文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123258
高热流密度下毛细芯中的传热传质分析
王超,黄晓明* 基金项目:国家自然科学基金资助项目:51106057;华中科技大学自主创新研究基金:2011QN150
(华中科技大学能源与动力工程学院,武汉 430074)
(Tel: **********, Email: 601260410@)
摘要:高热流密度下,LHP蒸发器中气液蒸发界面可能由毛细芯表面退至毛细芯内部,从而在毛细芯层内出现蒸汽层。蒸汽层的出现将会对LHP系统的自调节热传输机制产生较大影响。对高热负荷条件下蒸汽层产生条件以及各种影响因素的研究对LHP系统的设计有着重要意义。本文旨在发展一个新的稳态模型,将蒸发器芯层内热质传输过程与回路热管的热力平衡进行耦合分析,并由此对芯层内气液界面位置进行预判断。回路热力模型的应用,使得系统运行参数、毛细芯结构参数对蒸发器芯层内部传热机制的影响清晰直观。
关键词:高热流密度、蒸汽层、回路热力分析
近年来,利用气液相变传热的被动式两相热传输装置,如毛细抽吸回路(Capillary Pumped Loop: CPL)以及回路热管(Loop Heat Pipe: LHP)等,由于热传输能力强、无需外加动力等,在电子器件冷却及航空航天领域得到了广泛关注。本文针对极具应用潜力的小型平板LHP装置进行研究,其装置原理图如图1所示。LHP装置通常由蒸发器,冷凝器,蒸汽、液体管道和补偿腔组成。其工作原理是,液体在蒸发器中受热汽化,汽化后产生的蒸汽通过蒸汽管道传输到冷凝器,在冷凝器中由于热量被散出,蒸汽凝结成液体,通过液体管道,到达蒸发器底部,最终由蒸发器毛细芯所产生的毛细抽吸力,将液体送回蒸发液面,完成一个循环。其中蒸发器是LHP系统的关键部件,本文所研究的装置蒸发器如图2所示。在蒸发器毛细芯表面或内部产生的蒸发毛细弯液面具有自调节机制,使得毛细压头可以与整个系统的流动阻力相匹配。
图1 LHP装置示意图图2 LHP蒸发器示意图
高热流密度下,蒸发器中的气液蒸发界面可能由毛细芯表面退至毛细芯内部,从而在毛细芯层内出现蒸汽层。蒸汽层的出现会导致工质的流动阻力增大、毛细芯漏热增强以及毛细极限和沸腾极限的出现。有关高负荷下蒸发器毛细芯内传热传质特征,已有不少学者展开了研究。Demidov和Yatsenko[1]对毛细芯内气液共存的传热传质过程进行了研究,并分析了蒸汽区随着热负荷增长而增长的情况。Figus等[2]采用二维孔网络的方法对气膜厚度、气液界面形状等问题进行了探讨。任川等[3]基于多场耦合模型对高负荷下包含蒸汽层的毛细芯内复杂多场耦合问题进行了全面分析。Zhao[4]等还通过实验研究分析了蒸汽层随热热负荷的变化规律。
由于LHP蒸发器毛细芯内蒸汽层厚度很难通过实验进行测量,因此理论研究方法预测蒸汽层厚度,再与实验研究相结合的方法就显得极为重要。上述研究中,尽管对蒸发器毛细芯内多场耦合问题进行充分的探讨,但并未将部件级分析与系统级相结合,对实际系统的指导意义也就有限。
本文将通过蒸发器毛细芯内传热传质模型和LHP系统回路传热与流动模型相结合的方法,将毛细芯内蒸汽层厚度与系统的结构参数和运行参数联系起来。在该模型的基础上,部件级(蒸发器)与系统级(整个回路)的传热与流动问