的小溪流。.當熱流增大到一定的程度時會發生突發沸騰;進一步增大熱流流動轉變為膜態沸騰，沸騰換熱係數增高。

在加熱段或者冷卻段熱流密度不均衡時，管子內部的工作液體在通道內部產生整體形式循環。蒸發段熱流密度大的一側產生的蒸汽壓力較大，推動蒸汽向熱流密度小壓力低的一側，整個環路最終達到一個自激平衡的狀態。

影響因素

影響迴路並行式熱管運行與性能的因素很多，大致可以概括為以下幾個方而:
（1）幾何參數迴路並行式熱管的長度、截而幾何形狀、尺寸以及加熱段/絕熱段/冷卻段的長度，是否加吸液芯。
（2）物理參數工作介質的充液率和物理性質，工作液體和管子材料的相溶性，管子材料的物理性質。
（3）操作參數加熱和冷卻的方法、位置、熱流密度的大小，工作時熱管的傾斜角度。

迴路並行式熱管傳熱特性通常是這些因素綜合作用的結果，不能認為是孤立的。下而討論幾個重要的影響因素。

物理特性

管徑

管子的直徑不能很小, 若到一定的程度使得內部產生液塞和氣泡共存, 就成為了單迴路的振盪熱管。所以對於迴路並行式熱管最小的直徑就是要超過振盪熱管的最大內徑。

傾斜角度

熱管的傾斜工作情況有兩種, 工作狀態下, 熱管可以在 0°≤θ≤180°之間變化時都能保持正常的工作狀態; 根據充液量的不同, 在角度變化時內部工作液體的流動形式是不同的。在均衡加熱大角度的時候, 熱管內部的流動情況和 STT 相似; 而在小角度的工作情況下內部流動情況就發生了變化, 形成了工作介質的循環流動 工作狀態下, 熱管需要在正傾角狀態下工作, 均衡加熱時工作液體與 STT 相似。

加熱和冷卻方式

當兩側加熱或者冷凝不均, 即熱流密度不相等時, 熱管內部的流動情況將會發生變化。 無論狀態 或者是狀態, 當兩側的加熱或者冷卻不平衡時, 內部的汽液流動會形成循環迴路, 由熱流密度大的一側到熱流密度小的一側。

液介質物理性質

充液介質的物理性質包括表面張力、比熱容、汽化潛熱、動力黏度、密度、飽和狀態下壓力隨溫度的變化率等。研究發現在不同冷卻速度以及不同工質種類條件下的溫度分布和動態回響特性有很大差別, 通過比較水、氨、乙醇、丙酮在相同的加熱和冷卻條件下的情況, 得出水和氨做工質的熱管具有較高的換熱能力和較快的回響速度。

比較了水和乙醇在同樣的熱輸入條件下, 水的換熱係數要比乙醇大約高 2 倍, 其原因主要是介質的物理特性決定的。

充液率

充液率為工作介質的總體積占熱管內部加熱部分體積的百分比。和普通熱管一樣, 迴路並行式熱管的充液量對其傳熱性能的影響也很大。找到一個最佳的充液量和適用的計算式, 一直是研究人員追求的目標。但由於其工作的狀態、位置的不同, 充液量跟 STT 相比有很大的差別。由於當前迴路並行式熱管的研究還處於起步階段, 弄清充液量對熱管傳熱性能的影響需要進行大量的試驗和研究工作。

套用研究

由於迴路並行式熱管良好的性能及靈活的安裝布置方式, 使得套用範圍很廣。

電子器件散熱

隨著電子技術的迅猛發展, 電子器件及設備的集成度越來越高, 功耗也越來越大。研究資料表明, 單個半導體元件的溫度每升高 10 ℃, 系統的可靠性降低 50%, 超過 55%的電子設備的失效形式是由溫度過高引起的, 由此可見電子器件的散熱顯得尤為重要。開發小而輕、散熱能力強、成本低的新型傳熱裝置成為研究人員的新興課題, 振盪熱管、迴路熱管、微型熱管、低溫熱管、熱虹吸管等各種散熱產品不斷湧現。

工業熱利用

同其它形式的換熱器相比, 熱管換熱器具有傳熱效率高, 壓力損失小, 工作可靠, 結構緊湊, 冷熱流體不混雜, 無輔助動力和維修費用低等優點。工業熱管換熱器, 基本上是熱虹吸管(重力熱管)的形式。工業碳鋼- 水熱虹吸管容易產生不凝性氣體而失效; 傳熱能力、使用範圍有限; 熱管再生複雜工作量大。這些問題導致實際使用時設計安全係數大, 鋼材耗量和體積增大。迴路並行式熱管, 不但傳輸功率比熱虹吸管大, 節約了鋼材耗量, 減少了體積; 而且並行式熱虹吸管的再生方便,恢復簡單, 花時少。所以在工業熱利用方面, 迴路並
行式熱管比熱虹吸管有更大的套用前景。

其他特殊套用

大型天文望遠鏡的焦面散熱是比較複雜和十分重要的問題。由於望遠鏡焦面處於真空環境, 焦面及其支座需要繞軸轉動, 同時又要沿軸向做前後運動,鏡筒傾角也需要在 3°<a≤90°內轉動。由於單位面積發熱量大, 強制循環水冷卻需要配置水泵和相應的循環管道, 同時最大的危險就在於運行時間久了以後管路容易滲漏, 使得鏡筒內昂貴的儀器設備損壞。因此將迴路並行式熱管用於焦面散熱有如下的優點:

(1)迴路並行式熱管比其他熱管更適合於這樣的工作條件, 可以將處於真空環鏡中的焦面接收的熱量迅速的傳至鏡筒外;

(2)熱管內工質的循環是依靠重力作用, 無需外加動力, 因而不需要循環泵和相應的管道;

(3) 熱管可以做成不同的形式, 冷熱段可以嚴格的分開, 冷段可以採取一些強化傳熱的措施,提高散熱能力。