دانلود مقاله ISI انگلیسی شماره 28306 + ترجمه فارسی
عنوان فارسی مقاله

آنالیز کارایی حرارتی گذرای لوله های میکرو گرمایی

کد مقاله سال انتشار مقاله انگلیسی ترجمه فارسی
28306 2013 9 صفحه PDF 20 صفحه WORD
خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.
عنوان انگلیسی
Transient thermal performance analysis of micro heat pipes
منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : Applied Thermal Engineering, Volume 58, Issues 1–2, September 2013, Pages 585–593

فهرست مطالب ترجمه فارسی
اهم مطالب
چکیده
کلید واژه ها
1.مقدمه 
2.  روش ریاضی
2.1 معادلات حاکم
2.1.1 انتقال حرارت در دیوارة جامد
2.1.2  جریان مویینگی در گوشه های شیار
جدول 1.  مشخصات لولة میکروگرمایی
2.1.3  جریان حرات و سیال در گوشه های تیز
2.1.4  جریان بخار در هستة تبخیری
2.2  شرایط مرزی و اولیه
2.3  راه حل عددی
2.4  مطالعة همگرایی
2.5  اعتبار سنجی تجربی
3.  نتایج و توضیحات
3.1  پاسخ حرارتی دینامیکی MHP در معرض توان ورودی ثابت و یکنواخت
3.1.1. جریان مویینگی
3.1.2  توزیع دما
3.2  عملکرد گذرا
جدول 2 ضرائب توابع انتقال، خطاهای جذر میانگین مربع های مرتبط (RMSEs)، و چند معیار ارزیابی عملکرد آغاز بکار در ابعاد شیار مختلف (متانول)
جدول 3.  ضرایب توابع انتقال، خطاهای جذر میانگین مربع های مرتبط (RMSEs)، و چند معیار ارزیابی عملکرد آغاز بکار در سیالات کاری مختلف 
4.  نتیجه گیری ها
کلمات کلیدی
میکرولوله های حرارتی - عملکرد انتقال حرارتی - نظریه شناسایی سیستم -
ترجمه چکیده
تحلیلی نظری از جریان سیال و انتقال حرارت گذرا در لوله های میکرو گرمایی سه گوش (MHP) برای بررسی ویژگی های واکنش حرارتی به انجام رسید. با تعریف نظریة شناسایی سیستم، ارزیابی کمی کارایی حرارتی گذرای MHP ها محقق می گردد. نتایج حاکی از آنست که فرآیندهای تبخیر و میعان هر دو به حیطة آدیاباتیک جریان تعمیم می یابند. در حین فرآیند راه اندازی، شعاع مویین در راستای محور MHP بطور چشمگیری کاهش می یابد در حالیکه سرعت جریان مایع سریعا در مراحل اولیة گذار افزایش یافته و کاهشی تقریبا خطی در دمای دیواره و در راستای محور پدیدار می شود. MHP همچون یک سیستم کنترل LTI درجة اول، با توان ورودی ثابت به عنوان «ورودی پله ای»، و دمای دیوارة اواپراتور به عنوان « خروجی» رفتار می کند. دو معیار ارزیابی وابسته؛ ثابت زمانی و ثابت دمایی، از نظریة کنترل اقتباس شدند که از توانایی ارزیابی کمی سرعت و تراز دمای واکنش حرارتی MHP در شرایط راه اندازی برخوردار می باشند، و نشان می دهند که قطر هیدرولیکی شیار سه گوش بزرگتر، در دامنة 0.18 تا 0.42 میلی متر می تواند فرآیند راه اندازی را تسریع کرده و تراز دمای راه اندازی MHP را تقلیل دهد. علاوه بر آن، MHP با استفاده از سیال اتانول به سریع ترین شکل و با بهره گیری از سیال کاری متانول به کند ترین شکل ممکن راه اندازی می گردد و دمای راه اندازی با استون به بیشترین سطح و با متانول به کمترین میزان ممکنه دست می یابد.
ترجمه مقدمه
در راستای کارکرد امن و راندمان بالا،سرمایش موثر میکروالکترونیک ها از اهمیت بالایی برخوردار است[1,2]. اخیرا، به دلیل توانایی انتقال حرارت بالا، ابعاد کوچک و عملکرد پایدار، لولة میکروگرمایی به عنوان ابزاری بسیار موثر برای ایفای چنین نقشی معرفی شده است. مفهوم MHP بدوا از جانب کوتر [3] به عنوان یک المان انتقال حرارت موثر معرفی شد که در آن انحنای متوسط سطح مشترک بخار/سیال با مقدار عکس شعاع هیدرولیکی شیار جریان کل از بزرگی یکسانی برخوردار است. MHP بطور کل از دامنة قطر هیدرولیکی 10 تا 500 میکرومتر و بلندای چندین سانتی متر برخوردار است، که با حجم مناسبی از سیال کاری پر شده است [4]. در مقایسه با ساختارهای فتیله ای از قبیل توری ها یا شیارها در لوله های گرمایی متعارف [5-8]، گوشه های تیز میکرو شیارها در MHP فشار انتقال مویین عمده ای را برای پیشرانش سیال کاری و بازگرداندن آن در مدار از کندانسور به اواپراتور تامین می کنند. پیشتر مطالعات تجربی قابل ملاحظه ای به منظور بررسی شیوة طراحی، تولید و راندمان واقعی MHP ها انجام شده است [9-13]. مطالعات تجربی MHP هایی با سطح مقطع چند وجهی نیز به منظور بررسی ویژگی ها و محدودیت های انتقال حرارت معمول گشته است [9]. برای افزایش ظرفیت انتقال حرارت، معمولا MHP ها در آرایه های چند ده تایی مستقر می شوند. بر و دیگران [11] بطور عملی امکان پذیری تجمیع ترمیستورهای حساسیت بالا را در آرایه های تماما سیلیکونی که از 27 شیار موازی سه گوش تشکیل شده بودند به نمایش گذاشتند. کارایی های این آرایه های نوین MHP بطور عملی با نسبت های متفاوتی از شارژ متانول و در شرایط تجربی مختلف مورد آزمایش قرار گرفت. وو و دیگران [12] تحقیقی عملی را بر کارایی حرارتی گذرا در فرآیند راه اندازی و تغییرات سریع بار حرارتی به عمل آوردند، و الگوی توزیعی دمای ناپایدار در سراسر موقعیت طولی و نیز اختلاف دمای میان نقاطی از محور لولة گرما را ارائه کردند. علاوه بر آن، به منظور تائید اعتماد پذیری مدل، داده های تجربی با نتایج یک مدل تحلیلی پیشرفته مقایسه شدند. همچنین، یک آرایة MHP سیلیکونی مویرگی توسط لونای و دیگران[13] برای افزایش سطح مقطع عبورجریان سیال طراحی شد تا افت فشار سیال تقلیل یابد. در مقایسه با یک ویفر سیلیکونی مسطح، این ترکیب بندی از MHP بهبود قابل توجهی را در هدایت حرارتی موثر به نمایش گذاشت، که که بطور تجربی به اثبات رسید. علاوه بر مطالعات تجربی، مدل های عددی و تحلیلی بسیاری برای مطالعة رانمدمان حرارتی پایدار و گذرا و همچنین طراحی های هندسی بهینة MHP ها تدوین گردیدند[13-21]. بابین و دیگران [9] مدلی یک بعدی و پایدار را برای یک MHP سادة ذوزنقه ای شکل تدوین کردند تا اثرات ابعاد مشخصه ای بسیار کوچک را بر روی روش های مدل سازی لولة گرمایی پایدار بررسی کنند. سپس، یک آزمایش پایدار بر روی لوله های گرمایی مسی و نقره ای برای اعتبار سنجی مدل نظری اجرا شد. سامان و هدی [14] نمونه ای از شبیه سازی تحلیلی از یک MHP بشکل V ارائه کردند. این مدل برای مطالعة آثار پارامترهای عملکردی بر کارایی MHP بکار رفت، و طول «درای-اوت» را در ورودی های حرارتی مختلف پیش بینی کرد. علاوه بر آن، سامان [15] مدلی را برای انتقال حرارت و سیالات در یک MHP تقویت شده به روش الکتروهیدرودینامیکی (EHD) ارائه کرد که در آن نیروهای کولنی و دی الکتروفورتیک در نظر گرفته شده بودند. مشاهده شد که گرمای ورودی بحرانی با تشدید میدان الکتریکی تقویت و طول درای اوت کوتاه می گردد، و پاسخ های عددی با موفقیت با نتایج تجربی منطبق شدند. خروستالف و فقری [16] نیز یک مدل ریاضی تشریحی از MHP را با یک شیار سه گوش تدوین کردند. مدل ایشان توضیح داد که نسبت شارژ مایع، زاویة تماس مرطوب کمینه، و تنش های برشی در سطح مشترک مایع/بخار در پیش بینی ظرفیت انتقال حرارت بیشینه و مقاومت حرارتی اهمیت بسزایی دارند. بر اساس یک مدل یک بعدی پایدار، کو و دیگران [17] تاثیر یک سطح عملکردی با الگوی توزیع زاویة تماس نردبان محوری را بر راندمان حرارتی یک MHP سه وجهی تحلیل کردند. نتایج شبیه سازی نشان داد که در مقایسه با MHP متعارف با سطحی دارای الگوی توزیعی زاویة تماس یکنواخت، یک MHP با سطح عملکردی در شرایط مساوی از هدایت حرارتی موثر بهتری برخوردار است.سبحان و دیگران [18] مدلی عددی از جریان بخار و سیال در یک لولة میکروگرمایی با شیارهای سه گوش را ارائه دادند. الگوی توزیع سرعت، فشار، و دمای بخار و مایع در شرایط گذار و پایداری بدست آمد. سامان و دیگران [19] یک مدل یک بعدی گذرا برای جریان سیال و انتقال حرارت لوله های گرمایی با میکروشیارهای سه گوش محوری را تدوین کردند که الگوی توزیع دمای دیوارة پایدار را پیش بینی می کرد. و یک مدل پیشرفته با توجه به تنش برشی در سطح مشترک مایع/ بخار، ضمن تفکیک میان فشار و گرمای محسوس زیرلایة جامد نیز ارائه گردید [20]. برای مطالعة آثار طراحی هندسی بر عملکرد حرارتی یک MHP شیار ستاره ای، یک مدل ریاضی پایدار و یک بعدی توسط هانگ و دیگران ابداع گردید[22]. این مدل را می توان برای ظرفیت جابجایی حرارتی و سطح متناظر شارژ بهینة سیال کاری در طراحی های هندسی و شرایط کاری مختلف بکار برد. نتایج نشان دادند که، با افزایش تعداد گوشه ها، عملکرد MHP رو به زوال می رود. و در عین حال مشاهده شد که افزایش در طول کلی MHP موجب کاهش در ظرفیت جابجایی حرارتی آن می گردد. علیرغم حجم معتنابه تحقیقات بعمل آمده بر روی MHP ها، عملکرد حرارتی و هیدرودینامیکی گذرای MHP ها به اندازة کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است. مدل سازی های نظری حاضر از الگوهای توزیع فشار و دمای گذار در MHP ها [18,19]، بجای کل فرآیندهای مزدوج انتقال گرما و جرم در میان مجموعة گاز، مایع، و جامد حاضر در MHP، تنها فرآیندهای انتقال زوج حرارت و جرم را در میان گاز و مایع [18] یا جامد و مایع [19] در نظر گرفته اند. علاوه بر آن، عبارت حاضر در مدل های در دسترس [18,19] برای ارزیابی شار جرمی در حین فرآیند تبخیر و میعان، خصوصا در شرایط نرخ انتقال جرم پائین چندان معتبر نمی باشند [23]. علی الخصوص، فقدان ابزارهای موثر برای ارزیابی کمی عملکرد گذرای MHP ها همچنان پابرجاست. بنابراین، تحقیق حاضر با تدوین یک مدل گذرا، ضمن توجه به کل فرآیندهای انتقال گرما و جرم در میان گاز، مایع، و جامد و همچنین انتقال حرارت محوری در دیوارة لولة گرمایی تحلیلی عددی از عملکرد حرارتی و هیدرودینامیکی یک لولة میکروگرمایی با شیارهای سه وجهی را به انجام می رساند. روش محاسباتی در ارزیابی شار جرمی در حین تبخیر و میعان نیز در این مدل بهبود یافته است. الگوهای دمای دیوارة گذرا در طول MHP، و الگوی توزیع ناپایدار شعاع مویینگی و سرعت مایع در MHP ارائه و به بحث گذاشته شده اند.خصوصا، با الهام از مقدمات نظریة کنترل به منظور تحقق ارزیابی کمی ویژگی های گذار (به عنوان مثال، سرعت واکنش گذرا، پایداری، و غیره) مسائل ترمودینامیکی از قبیل جوشش حوضچه ای [24]، جریان سیال گرمایی در شبکه های مویرگی [25]، و نظایر آن، نظریة شناسایی سیستم (بخش مهمی از نظریة کنترل) در اینجا برای ارزیابی کمی عملکرد گذرای MHP ها معرفی می شوند.
پیش نمایش مقاله
پیش نمایش مقاله آنالیز کارایی حرارتی گذرای لوله های میکرو گرمایی

چکیده انگلیسی

A theoretical analysis of transient fluid flow and heat transfer in a triangular micro heat pipes (MHP) has been conducted to study the thermal response characteristics. By introducing the system identification theory, the quantitative evaluation of the MHP's transient thermal performance is realized. The results indicate that the evaporation and condensation processes are both extended into the adiabatic section. During the start-up process, the capillary radius along axial direction of MHP decreases drastically while the liquid velocity increases quickly at the early transient stage and an approximately linear decrease in wall temperature arises along the axial direction. The MHP behaves as a first-order LTI control system with the constant input power as the 'step input' and the evaporator wall temperature as the 'output'. Two corresponding evaluation criteria derived from the control theory, time constant and temperature constant, are able to quantitatively evaluate the thermal response speed and temperature level of MHP under start-up, which show that a larger triangular groove's hydraulic diameter within 0.18–0.42 mm is able to accelerate the start-up and decrease the start-up temperature level of MHP. Additionally, the MHP starts up fastest using the fluid of ethanol and most slowly using the working fluid of methanol, and the start-up temperature reaches maximum level for acetone and minimum level for the methanol.

مقدمه انگلیسی

Efficient cooling of microelectronics is of significant importance for their safe operation and high performance [1] and [2]. Recently, due to the powerful heat transfer capability, small size and stable operation, the micro heat pipe (MHP) is introduced as a highly efficient thermal device to fulfill such electronic cooling. The concept of MHP is originally proposed by Cotter [3] as an efficient heat-transfer element in which the mean curvature of the vapor–liquid interface is of the same magnitude as the reciprocal of the hydraulic radius of the total flow groove. The typical MHP has a hydraulic diameter within the range of 10–500 μm and a length up to several centimeters, which is charged with the appropriate amount of working fluid [4]. Compared with the wick structures such as meshes or grooves in the conventional heat pipes [5], [6], [7] and [8], the sharp-angled corners of the micro-grooves in the MHPs provide the major capillary pumping pressure for driving the working fluid to circulate from the condenser back to the evaporator. Considerable experimental investigations have already been conducted to study the design, fabrication and actual performances of the MHPs [9], [10], [11], [12] and [13]. Experimental studies of the MHPs with polygonal cross-section are also performed to investigate the heat transfer characteristics and heat transfer limit [9]. To increase the heat transfer capacity, MHPs are usually implemented in arrays of several tens. Berre et al. [11] experimentally demonstrated the feasibility of integrating high sensitivity thermistors in all-silicon MHP arrays which consist of 27 parallel triangular shaped grooves. The performances of this novel MHP arrays were experimentally tested with various methanol filling ratios and under various experimental conditions. Wu et al. [12] performed an experimental study on the transient thermal performance under start-up process and the rapid changes in the thermal load, and presented the unsteady temperature distribution throughout the longitudinal position as well as the temperature difference between axial locations on the heat pipe. Moreover, the experimental data were compared with the results of a developed analytical model to validate the reasonability of the model. In addition, a silicon MHP array with arteries was fabricated by Launay et al. [13] for increasing the liquid flow cross-sectional area so as to reduce the liquid pressure drop. Compared with a plain silicon wafer, the MHP with such configure realized a great improvement of effective thermal conductivity, which was experimentally verified. Besides the experimental investigations, a lot of numerical and analytical models have been developed to study the steady-state and transient thermal performance as well as the optimal geometric designs of MHPs [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20] and [21]. Babin et al. [9] developed a steady-state, one-dimensional model for a single trapezoidal MHP to examine the effects of the extremely small characteristic dimensions on the conventional steady-state heat pipe modeling techniques. And then a steady-state experiment on copper and silver heat pipes was conducted to validate the theoretical model. Suman and Hoda [14] proposed a detailed simulation of a V-shaped MHP. The model studied the effects of operating parameters on the performance of the MHP, and predicted the dry-out length for different heat inputs. Furthermore, Suman [15] presented a model for fluid and heat transfer in an electrohydrodynamically (EHD) augmented MHP, in which the coulomb and dielectrophoretic forces were considered. It is found that the critical heat input increases and the dry-out length decreases with an increase in the electric field. And the numerical solutions were successfully compared with the experimental results. Khrustalev and Faghri [16] also developed a detailed mathematical model of a MHP with a triangular shaped groove. The model demonstrated that the liquid filling ratio, minimum wetting contact angle, and the shear stresses at the liquid–vapor interface play important roles in predicting the maximum heat transfer capacity and thermal resistance. Based on a one-dimensional steady-state model, Qu et al. [17] analyzed the effect of a functional surface with the axial ladder contact angle distribution on the thermal performance of a triangular MHP. The simulation results showed that compared with the traditional MHP with the surface possessing a uniform contact angle distribution, a MHP with a functional surface has a better effective thermal conductivity under the same condition. Sobhan et al. [18] presented a numerical model of the vapor and liquid flow in a micro heat pipe with triangular grooves. The distributions of velocity, pressure, and temperature of the vapor and liquid at transient and steady states were obtained. Suman et al. [19] developed a one-dimensional transient model for fluid flow and heat transfer of heat pipes with axially triangular microgrooves which predicted the steady-state wall temperature distribution. And an improved model considering the shear stress at liquid–vapor interface, disjoining pressure and sensible heat of the solid substrate was also presented [20]. To study the effects of geometric design on the thermal performance of a star-groove MHP, a mathematical one-dimensional, steady-state model was developed by Hung et al. [22]. This model can be used to evaluate the heat transport capacity and the corresponding optimal charge level of the working fluid for different geometric designs and operating conditions. The results showed that, with increasing number of corners, the performance of MHP deteriorates. And it is also observed that the increase in the total length of the MHP results in a decrease in its heat transport capacity. Despite there have been a great deal of investigations on MHPs, the transient thermal and hydrodynamic performance of MHPs have not been studied enough. The available theoretical modeling of the transient pressure and temperature distributions in MHPs [18] and [19] only consider the coupled heat and mass transfer processes between gas and liquid [18] or solid and liquid [19] rather than the whole coupled processes of heat and mass transfer among all the gas, liquid and solid in MHPs. Additionally, the expression in the available models [18] and [19] for evaluating the mass flux during the evaporation and condensation is not sufficiently valid [23], especially under the condition of low mass transfer rate. In particular, it is still lack of efficient tools to quantitatively evaluate the transient performance of MHPs. Therefore, the current work develops a transient model and numerically analyzes the transient thermal and hydrodynamic performance of a micro heat pipe with triangular shaped grooves, taking consideration of the whole heat and mass transfer processes among gas, liquid and solid as well as the axial heat transfer in the wall of heat pipe. The calculation method for evaluating the mass flux during the evaporation and condensation is also improved in the model. The transient wall temperature profiles along the MHP, and the unsteady distribution of the capillary radius and liquid velocity in the MHP are presented and discussed. Especially, inspired by the introductions of control theory to realize the quantitative evaluations of transient characteristics (e.g. transient response speed, stability, etc.) of thermodynamic problems such as pool boiling [24], thermal-fluid flow in vascular networks [25] and so on, the system identification theory (an important part of control theory) is introduced here to quantitatively evaluate the transient performance of MHPs.

نتیجه گیری انگلیسی

A numerical simulations is conducted to investigate the thermal response of a triangular shaped micro heat pipe based a developed transient model. Additionally, the system identification theory is introduced into the quantitative analysis of the transient thermal performance of MHP. The effects of groove dimension and working fluid on transient start-up performance are discussed. The conclusions can be summarized as: (1) During the initial start-up stage, the capillary radius along axial direction of MHP decreases drastically while the liquid velocity increases quickly. As the process continues, the changing trend of these two parameters slows down. (2) The evaporation and condensation processes are both extended into the adiabatic section rather than restricted to the evaporator and condenser sections due to the heat conduction along the wall. (3) During the whole start-up process, there is a quick rise in the evaporator in contrast to the gradual wall temperature rising in the condenser section. Since the evaporation and condensation extend into the adiabatic section, as well as the heat conduction of the wall, an approximative linear decrease in the wall temperature arises along the axial direction. (4) For the start-up operation, the MHP behaves as a first-order LTI control system with the constant input power as the 'step input' and the evaporator wall temperature as the 'output'. Two corresponding dynamic performance evaluation criteria derived from the control theory, time constant and temperature constant, are able to quantitatively evaluate the thermal response speed and temperature level of MHP during the start-up process. It is indicated that a larger triangular groove's hydraulic diameter within 0.18–0.42 mm is able to accelerate the start-up and decrease the start-up temperature level of MHP. In addition, the MHP starts up fastest using the fluid of ethanol and most slowly using the working fluid of methanol, as well as the start-up temperature reaches maximum level for the working fluid of acetone and minimum level for the methanol.

خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.