沟槽式散热面平板热管一维稳态模型建立

韩 东 张晓夫 金志浩

沈阳化工大学 能源与动力工程学院 辽宁沈阳 110142

【文章摘要】

本论文提出一种新型平板式热管。对平板热管进行了管内毛细流动的简化并在此基础上建立了一维稳态模型。

【关键词】

平板热管；材料；工质；工作温度

0 引言

通过查阅现有的文献和网络检索不难发现，现有的常规平板式热管的毛细结构不外乎多边形和将纤维组织放进平板热管内形成毛细结构两种形式。其中多边形形式中较为常见的是矩形和三角形，而对于细纤维形式的多数以玻璃纤维为主，并且多层排列，加工制造工艺繁琐生产效率较低。本文提出了一种新型平板式微热管，他是以一层铜丝形成毛细结构的，散热面由有沟槽的散热面代替，增大散热面，提高散热效率，简化加工制造工艺，提高生产效率。以下将针对新型平板式热管进行稳态模型建立

1 平板微热管一维稳态模型的建立

1.1 几何参数的设定

平板式微热管的几何参量：

（1）液相和气相工质的流通面积 Al、Av，

（2）液体工质的当量水力直径 Deff，

（3）液体工质的接触周长 Sl，

（4）气体工质的接触周长 Dv,w。

图 1-1 液体通道截面示意图

液体的流通面积 Al 为： （4-1）

接触周长 Sl 为： （ 4-2）

液体工质的水力直径用 Deff 表示： （ 4-3）

气体工质流通面积Av 和气体工质接触周长Dv,w 的计算由几何关系知：

（ 4-4）

（ 4-5）

1.2 连续性方程

（1）液体工质的连续性方程

图 1-2 液体工质通道结构示意图

因为蒸发掉的液体工质和液化掉的气体工质相同，所以连续性方程，即质量守恒方程如式(4-6) 所示： （4-6）

其中：

ul——液体的轴向流速；

Al——液体工质的流通面积；

N——槽道的数量；

Qin——蒸发端的加热功率；

hfg——工质的汽化潜热；

ρl ——液体工质的密度。

（2）气体工质的连续性方程

图 1-3 气态工质通道结构示意图

（ 4-7）

其中：

μv——气体工质的轴向流速；

Av——气体工质的流通面积；

Qout——冷凝端的冷却功率；

ρv ——气体工质的密度。

1.3 气体工质的动量守恒方程

气体的动量守恒方程为：

（4-8）

其中：

Pv——气体工质的压强；

v,w ——气体与墙壁的摩擦系数；

Dv,w——蒸汽腔的周长；

α——热管的倾斜角。

对于公式(4-8)，可以简化为：（ 4-9）

矩形的气体工质通道，气体工质与通道壁面的摩擦系数可以表示为：

（4-10）

其中：

μv——气体工质的黏度；

D0——蒸汽腔横截面的宽度；

W0——蒸汽腔横截面的长度。

1.4 液态工质的能量守恒方程

对于平板式微热管液体流动，液体工质处于层流层，所以λ 的计算公式为：

（ 4-11）

1.5 边界条件

由 Laplace-Young 方程给出： （4-12）

其中：

σ——表面张力系数。

通过Laplace-Young 方程，冷凝端的液体工质压力和气体工质压力相等，即：

（ 4-13）

其中：

Pv,c——冷凝端气体压力；

Pl,c——冷凝端液体压力。

对于本论文设计提出的平板式微热管，将采用有效毛细孔半径 reff 来代替rc。

在平板式微热管中液体工质蒸发端与冷凝端的压强差设为△ pl，等于液体工质的毛细压力△ pcap。我们通过公式推导的下式：

（4-14）

（4-15）

综上所述，我们将可得出平板式微热管管内的毛细流动的一维稳态模型：

【参考文献】

[1]T.P.Cotter.Principles and Prospects for Micro Heat Pipes.Proceedings of 5th International Heat Pipe Conference. Tsukuba,Japan 1984:328~335

[2] 李寒亭. 微型热管的稳态模化分析及其试验研究. 中国空间科学技术.1997,(6): 22~23

[3] 林振玄, 马琦等. 一种铜丝结构的新型微槽道平板热管. 化工学报.2010,61(1):27~31020

实验研究