回路热管的模拟及优化设计

环路热管结构设计及性能分析工作机理，熟悉环路热管性能与结构之间的理论关系，选择工质及系统材料（主要是毛细吸液管芯和金属材料），分析计算环路热管的各类极限并对环路热管相关部件进行校核，分析环路热管的热性能。

1环路热管组成和工作原理环路热管（LHP）通常由五个主要部件组成：蒸发器、冷凝器、补偿室、蒸汽管、液体管。

蒸发器是结合毛细吸液管芯和蒸汽通道的最重要部件。

LHP与传统热管的一个重要区别是，环路热管（LoopHeatPipe，LHP）只在蒸发器的内部放置毛细吸液管芯，而我所了解的普通热管在整个管道中都有毛细吸液管芯。

如图1所示。

根据蒸发器的结构，液压泵可分为圆柱形和扁平两种。

平板的LHP很容易与热源结合，以降低热接触电阻。

圆柱形的可以在不同面进行换热，尤其是在反重力的环境中。

环路热管的主要工作原理：当蒸发器从热源加热时，内部工作介质蒸发，产生的蒸汽沿着蒸汽流动路径排出，并通过蒸汽管道进入冷凝器。

物料通过流体管路返回补偿室，补偿室中的液体工作介质经过毛细吸液管芯的毛细吸液管吸入，从而进入蒸发器内部进行两次蒸发，这个循环的过程就是一个换热循环。

可以看出区别在于操作模式的配置。

独特的气液两相流LHP大大减少了传统热管的传热问题，但对毛细吸液管芯提出了更高的要求。

2环路热管的工作极限受其工作原理或施工设备的影响，热管回路在运行过程中会出现速度限制、沸腾限制、黏度限制和传动限制。

①声速极限：随着热负荷的增加，系统中产生的蒸汽量增加。

最大蒸汽流量出现在蒸发器的出口。

当蒸汽流速超过局部声速时，回路热管的传热效率达到极限。

随着负载的增加，由于蒸发器温度过高，回路的热管会崩溃;②沸点：热负荷高时由于蒸发器壳的热导率和毛细吸液管芯的反向漏电，毛细吸液管芯的内部工作流体也会蒸发，生成的泡沫防止毛细吸液管冷凝回流，降低吸水能力的核心;③黏度极限：当蒸发器的输入功率或温度较低时，正工作液的驱动力小于工作液的黏性阻力，回路热管不能正常工作。

回路热管的模拟及优化设计莫冬传，吕树申*(中山大学化学与化学工程学院，广州，510275)摘要：本文致力于设计出以水为工质、传热量200W以上的小型回路热管，并应用SINDA/FLUINT 对其进行模拟。

主要研究回路热管的各种参数对其传热性能的影响并进行优化，模拟的结果显示优化后的回路热管有着更优异的传热性能。

关键词：回路热管，SINDA/FLUINT，模拟，优化一、前言伴随着科技的迅速发展，许多电子产品有着小型化、精致化的趋势，但由于对性能要求越来越高，相对使用的功率必定也越来越高。

这样，电子组件表面的发热密度将迅猛增加，相应的热处理问题就变得十分尖锐。

比较典型的此类电子组件有计算机CPU，VGA，南北桥芯片组或通讯组件PA等。

如何在有限的空间解决这类散热问题，确保电子产品的正常操作成为了急需解决的关键技术问题和商业化需求。

回路热管(Loop Heat Pipe，LHP)是由俄罗斯科学家Y u.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。

它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，因此能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量，是一种高效的两相传热装置。

由于回路热管有着良好的传热性能，回路热管在航天航空方面应用比较广泛，技术也比较成熟，但目前回路热管有着造价昂贵，装置庞大等缺点，使它的应用也主要是在航天航空方面[1]。

如何将回路热管进行小型化，廉价化，从而广泛适用于民用，特别是电子芯片冷却方面[2][3][4]，这是我们进行探讨的目的。

文献提及回路热管传热性能的评价主要有四个指标，最低启动功率，最高运行功率，稳定操作温度以及回路的热阻。

[3][5]其中稳定操作温度指蒸发器壁面在某一特定功率下稳定操作时的温度。

我们认为这是评价用来电子芯片散热的回路热管的最重要的参数。

因为稳定操作温度的高低直接影响着电子芯片的工作性能。

本文的优化设计将以此为准则。

本研究用到了一个软件----SINDA/FLUINT。

小型平板式环路热管的实验研究及蒸发器内部介观模拟环路热管(Loop Heat Pipe, LHP)是一种利用工质相变传递热量的高效被动散热装置,具有传热能力强、传热热阻低、传输距离长、等温性好、无运动部件等优点,在高热流密度电子器件散热和航天器热控等方面具有广阔的应用前景。

本文首先介绍LHP的工作原理与工作特性,并分析蒸发器内的传热过程,阐述“背向导热”和“侧壁导热”造成的热漏对系统运行的影响。

为了减少“侧壁导热”对系统性能的影响,将蒸发器从原来的O型圈密封改变为焊接密封,系统的运行性能得到提高。

实验结果表明,在蒸发器壁面温度不超过85℃的条件下,系统最大运行热负荷从140W提高到240W。

为了降低“侧壁导热”和改善系统的启动性能,本文提出一种新型的双毛细芯蒸发器LHP系统。

基于此,设计蒸发器分别采用O型圈和焊接密封的两套实验系统,研究不同充灌率、热沉温度、工质和重力辅助倾角下的运行特征,并对系统的温度波动现象进行机理分析。

实验结果表明,双毛细芯蒸发器LHP系统能在10W的低热负荷下成功启动,运行中充灌率对系统运行模式的转变有着重要影响。

在重力辅助作用下,存在重力控制和毛细控制两种运行模式。

此外,在双毛细芯LHP系统的实验中还得到不同于以往系统的温度分布趋势。

通过实验分析得出,蒸发器背面毛细芯对系统运行的影响与加载的热负荷大小以及热负荷的加载方式有关。

为了解决多热源的散热问题,本文还设计和研制出一套并联式双蒸发器LHP系统,对其启动、变热负荷以及热分享等性能进行实验研究。

系统在两个蒸发器均施加热负荷的工况下,都能启动成功,并能在低热负荷下由波动运行转变为平稳运行。

高低热负荷搭配启动运行也展现出并联双蒸发器LHP系统的优势。

增加系统的充灌率,能够改善系统的启动性能。

系统内回流液的流向影响着系统的热分享性能。

本文通过实验烧结出具有高孔隙率和高渗透率的双孔径毛细芯,应用于LHP实验系统展现出良好的工作性能。

两相环路热控系统的优化设计、动态模拟与实验研究的开题报告一、研究背景和意义当前各行各业对温度控制的要求越来越高，如冶金、航空、航天、机械制造以及化工等领域中的热处理、熔炼、淬火、冷却等工艺过程中需要对温度进行精确控制，以保证产品的质量和生产效率。

而热控系统是实现温度控制的关键。

目前，常用的热控系统包括PID控制器和二相环路控制器。

其中PID控制器具有较为简单的原理和操作，但其在一些特殊情况下容易产生过冲、振荡、超调等问题；而二相环路控制器相比于PID控制器具有更快的响应速度、更好的稳定性和更小的超调现象等优势，因此得到了广泛的应用。

然而，二相环路控制器在工作过程中也面临着一些问题，如系统稳态误差大、调节精度低、系统响应时间过长等问题。

因此，对二相环路热控系统进行优化设计和动态模拟，对于提高其控制精度、响应速度和稳定性具有重要意义。

二、研究内容和目标本研究的主要内容和目标是对二相环路热控系统进行优化设计和动态模拟，并进行实验研究。

具体研究内容包括：1. 系统建模与分析。

将二相环路热控系统建立数学模型，分析其动态响应特性和控制策略。

2. 优化设计方法。

针对目前二相环路热控系统存在的问题，设计新的控制策略和优化算法，以提高控制精度、响应速度和稳定性。

3. 动态模拟与仿真。

利用Simulink等仿真软件对二相环路热控系统进行动态模拟和仿真，验证优化设计方法的有效性。

4. 实验研究。

在实际的热控系统中进行实验研究，对比分析优化设计方法和传统方法的控制效果，验证优化设计的可行性和实用性。

三、研究方法和技术路线本研究的方法和技术路线主要包括：1. 系统建模和仿真。

建立二相环路热控系统的动态数学模型，并通过Simulink等仿真软件进行动态模拟和仿真分析。

2. 优化设计。

针对现有问题，设计新的控制策略和优化算法，如增量控制、自适应PID控制、模糊控制等，以提高控制效果。

3. 实验研究。

在实际的温度控制系统中进行实验研究，对比分析优化设计方法和传统方法的控制效果和稳定性。

热管器的优化设计及性能分析热管是一种传热元件，它在工业生产和科技研究中具有广泛的应用。

热管器是一种以热管为基础构建而成的传热设备，其作用是将热能从一处转移至另一处。

热管涉及到流体力学、热力学、传热学等多个学科领域，因此热管器的优化设计及性能分析是一个复杂而又迫切的问题。

一、热管器的原理及分类热管是一种薄壁管，内部被充入少量的工质，在重力作用下发生蒸发和凝结，工质在内外壁之间循环流动，从而传递热量。

热管器是将热管集成在一起的结构，有直型、L型、U型等多种形式。

热管器可以分为两类：直接传热式和间接传热式。

直接传热式热管器是热源直接用于蒸发端，形成工质的气态，然后工质通过热管与另一侧的冷源接触，被冷却后凝结成液态；间接传热式热管器则通过热交换器完成传热。

二、热管器的优化设计热管器的优化设计可从以下几个方面进行考虑。

1.热管器的结构优化随着热管器的应用领域越来越广泛，传热效率成为了热管器设计中重要的指标之一。

在热力学中，传热系数与热传递的表面积是成正比关系的，因此热管器的结构设计需要在最小化传热面积的同时，保证热传递效率的最大化，以实现结构紧凑、散热效果好的目标。

2.热管的性能改善目前热管器的主要性能指标是其传热能力和耐用程度。

在实际应用中，为更好地发挥热管器的效益，需要在性能改善方面进一步优化，如实现对工质的快速冷却、提高热传递效率等。

3.热管工艺制造在热管制造方面的工艺技术也是热管器优化设计中值得关注的一个方面。

热管器的制造工艺直接影响着热管器的的性能和使用寿命，不论是采用老旧的传统制造方式还是利用新技术推进制造，都需要在制造工艺方面进一步改进。

三、热管器性能分析热管器的性能分析是热管技术发展过程中的一个重要环节，对热管器的性能和使用效果进行科学分析，可为热管器的进一步改良设计提供重要的依据。

1.热管器传热性能分析在热管器的使用中，传热效率是评判热管器传热性能的重要指标之一。

热管器的传热系数可以通过实验方法测定，也可以通过理论分析来求解。

电气设备的热管理与优化设计在当今科技飞速发展的时代，电气设备在各个领域的应用日益广泛，从工业生产到日常生活，从通信技术到交通运输，几乎无处不在。

然而，随着电气设备性能的不断提升和功能的日益复杂，热管理问题逐渐成为了影响其可靠性、稳定性和使用寿命的关键因素。

因此，对电气设备进行有效的热管理和优化设计显得尤为重要。

电气设备在工作过程中，由于电流通过导体、电子元件的功率损耗等原因，不可避免地会产生热量。

如果这些热量不能及时有效地散发出去，就会导致设备内部温度升高。

过高的温度会对电气设备产生诸多不利影响。

首先，它会降低电子元件的性能和寿命。

例如，半导体器件在高温下其导通电阻会增大，漏电流会增加，从而影响其工作的稳定性和可靠性。

其次，高温会导致绝缘材料的老化和劣化，增加短路和漏电的风险，甚至可能引发火灾等安全事故。

此外，温度的不均匀分布还可能引起热应力，导致设备的机械结构变形和损坏。

为了有效地管理电气设备的热量，我们需要采取一系列的措施。

首先是散热设计。

常见的散热方式包括自然散热、强制风冷和液冷等。

自然散热是利用设备自身的表面积和周围环境的温差来进行热量交换，这种方式结构简单、成本低，但散热效果有限，适用于功率较小的设备。

强制风冷则是通过风扇等设备将冷空气强制吹过发热部件，以增强散热效果，适用于中等功率的设备。

液冷则是利用液体（通常是水或油）的高比热容和良好的导热性能来带走热量，散热效率高，适用于高功率密度的设备。

在散热设计中，热阻的概念至关重要。

热阻表示了热量在传递过程中的阻力大小，它与材料的导热性能、接触面积和厚度等因素有关。

通过减小热阻，可以提高散热效率。

例如，选择导热性能良好的材料（如铜、铝等）制作散热器，增加散热器与发热元件的接触面积，减小接触热阻，以及优化散热器的形状和结构，降低风道阻力等。

除了散热设计，合理的布局和布线也有助于改善电气设备的热管理。

在设备内部，发热元件应尽量分散布置，避免热量集中在局部区域。

不同结构下两弯头脉动热管的数值模拟蒋二辉; 张东伟; 周俊杰; 沈超; 魏新利【期刊名称】《《化工学报》》【年(卷),期】2019(070)0z2【总页数】6页(P244-249)【作者】蒋二辉; 张东伟; 周俊杰; 沈超; 魏新利【作者单位】郑州大学化工与能源学院热能系统节能技术与装备教育部工程研究中心河南郑州450001; 郑州大学土木工程学院河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】TK 174.2引言随着电子产品的飞速发展，高热通量的主板散热问题已逐渐成为限制电子行业发展的瓶颈。

脉动热管因其具有结构简单、低成本高效率、运行平稳、普适性强等优势，有望在微电子设备散热、微重力的航空航天以及核能开发等领域得以应用[1-4]。

脉动热管由毛细管反复弯折成蛇形结构，主要分为闭环回路和非闭环回路。

其工作原理为管内工质受两端压差和相邻管道的压力不平衡的作用实现脉动传递热量。

Shaffi 等[5]研究表明，液塞的蒸发和气塞的缩合决定着工质的振荡效果。

目前，对强化脉动热管运行性能的影响成为研究的热点，其中主要包括：(1)脉动热管结构改良[6-8]；(2) 工质物性优化[9-12]；(3) 表面处理[13-15]；(4) 有源强化[16-19]，尤其非均匀结构脉动以其投资成本低、强化效果好而成为脉动热管效率提高的趋势。

因此，本文提出带有锯齿结构的新型热管结构以提高其传热性能，此外进行锯齿结构布置位置对脉动热管性能影响的数值研究。

Ridouane 等[20-21]提出在数值模拟过程中蒸发段通常采用热通量和恒温边界，结果显示热通量的边界效果更好。

刘建红等[22]认为相较于Euler 方法，Mixture 方法能够更好地模拟出脉动热管内的蒸发、冷凝过程。

此外，林梓荣[23]的研究表明，Mixture 方法在模拟和预测温度变化和气液两相分布方面优于VOF 模型，给出了VOF 模型适用条件。

然而，其他学者表示VOF 模型有利于捕捉两相界面更加适合脉动热管的数值研究[24-27]。

热管换热系统的设计⽅案热管散热器设计⽅案热管散热器⼯作原理热管技术的原理和普通的散热器不同，热管主要是利⽤⼯质的蒸发与冷凝来传递热量。

热管⼀般是由管壳、吸液芯和⼯质三个部分组成。

将管内抽⾄较⾼的真空度后充以适量的⼯质，使得紧贴管内壁的吸液芯⽑细多孔材料中充满液体后加以密封。

热管有两端，分别为蒸发端（加热端）和冷凝端（散热端），两端之间需要采取绝热措施。

当热管的⼀端受热时（即两端出现温差时），⽑细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另⼀端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠⽑细作⽤流回蒸发端。

热管散热器的分类和特点按照⼯作温度，热管可以分为：（1）深冷热管：⼯作温度范围为(100～200)K，⼯质可选⽤氦、氩、氮、氧等。

（2）低温热管：⼯作温度范围为(200～250)K，⼯质可选⽤⽔、氟利昂、氨、酒精、丙酮等有机物质。

（3）中温热管：⼯作温度范围为(550～750)K，⼯质可选⽤导热姆A、⽔银、硫、铯等物质。

（4）⾼温热管：⼯作温度范围⼤于750K，⼯质可选⽤钾、锂、铝、银等⾼熔点液态⾦属。

热管散热器的特点：（1）利⽤⼯质的相变传热，传热能⼒⾼。

（2）热管内蒸汽处于饱和状态，均温特性好。

（3）具有可变换热流密度特性。

（4）具有良好的恒温特性。

电⼦设备热管散热器的设计1.热管的设计要求（1）⼯作温度:根据电⼦设备、电⼦器件及整机的温度控制要求，热管的⼯作温度⼀般为-50℃～200℃。

（2）发热量：根据器件的发热功率和⼯作环境条件确定热管所需传递的功率。

（3）热特性:按照电⼦器件发热功率的⼤⼩和温度控制的要求（均温、恒温或控温）来设计蒸发端、冷凝端、吸液芯和管壳的⼏何形状、尺⼨。

（4）⼯作环境:根据电⼦设备的⼯作环境条件（如陆地、海⾯或⾼空等）来估计重⼒场对热管⼯作的影响，同时确定冷凝端与冷却介质的连接⽅式。

（5）结构尺⼨：根据⽤户提供的热管外形尺⼨、重量等要求进⾏结构设计。

2.⼯质选择（1）选择要求⼯质的⼯作温度范围在⼯质的凝固点与临界温度之间，以接近⼯质的沸点为宜；选⽤的⼯质⽆毒、不易爆、使⽤安全；⼯质与管壳材料及吸液芯应相容，对热管的安全⼯作和可靠性不产⽣有害的影响；⼯质的品质因素⾼；重⼒场条件下的热管，⼯质的选⽤应考虑⽑细⼒的提升⾼度。