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中国工程热物理学会 传热传质学
学术会议论文 编号:113194
三角形槽道微热管的特性
姚峰 陈永平 张程宾 施明恒
(东南大学能源与环境学院,江苏南京210096)025 E-mail:ypchen@seu.edu.cn
摘要:关键词:热管;热响应;非稳态前言
热控制是影响微电子设备可靠运行的重要方面。为了保证微电子设备工作在最佳工作温度,必须使得设备所产生的热量得到及时的消散。微热管(如图1所示)是利用工作介质的相变过程进行热量传递的一种高效传热元件高的导热性、优良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、恒温特性以及环境的适应性等优良特点
图1 三角形槽道微热管简图
近年来,国内外对热管的流动与传热特性已进行了较深入的理论分析与实验研究[],而实际上,微热管的特性热管的启动,有助于了解槽道为此,本文建立了热管的一维流动与传热理论模型,分析了槽道热管壁面温度的响应特性,。热管蒸发段、绝热段冷凝段内方程 ()
() ()式中,ρs为壁密度Cps为壁比热容,Acs为管壁横截面积,Ts为壁面温度,Ks为管壁导热系数,Qin为加热功率,hsl为槽的局部对流传热系数hout为的对流热系数,T为温度,out为热管。 ()
式中,(为表面张力。压力 ()沿热管轴向的液体压力分布为 ()式中,ρl为密度,数,为液体在处的质量流量 (7)
式中,Rm为液体在z处截面上弯月面弧长。将式(6)代入式(5),得R(z)沿轴向分布为
() (9)
式中,M为液体分子量,Ru为通用气体常数,Pl,sat为液体对应饱和压力,Pv,sat为蒸汽饱和压力。
在三角形槽道微热管中,液体在微槽内毛细流动,沿热管轴向任一位置z处的流体动量方程和方程分别为 () ()Vl为液流速,(w为壁面切应力(w = Vl(l(fRe)/(2Dh)。
在蒸发段,槽道内液体一方面与管内壁进行对流换热,同时进行蒸发相变,j为正。在冷凝段,液体接受气体冷凝放出的热量的同时与槽道内壁发生对流换热,j为负。而在绝热段,即没有蒸发也没有冷凝,j为0。因此,三角形槽道微热管中微槽道内量微分方程为
式中Cpl为液相工质比热容,压力 (13)
式中,Pv为蒸汽压力,ρv为蒸汽密度,Tv 为蒸汽温度。
在热管启动过程中,蒸汽体积基本保持不变,因此蒸汽密度ρv的变化取决于蒸汽质量mv的变化,即
(14)
式中,Vv为蒸汽体积。假设在( 时刻( +(( 时刻蒸汽质量可表述为
(15)
式中,(me为液体蒸发成为蒸汽的质量,(mc为蒸汽冷凝成为液体的质量。
蒸汽腔内蒸汽一般处于饱和状态,因此饱和蒸汽的温度与蒸汽密度处于一一对应的关系,也就意味着能够利用合适的饱和蒸汽热物理性质数据来得到饱和蒸汽密度所对应的饱和蒸汽温度。
1.4 初始条件与边界条件
(1)边界条件:
在热端即=0)处,对任意( 时刻有: (16)
在冷端即=L)处,对任意( 时刻有: (17)
(2)初始条件:
在( =0时,在任意位置有: (18)
其中,Pv0为管内汽、液相工质初始饱和压力。
本文所计算的热管如所示。如所示槽道热管。2给出了冷源温度为20℃时,热管启动过程中不同时刻毛细半径沿轴向的分布。由图可知,在 τ = 0时刻,热管内液体处于静止状态,在适当充液的条件下,槽道内弯月面毛细半径与蒸汽腔半径一致。在热管启动初始阶段,当热管蒸发段开始被加热后,蒸发段液体受热蒸发,蒸汽在冷凝段冷凝放热,使得弯月面毛细半径急剧减小,且蒸发段毛细半径减小幅度大于冷凝段毛细半径减小幅度。而弯月面毛细半径轴向分布的差异则
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