微槽道吸液芯热管的发展现状

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1、槽道吸液芯热管的发展现状及应用展望高黑兵 高鹏(昆明理工大学材料科学与工程学院，云南 昆明 650093)摘要：本文在 2010 年陶汉中等发表的槽道吸液芯研究进展基础 之上，针对近两年最新研究成果，按照时间顺序，而且根据槽道的不 同结构进行分类论述，尤其重点介绍了Q形轴向槽道热管的发展现 状，最新研究理论和成果表明：作为槽道热管发展的新生代，当量导 热系数是360460KW/ (m.C),能达到紫铜的1000倍，其更加优良 的传热特性，可以应用于梯度大、品位低、热值分散的中低温余热回 收，提高其回收效率和品质，促进节能减排，推进国家十二五规划的 顺利实施，将是新的亮点；关键词：微槽道Q形轴向

2、槽道中低温余热回收自1964年Grover明确提出了热管概念，1965年Cotters发表了 热管的基础理论Cotter理论以来，热管技术的研究和应用一直受到广泛重视。经过近半个世纪的发展，出现了平板型热管、环路技术 热管、脉动技术热管等新兴品类，也相继出了铁丝网、内烧结等吸液 芯等新形式结构热管。随着热管技术研究的发展与深入，其重心也已经从理论研究转移 到应用研究，热管应用研究已经由航天转向地面，由工业转向民用， 在太阳能利用、笔记本电脑 CPU 散热冷却、冶金能源、建筑节能等 领域的应用，也将促进新型热管技术的开发与应用3。目前，我国各主要工业部门余热资源率平均达到 7.3%，而余热资 源

3、回收率仅为 34.9%，尚未回收的余热主要以低温余热为主，回收潜 力十分巨大4。工业上采用的碳钢-水热管制成的热管省煤器、空气预 热器等产品，只能对1000c高温余热进行有效回收。对于用于中低 温余热回收的热管研究，尚处于发展阶段。针对中低温余热热储量大， 但因其品位低、分布分散，迫切需要一种高效传热换热的装置元件， 槽道吸液芯热管应运而生。对于微槽道形式吸液芯热管，最早见于Kemme5 在1966年和1969 年的报告。槽道形式吸液芯热管一经提出，就受到广泛的关注。当今， 微槽道热管，因其单位几何结构和工质填充下，蒸发段和冷凝段段均 具有较高的换热效率(103-105W/m2K)和较小的热阻

4、(0.01-0.03K/W) 6，而占据了吸液芯式热管研究的最前沿阵地。微槽道热管按照槽道 形状可以分为内三角形(triangle)矩形(rectangular )、梯形(trapezoid) 和最新发展起来的“C形等。2010 年，陶汉中7等人，针对应用于电子元器件散热领域的微槽 道热管研究进展，已经作出了相对比较全面的总结。本文在其基础之 上，不仅按照时间顺序，而且根据槽道的不同结构进行分类论述，尤 其重点介绍了Q形轴向微槽道热管的发展现状。1 槽道热管特性槽道热管，是在实现热管多相传热、热阻更小、传热系数更高等 功能的同时，利用槽道界面张力的作用可以使液相工作介质回流从而 实现吸液芯的功

5、能5-6。具有以下特点7：（1）对于理论研究，槽道热管的吸液芯结构几何外观上比较明晰、 随机性较小，因此更适合微流动、微相变和微尺度传热过程的分析， 其对于微肋、狭槽类微型能量系统的研究性更明确，针对性更强。（2）槽道热管的毛细回流力由汽液两相界面轴向曲率半径差提 供，作用力方向为槽道延展方向，且汽液两相直接接触等特点使槽道 热管的理论研究更具特点。（3）从应用角度来看，槽道热管的吸液芯结构是在管内壁加工的 一些流体通道，吸液芯结构与壁面为一整体。这一特点带来了两方面 的优势：首先，壁面与吸液芯结构之间的热阻较小；其次，二次加工 性能好，在弯曲、压扁等加工过程中，不会出现吸液芯结构与壁面剥 离

6、甚至脱落现象，保持良好传热性能。（4）蒸汽与金属接触面积大，从而使得热管具有较小的热阻。蒸 发段槽道内的液体三面受热，接触线附近的薄液膜区相变阻力很小。 在冷凝段，蒸汽在槽顶凝结后，在径向表面张力作用下，使该部分区 域的液膜厚度极小，冷凝换热能力大大加强。（5）吸液芯结构的各向异性使其在离心场、电磁场等环境下得到 应用，发挥更大的作用。2 研究概述2.1 理论研究对于槽道热管的理论分析，既有与其他吸液芯形式相同的分析方 法，也有针对槽道开展的理论研究。目前主要集中在运用数值模拟分析法研究。数值分析方法是指采用有限单元法、有限差分等方法数值求解动 量、质量和能量守恒方程，得到微槽道热管内部的流动

7、传热传质特性。 对于热管流动和传热过程的数值模拟，目前仍处于发展阶段。由于微 槽道热管内部过程牵涉多相流、相变传热、毛细驱动力和多孔介质等 多个复杂领域，随而出现了一些采用非线性导热体简化模型，来进行 热管数值模拟分析计算的软件8，对于微槽道热管的数值模拟，运动 界面追踪技术可能成为其重要的发展方向和研究方法9-10。由于涉及内部流动传热传质等基本过程，热管本身的传热又涉及 三相过程以及微尺度传热理论，再者各研究者对影响热管流动传热传 质的因素不成熟甚至未知，微槽道热管数值分析相对比较困难，周期 较长，可靠性较差，使其工程实践中难以得到广泛应用。比如三相接 触角的大小确定对液相回流的影响较大，

8、但各个研究者在相同情况下 所采用的数值也不尽相同11，而目前对接触角的研究，特别是精确可 靠的试验研究或可视化研究仍存在有一定困难12。对于上述研究方法存在的问题，还没有一种比较行之有效的方法 加以解决，只能先对热管进行传热分析，再通过试验去验证得到一定 的经验公式，此种方法的应用需要大量的实验数据作支撑，而这方面 的大量可靠性实验研究并未全面展开。Faghrii6对1995年以前槽道 热管的理论研究作了比较详细的总结，在陶汉中等，按照发表年份的 顺序列出了1995年以来，对于槽道吸液芯热管理论分析的主要文献， 进行了系统总结，详细请见文献槽道热管的研究进展7。2.2 应用基础研究应用基础研究

9、主要是指以应用为目的的理论和实验研究。研究得 到的结果对于理解槽道热管的传热传质过程、相变流动过程等复杂现 象将会有很大有效的帮助。但由于实验装置。试验方法和试验精度等 因素的影响，可能导致一些结果出现矛盾，需要进一步的理论分析和 更精密的试验支持进行解决。应用基础研究为某一领域应用或新的结 构形式奠定基础，其研究内容具有一定的针对性，同时也往往比较特 殊，从理论研究角度着手比较困难，故而研究手段中试验的比例较大， 并且与工程的联系紧密。吴晓敏等和 Zaghdoudi 等，在通过对多种热 管性能比较和试验分析，得出槽道吸液芯热管具有相对最大的传热系 数和最小的热阻，奠定了槽道吸液芯热管具有发展

10、应用前景的坚实基 础。在陶汉中7等所列总结表的基础之上，将 2003 年以来，一些主 要的试验研究内容和结论，详细请见文献槽道热管的研究进展7。 2.3 应用研究微槽道热管自从被提出以来，广泛应用于航空航天、电子散热和 电磁场、离心场等非惯性场。陶汉中7等人，在槽道吸液芯研究进展 的文章中，重点对微槽道热管在电子元器件散热进行了论述总结。但 是目前在中低温余热回收领域，碳钢-水丝网吸液芯热管，可制成热 管省煤器和蒸汽发生器，得到有效的工业推广和应用以外，具有高效 传热特性微槽道热管仅处于实验研究阶段。并没有得到很好的工程实 践应用。3 不同结构微槽道研究3.1 梯形早在1996年，Kobaya

11、shi等，运用数值分析的方法，将梯形微槽 道 结构 传热 传质区域 划 分 为 宏观和 微 观， 并运用守 恒方 程 和 Laplace-Young 方程，数值计算得出微观区域即微槽道区传热能力极 强，证实了微槽道的良好传热特性；2001年，Seo等，同样采用动量 守恒方程和 Laplace-Young 方程，通过对剪切力、接触角、充液量等 因素的试验考查，得出梯形槽道内液-气两相的压力分布； 2003 年， Suh 等通过对半月面曲率半径、相间摩擦系数分析，建立了准二维热 平衡方程，得出蒸汽压力分布和传热极限功率，是对梯形槽道应用基 础理论研究的一大进步； 2004 年，范春丽等又针对梯形槽

12、道热管的 充液量、倾斜角度等影响因素， 继续采用动量守恒方程和 Laplace-Young 方程，计算出了其传热热阻并通过实验研究，得出了 其具有较高的传输功率和较好的传热特性；2005年，Jiao等构建了二 维守恒方程和 Laplace-Young 方程，以梯形槽道结构、薄膜蒸发以及 接触角为研究对象，得出梯形槽道结构对相变传热影响较为明显；同 年， Chen 等通过加工方法、传热性能等因素，对梯形槽道热管进行 试验研究，认为壁面有一定摩擦对热管传热有利；同年， Suman 等运 用经验公式和数值分析方法，针对曲率半径和流速，建立起一维非稳 态守恒方程，得出曲率半径、几何结构对其传热性能影响

13、较大。3.2 矩形自从 1996 年，梯形微槽道出来的同时， Ochterbeck 等运用数值 分析方法，建立起一维守恒方程，得出了高宽比为 1.35 的矩形槽道 性能较优的结果，研究学者也就同时对矩形槽道进行了研究； 1999 年，Yan等运用分析法，针对槽道内部润湿速度、超临界启动过程， 建立起热平衡积分方程，划分出了矩形槽道热管的启动时间和轴向温 度的分布，为以后的研究打下了基础；2005 年， Suman 等矩形微槽 道内工质流速和接触角为研究对象，建立起一维非稳态守恒方程，最 终推算出经验设计方程，对今后微热管的设计具有一定的指导作用。 与此同时，苏俊林等针对矩形槽道平板热管，对其热

14、流密度和工作温 度进行了试验研究，研究表明矩形槽道平板热管具有很高的传热能 力，适合电子散热；随后的2006 年 liu 等，在此基础之上，对其传热 性能进行研究，并探索出纳米 CuO 对矩形槽道热管蒸发段传热具有 强化作用；2007年，Lefevre等运用理论试验分析相结合的方法，针 对曲率半径和传热极限因素，对矩形平板热管进行了优化。2008 年， 李西兵等通过对传热极限的研究，开发出矩形槽道热管传热极限模 型,并通过实验验证；2009 年, Stephane等对矩形平板热管的轴向温 度分布进行了深入研究，将蒸发段的相变状况可视化； 2010 年， Kyu.Kyung 等基于矩形平板热管，

15、将工质中添加氧化铝纳米颗粒，建 立槽道纳米流体流动模型，研究表明添加纳米颗粒形成纳米流体，可 以增强热管的传热特性，为今后微槽道热管的发展，重新指明了新的 研究方向。3.3 三角形对三角形为槽道热管的研究，出现在梯形和矩形槽道以后，开始 于1997年。Ma等人，运用数值分析法，针对三角形槽道的剪切力、 接触角、蒸汽流动、工作角度和槽道结构，建立起动量守恒方程和 Laplace-Young 方程，得出了三角形槽道热管的毛细极限，初步奠定 了三角形槽道的理论基础；2003年，Do等同样运用数值分析法，对 曲线三角形槽道的曲率半径、相间摩擦系数，建立了 Shah 模型并列 出了热平衡方程，得出了传热

16、极限和两相压力分布，补充了三角形槽 道理论； 2003 年， Kim 等运用数值分析方法，针对三角形槽道的剪 切力、接触角和热管充液量，构建了一维动量方程，得出了其传热极 限； 2005 年， Thomas 等根据有限单元法和经验公式，对槽道形式、 剪切力，构建了动量守恒方程和 Laplace-Young 经验方程，得出三角 形槽道的毛细极限；同理在2007 年， Suman 等运用同样的数学模型 和经验方程，针对热阻和传热极下的毛细极限，进一步深化了三角形 槽道理论； 2008 年， Kyu 等通过数据分析和集中参数，构建出一维 守恒方程和 Laplace-Young 方程，研究得出提高微型热管传热极限的 方法。3.4 螺旋形1997 年， Lin 等对螺旋形槽道热管进行了数值分析，得出了其传 热极限和两相压力分布；1998年，Klasing等对直的螺旋