重力熱管傳熱過(guò)程的數(shù)學(xué)模型及液氮溫區(qū)重力熱管的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、重力熱管具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)。盡管重力熱管已廣泛地應(yīng)用于許多工業(yè)設(shè)備中，但其內(nèi)部換熱機(jī)理非常復(fù)雜，影響因素眾多且具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)存在不同類型的傳熱極限，導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型對(duì)重力熱管傳熱過(guò)程的分析尚不完善。與此同時(shí)隨著超導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，重力熱管在可靠性要求高、長(zhǎng)距離及狹窄空間下冷量輸送等方面有望發(fā)揮重要作用。然而，目前以低溫流體為工質(zhì)開展的研究尚不充分，限制了其在低溫領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。本文以完善重力熱管理論模

2、型和探索其在液氮溫區(qū)的傳熱特性為目標(biāo)，主要開展了以下三方面的研究工作：
　　 ⑴建立了較完善的重力熱管穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，定量分析了充注率對(duì)管內(nèi)流動(dòng)形式及冷卻溫度的影響。充注率是重力熱管傳熱性能最重要的影響因素之一，對(duì)管內(nèi)流動(dòng)形式和熱管冷卻溫度起著決定性作用。不同充注率條件下，重力熱管內(nèi)液膜與液池的分布呈現(xiàn)多樣性。然而，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型僅考慮了其中的部分流形，并對(duì)液膜和液池不同換熱過(guò)程的考慮尚不充分，導(dǎo)致它們對(duì)充注率影響分析仍不完善。本

3、文根據(jù)重力熱管冷凝段、蒸發(fā)段液膜區(qū)和蒸發(fā)段液池區(qū)的換熱機(jī)理分別建立了數(shù)學(xué)模型，全面考慮了重力熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)可能存在三種流動(dòng)形式和過(guò)渡期間的三種臨界形式，通過(guò)熱管總質(zhì)量和能量守恒關(guān)系確定不同充注率條件下管內(nèi)的流動(dòng)形式及冷卻溫度。計(jì)算結(jié)果揭示了與兩種臨界流動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)的臨界充注率的作用，它們分別是重力熱管具有最佳冷卻性能的充注率和冷卻性能與充注率關(guān)系發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析本文獲得了可以使重力熱管維持穩(wěn)定高效運(yùn)行的充注率區(qū)間。
　　

4、 ⑵建立了能夠同時(shí)預(yù)測(cè)重力熱管干涸極限、攜帶極限和沸騰極限的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型；與臨界充注率和傳熱率的關(guān)系綜合后，獲得了重力熱管維持穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)間。重力熱管可能發(fā)生的傳熱極限主要包括干涸極限、攜帶極限和沸騰極限。目前，預(yù)測(cè)傳熱極限的理論模型僅同時(shí)包括干涸極限和攜帶極限，并且對(duì)干涸極限的可靠性未得到充分驗(yàn)證。本文根據(jù)傳熱極限的發(fā)生機(jī)理，提出了干涸比例的概念，將它與通常認(rèn)為干涸極限的標(biāo)準(zhǔn)-液池完全干涸-綜合在一起作為干涸極限的預(yù)測(cè)準(zhǔn)則；推導(dǎo)出最

5、大氣體雷諾數(shù)關(guān)聯(lián)式作為判斷攜帶極限的準(zhǔn)則；將氣液兩相在豎直管道中流動(dòng)時(shí)環(huán)狀流起始點(diǎn)空泡系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值引入模型，用來(lái)判斷液池內(nèi)流型的轉(zhuǎn)變，并作為預(yù)測(cè)沸騰極限的準(zhǔn)則，從而建立起可以同時(shí)分析三種傳熱極限的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)綜合臨界充注率與傳熱率的關(guān)系，獲得了重力熱管能夠穩(wěn)定運(yùn)行的區(qū)間，并討論了工作壓力和熱管結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)該區(qū)間的影響。
　　 ⑶以氮為工質(zhì)對(duì)重力熱管的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究多數(shù)是以中溫溫區(qū)普通制冷劑和液體為工質(zhì)進(jìn)行

6、的。事實(shí)上，工質(zhì)物性參數(shù)和沸騰現(xiàn)象等因素的不同，導(dǎo)致了不同溫區(qū)熱管具有不同的傳熱特性。然而，目前針對(duì)低溫流體開展的研究尚不充分。本文設(shè)計(jì)搭建了低溫重力熱管實(shí)驗(yàn)裝置，開展了以氮為工質(zhì)時(shí)其傳熱性能的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，工作壓力在充注率(定義為充注質(zhì)量全部以液體存在的體積與熱管蒸發(fā)段體積之比)為18.8％時(shí)較穩(wěn)定；當(dāng)充注率增加到49.6％時(shí)，壓力先增加、達(dá)到最大值后逐漸減小，在實(shí)驗(yàn)研究的傳熱率范圍內(nèi)壓力在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后也趨于穩(wěn)定；當(dāng)充注率為62.