（化工过程机械专业论文）高温热管翅性能及其强化传热过程的研究.pdf

壹室三兰苎兰堡主兰笙垒墨 一 摘要 、高温热管翅是一种极为短小的、以液态金属为工作介质的小热管。之所以称之为“翅” 是因为它以一种翅片形式引入到空间表面进行强化换热，如可用于高温沸腾床内取热、急 冷换热器、高温矿物的冷却等。热管翅作为热管界的新课题，它的研究开发将会给热管的 工业应用带来新的发展，同时也将丰富强化传热内容，不仅在理论上具有较高的学术价值， 。 对实际工程应用亦有很重要的指导意义。f 本文工作重点是研究高温热管翅性能及其强化传热过程，主要作了如下几项内容： 1 、对高温热管翅起动性能进行研究：运用分子运动论理论，从理论上分析了高温热管翅 起动时管内蒸汽从分子流动转向连续流动的过程，将高温热管翅的起动过程划分为五 个阶段：根据高温热管翅内工作介质在固体状态下能否顺利起动，建立了高温热管翅 成功起动极限判据( f s l 1 ) 。对目前国内外最小的高温热管翅( 直径为2 5 m m ，长度为 ，一 6 0 m m ) 进行起动性能试验测试试验结果表明该高温热管翅从分子流动向连续流动转 变的实际转折温度约为4 6 0 1 c ；当高温热管翅倾斜放置时对冷凝段末端温度影响偏大： 高输入功率下的起动将缩短高温热管翅的起动时间；将试验值与理论值进行比较发现 理论转折温度与实际转折温度相对误差为6 5 ，高温热管翅的实际起动过程与理论分 析相一致；将本试验结果与文献试验结果相比得到了相致的温度分布趋势；j 式验还 、 验证了当起动极限判据f s l 1 时，高温热管翅受到冷冻起动极限的限制。，9 2 、对高温热管翅的温度特性进行研究：用热阻网络模型分析了高温热管翅复杂的传热过 程，理论计算得到高温热管翅的热阻值，结果表明在蒸汽腔直径一定的惰况下，短的 ，、 高温热管翅热阻偏大。为分析瞬态功率变化对高温热管翅温度的影响，借助集总参数 l ， 模型。求解出功率瞬间变化时温度与时间的理论关系式。理论结果与试验结果分析表 明理论值与试验值相吻合。j y 3 、对高温热管翅的传热极限进行分析：依据文献分析各种传热极限的理论模型。理论分 析表嚼高温热管翅主要受到声速传热极限、携带传热极限的限制，特别是5 0 09 c 左右 ( 一 时声速传热极限明显制约着高温热管翅的传热能力高温热管翅不受到连续流动极限、 粘性传热极限、毛细传热极限、沸腾传热极限的限制。丫 ， 4 、对高温热管翅内工作介质流动过程进行了分析：首先建立了高温热管翅内二维蒸汽流 摘要 动理论模型，数值计算结果表明在最大传热量下蒸汽连续流动时蒸发段有明显的不等 温性，存在着一定的压力损失；长度为3 0 0 m m ，蒸汽腔直径为1 8 r a m 的热管翅蒸发段 术端温度与始端温度比为o ，9 1 ，压力比为o 5 7 。f 其次对高温热管翅内吸液芯工质的流 动压降进行了定性分析，指出在吸液芯横截面积一定时，高温热管翅有效长度越短， ：p 工作介质液体流动压降越小。厂 5 、对高温热管翅强化管内换热过程进行数值模拟：确立高温热管翅强化管内换热过程的 数学模型，利用f l u e n t 软件数值模拟结果表明采用k s 模型能较合理的反映高温 热管翅强化管内换热能力，直观地表征高温热管翅强化管内换热的温度场、速度场以 及对流换热系数的分布状况；管内插入高温热管翅片，对流换热系数加大，管内换热 能力明显提高；对流换热系数的分布还表明第一排翅片管的对流换热系数高于第二排 翅片管的对流换热系数；随流量的增加，对流换热系数增大。 6 、对高温热管翅强化管内换热过程进行试验研究：用1 2 根高温热管翅建立一套完整的强 化管内换热试验装置，试验结果表明高温热管翅作为翅片在管内工作运转正常；带有 热管翅的管道换热系数随流量增加而增大；管内第一排高温热管翅片的对流换热系数 高于第二排的对流换热系数；高温热管翅强化传热性能明显高于光管的传热性能，当 流体处于过渡流动时，带有热管翅片的管内换热努谢尔准则数n u 与光管内努谢尔准 则数i 的比值范围约为3 6 4 4 ：当流体处于湍流流动时，带有热管翅片的管内换热 努谢尔准则数 胁与光管内努谢尔准则数 k 的比值范围约为6 5 7 0 ，并由试验数据 整理得到管内强化湍流换热的准则数方程为n u = 0 4 2 1 4 r e ”；将试验值与相关文献 中各种强化管内换热数据相比，明显表明热管翅片强化管内换热能力较强；将试验值 与数值模拟值比较发现试验值与理论值基本吻合。 关键词： 高温热管翅，传热性能，强化传热，换热系数，数值模拟 u 一一一 壹室三些查兰堡圭垒查 a b s t r a c t t h eh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp i p ef i n ( h t h p f ) i sq u i t eas h o r th e a tp i p ew i t hl i q u i dm e t a l m e d i u m t h er e a s o nw h y i ti sn a m e d f i ni st h a ti tc a l lb eu s e dt oe n h a n c eh e a tt r a n s f e ra san e w t y p ef i n ，s u c h a s e n h a n c i n gt h e b u r n e ro ft h ea i r h e a t e r , o b t a i n i n g h e a tf r o mt h e h i g h t e m p e r a t u r ef l u i d i z i n gb e d ，s t r e n g t h e n i n gt h eq u e n c h c o o l e ro ft h es p l i t t i n gd e c o m p o s i t i o na n d c o o l i n g t h eh i g h t e m p e r a t u r e m i n e r a le t c a san e ws u 均e c ti nt h eh e a tp i p ef i e l d ，t h er e s e a r c ho f t h eh t h p fw i l ld e v e l o pt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o no ft h eh e a tp i p ea n de n r i c ht h ec o n t e n to f e n h a n c e m e n th e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g y t h ep a p e rh a sas i g n i f i c a n t l yv a l u ei nt h e o r e t i c a lp r o j e c t s a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t h i sw o r kf o c u s c so nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n de n h a n c e m e n th e a tt r a n s f c rf o rt h eh t h p f t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ， 1 s t u d yo n t h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h eh t h p f b a s e do nt h em o l e c u l a rm o t i o nt h e o r y , t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ev a p o rf r o mt h ef r e e m o l e c u l a rt oc o n t i n u u mf l o wd u r i n gt h es t a r t u pw a sc a r r i e do u t t h ef i v ep e r i o d so ft h es t a r t u p p r o c e s sw a sg i v e n t h es t a r t u pl i m i tc r i t e r i o nf r o mf r o z e ns t a t eo f t h eh t h p fw a s p r o p o s e d ， t h a ti sf s l 1 am i n i m u mh t h p f ( d i a m e t e r2 5 m m ，l e n g t h6 0 m m ) w a st e s t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h ev a p o rf r o mt h ef r e em o l e c u l a r t oc o n t i n u u mf l o wi s4 6 0 c w h e nt h eh t h p fi sp o s i t i o n e da ta n yi n c l i n a t i o nw i t l lr e s p e c t e dt o t h ev e r t i c a l ，t h ec o n d e n s e rt e m p e r a t u r ea tv a r i o u sa n g l ei so b v i o u s l yd i f f e r e n t t h el a r g e rh e a t i n p u tp o w e ry i e l d sf a s t e rs t a r t u p t h e c o m p a r i s o nw i t 1t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss h o w s t h a tt h e r e l a t i v e l ye r r o ro ft h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o u t6 5 a n d t h a tt h et h e o r e t i c a l s t a r t u pp r o c e s si s c o i n c i d e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s t h es t a r t u p t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n s o ft h eh t h p fa r es i m i l a rt ot h o s ei nt h el i t e r a t u r e w h e nt h e c o n d i t i o no ff s l 。b i ( b o t t o ms u r f a c e ) a s m ej h e a tt r a n s f e r 1 9 8 8 1 1 0 ( 3 ) ：7 8 0 7 8 2 【2 5 a b u c c i n i ， lm s o l i m a n o p t i m u md i m e n s i o n so fa n n u l a rf i na s s e m b l i e s a s m ej ， h e a t t r a n s f e r 1 9 8 6 ，1 0 8 ( 2 ) ：4 5 9 - 4 6 2 【2 6 】杨世铭传热学。北京：人民教育出版社1 9 7 9 2 7 w c h e n ，h z h a n ge r e s t u d yo nm i n i l i q u i dm e t a lh e a tp i p e t h e6 “i n t e r n a t i o n a lh e a t p i p es y m p o s i u m - 2 0 0 0 c h i a n gm a it a i l n a d ，2 0 0 0 4 1 5 - 4 2 0 2 8 j z h u a n g ，h z h a n g ，w c h e n a p p l i c a t i o n so fh e a tp i p ef i ni np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y j o u r n a lo f t h e j a p a n a s s o c i a t i o n f o r h e a t p i p e s 2 0 0 1 ，2 0 ( 1 ) ：1 6 2 1 2 9 1 庄骏，陈伟，张卫华高温超导热翅片化工设备与防腐蚀2 0 0 0 ，3 ( 1 1 ：7 - 1 1 【3 0 陈伟，张红，庄骏小型高温热管研究及应用能源研究与利用2 0 0 2 ，( 6 ) ：2 8 3 1 3 1 】陈伟高温热管翅的研究：【博士学位论文】南京：南京工业大学2 0 0 1 南京工业大学博士学位论文 第2 章高温热管翅起动性能的研究 研究高温热管翅的起动问题对于高温热管翅的设计与应用都有着很重要的意义，对热 管翅能否进入正常的工作状况具有决定性的作用。因此，本章首先从高温热管翅的起动研 究入手，分析高温热管翅的起动性能，为高温热管翅进一步的理论与试验研究奠定基础。 2 1 高温热管翅起动过程的理论分析 高温热管翅是以钠、钾等液态金属为工作介质，这些物质通常具有较高的熔点与极高 的沸点饱和蒸汽压随温度的升高而增长得相当缓慢，即液态金属将在很宽的温度范围内 保持相当低的蒸汽压。由分子热力学可知：在低蒸汽压下，分子平均自由程较大，蒸汽 分子流动性质主要取决于自由运动分子与管壁间的碰撞作用，而分子间的相互碰撞作用相 当少，此时气体分子的流动呈现出的是自由分子流动状态。当分子平均自由程与蒸汽腔的 直径相比很小时，分子间的相互碰撞才会不断发生，气体分子才有可能形成连续的分子流 动。因此高温热管翅内蒸汽流动是从自由分子流动状态过渡到连续流动状态。这种蒸汽流 动状态取决于分子平均自由程 和蒸汽腔直径d ， 2 1 。常用无因次参数k n u d s e n 数k n 3 1 表 示，定义为分子平均自由程 与蒸汽腔特性尺寸之比： k n ： d式( 2 1 ) 式中： k n k n u d s e n 准则数： 2 分子平均自由程，t 1 1 ； d 。蒸汽腔的特性尺寸，m 。 当： k n o 叭 连续分子流动状态 00 1 k n l 自由分子流动状态。 蒸汽从自由分子流动经过渡分子流动状态向连续流动转变时都有一个转折温度，其中 向连续流动转变的温度实际上表明高温热管翅已开始进入稳定的工作状态。 第2 章高温热管翅起动性能的研究 由稀薄气体流动理论知，平均自由程 为【2 】 1 0 5 l k t 肛疆磊可 式中： 吒分子的有效碰撞直径，m 式( 2 - 3 ) 七b o l t z m 咖常数，k = 1 3 8 0 4 l o “j k ： p 蒸汽压力，p a ： r 蒸汽温度，k 。 结合k n 数的定义，应用状态方程p = 朋。t ，可以得到从稀薄或自由分子流动向连 续蒸汽流动的转变密度： 1 0 5 l k 以。荔i 币面 式( 2 - 4 ) 假设蒸汽处于饱和状态，对应于转变密度的转变蒸汽温度可以通过联列 c l a u s i s - c l a p e y r o n 方程和状态方程得到【4 】= 。2 去唧 等( 毒一专) 1 尸，r n pl儿口、1 ，rf l 式中： 只饱和压力，p a ； t 饱和温度，k ； 瓦转折温度，k ： r 。气体常数，j m o l - k ： 将k n = 0 0 1 代入式( 2 4 ) ，采用n e w t o n - r a p h o n n 迭代方法，联列求解式( 2 3 ) ( 2 5 ) ，可以得到热管内蒸汽由自由分子流动经过渡分子流动向连续流动分子的转折温度 【4 卯。 图2 - 1 给出以钠为工作介质的转折温度。可以发现转折温度与热管内部蒸汽腔有效直 径有关，对于同种工质，鞍小的蒸汽腔直径对应于较高的转变温度。 根据上述理论分析，结合高温热管翅的特点，可将高温热管翅的起动过程分为五个阶 南京工业大学博士学位论文 埘 心 蒸汽腔直径d m m 图2 - i 钠热管的转折温度 4 1 f i g 2 1t r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ef o rs o d i u mh e a tp i p e 1 4 1 段( 如图2 2 ) ： ( 1 ) 、高温热管翅受热前，吸液芯内工作介质处于固体状态，蒸汽腔内处于真空状态。如 图2 2 ( a ) 。 ( 2 ) 、由于高温热管翅长度短，受热后，蒸发段内的工作介质瞬间熔化，如图2 - 2 ( b ) 。 ( 3 ) 、熔化后的工作介质在蒸发段的汽液交接面上蒸发产生蒸汽，向冷凝段运动。高温 热管翅内的蒸汽全部处于自由分子流动状态，而此时冷凝段的工作介质也逐渐被熔化， 如图2 - 2 ( c ) 。 ( 4 ) 、随着热量的增加，蒸汽量不断增大，蒸发段的蒸汽分子流动已开始向连续流动转变， 而冷凝段还处于自由分子流动。因此，整个热管翅处于自由分子流动与连续流动的过渡 流，如图2 2 ( d ) 。 ( 5 ) 、继续受热，冷凝段进入连续流动状态，整个热管翅内蒸汽连续流动被建立，稳定 状态被达到。如图2 - 2 ( e ) 。 2 2 高温热管翅冷冻起动极限理论分析 如上节高温热管翅起动过程所说，高温热管翅在环境温度下，吸液芯内工作介质处于 固体状态。当蒸发段受热后，蒸发段内工作介质被熔化，在汽液交接面上产生蒸汽向冷凝 段方向流动，冷凝段工作介质才被熔化。若蒸发段产生的蒸汽不能熔化冷凝段的工作介质， 则热管翅的连续工作不可能建立，这就遇到冷冻起动极限用。 c o l w e l l1 6 1 首次提出钠热管的冷冻起动问题；g a o 和f a g h r i 【7 首次将冷冻起动极限的 第2 章高温热管翅起动性能的研究 1 6 ( a ) 管肇吸液芯蒸汽脏 l l l ll 一 f f f f f 液体状态 液体状态 图2 - 2 高温热管翅起动过程示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a r t u pp r o c e s si nh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp i p ef i n 南京工业大学博士学位论文 概念引入到钠热管的起动分析中，并通过热量平衡的方法得到冷冻起动极限( f s l ) 判据，即 热管从冷冻态起动时，蒸发段蒸发的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻，这将耗尽蒸发 段的工质，导致蒸发段干涸，钠热管无法正常起动工作。张光玉【叫又提出冻结限( 凡) ，他根 据g a o 和f a g h r i 的理论，考虑热汇对冷冻起动极限的影响，推导出钠热管从冻结状态下起 动的凡。本文在上述研究基础之上，结合高温热管翅应用过程中的实际情况，考虑到热 管翅冷凝段的辐射与对流换热对起动过程的影响，提出一简易的高温热管翅冷冻起动极限 计算公式。如图2 3 给出高温热管翅冷冻起动极限示意图。 图2 - 3 冷冻起动极限描述 f i g 2 - 3d e s c r i p t i o no f t h ef r o z e ns t a r tu pl i m i t 根据高温热管翅的起动过程的分析可以看出，假定不考虑蒸发段吸液芯和管壁的轴向 导热，认为冷凝段热量全部由蒸发段蒸发潜热所提供。那么高温热管翅起动必须满足如 下条件： 鲰纵+ q 式( 2 6 ) 即：蒸发潜热必须大于或等于冷凝段工作介质熔化所需的热量以及冷凝段向外散热之和。 由此得到高温热管翅起动判据： f s l ；旦 式( 2 - 7 ) q 。+ q 若f s l 1 ，则满足起动成功条件，热管翅将能起动；否则起动将失败。 第2 章高温热管翅起动挂能的研究 式中：q 唐为蒸发段工作介质的潜热： 鲰2m 。 掰。一蒸发段的工作介质度量，k g ，m 。= 痢。够白，e t j 口一吸液芯的空隙率。 q 。为冷凝段工作介质的熔化热和工作介质、壁面、吸液芯的显热： q n5m r h m + ( 2 n r ”8 。c 9 w + 2 肘w e , 6 w c p 一，。f 乙一瓦， 式( 2 - 9 ) 式中：_ 一蒸汽腔半径，m ； k 吸液芯与管壁相接触处的半径，m ； 一吸液芯的有效半径，m ，= o 5 ( r 。+ 0 j ； 万。吸液芯内有效厚度，m ； c 。一管壁比热，k j k g c ； c 一吸液芯内工作介质有效比热，k j k g ，c p w e = c t , w4 p + ( 1 一p 弦 p ，一工作介质密度，k g m 3 ： 风管材密度，k m 3 ； p 。一吸液芯内工作介质有效密度，k g m 3 ，p 。= p 。伊+ r 1 一p j p ，； m 。一冷凝段的工作介质质量，k g ，m 。= 卿，e 一0 。； l 一工作介质的熔点，k ； 一环境温度，k 。 9 为冷凝段向外散热量，它包括自然对流散热q 和辐射散热q ： q n = h o f o ( t 一瓦， 式( 2 1 0 ) q 郇。4 一( 剐 南京工业大学博士学位论文 式中：瓦一壁面温度，k 。 对流传热系数趣采用下面式子进行计算【9 】： n u = 0 5 毒t 瓮 将公式( 2 _ 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 代入( 2 - 7 ) 可确定f s l 。 飚= 磊石两丽鬟凳五丽而 式( 2 - 1 3 ) 从上面分析中可以看出冷冻起动极限与高温热管翅的结构参数、工作介质的性 质及环境温度都有关。对于给定的高温热管翅，长的蒸发段、较高的汽化潜热、短 的冷凝段都将使f s l 增大，有利于高温热管翅起动。反之，则不利于高温热管翅的 起动。 2 3 高温热管翅起动过程的试验分析 2 3 1 试验装置与测试系统 试验的高温热管翅由不锈钢材料制成，外径为2 5 m m ，厚度2 5 m m 总长度为6 0 m m ， 蒸发段长度为3 0 m m ，冷凝段长度为3 0 m m ，管内充液态金属钠作为工作介质，并有2 层 吸液芯。表2 1 给出高温热管翅的结构参数。 离温热管翅测试的试验装置如图2 - 4 ( a ) 。该系统主要由加热、冷却和测量系统。 加热系统为一自行组装的电加热炉。在该炉的耐火砖中间开一个大约为0 2 6 m m 的孔 使高温热管翅能放置进去。在紧贴该孔铡壁上再歼几个0 6 m m 的小孔，将电炉丝插入， 且电炉丝与调压器相连接，利用调压器来调节电炉的功率以满足不同功率的需要。耐火 砖外再加上厚厚的保温材料以酾止炉体的热量散失。 表2 - 1 高温热管翅结构参数 t a b l e2 - 1s t r u c t u r ep a r a m e t e ro f h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp i p e6 n 直径吸液芯网格数总长度蒸发段长度冷凝段长度充液量 ( 翌丝星墼l 旦! f 婴堡)( 堕型2f 堡里2f 出 口2 5 x 2 525 06 03 03 06 苎! 兰壹墨垫童壁! 型坚垡塑堕查 调 图2 - 4 ( a ) 试验装置图 f i g 2 - 4 ( a ) s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a ls e t u p 1 1 0 11 8 。1 1 7 1 j1 0 1 5 7 i 7 l 7 i 3 03 0 圈2 _ 4 ( b ) 高温热管翅热电偶布置形式( 尺寸为m m ) f i g 2 4 ( b ) t h e r m o c o u p l el a y o u to f h i g ht e m p e r a t u r e h e a tp i p ef i n 冷却系统是将高温热管翅完全暴露于自然环境中，以自然对流与辐射方式进行冷却。 高温热管翅的壁温测量采用中o 2 r a m 的镍铬镍硅热电偶，将热电偶点焊在管壁上。 图2 - 4 ( b ) 给出高温热管翅壁温测试时的热电偶布置方式，热电偶1 与热电偶2 在蒸发段 上，热电偶3 与热电偶4 在冷凝段上( 对应图2 - 4 ( b ) 1 、2 、3 、4 点) ，通过补偿导线和接线 柱引接到惠普测温仪，将惠普测温仪和计算机串接。通过计算机来存储记录试验数据。 试验前先将高温热管翅蒸发段水平插入炉内，然后给电炉丝通入电流，电炉丝开始升 温，并以辐射方式对高温热管翅进行加热，通过壁温测试来观察高温热管翅的起动现象。 2 0 南京工业大学博士学住论文 2 3 2 试验结果分析 2 3 2 1 水平放置高温热管翅测试结果分析 高温热管翅受热前，工作介质液态金属钠处于固体状态，受热后开始熔化，熔化后的 金属钠在蒸发段蒸发，产生蒸汽向冷凝段流动，在冷凝段冷凝成液体，靠毛细力的作用， 又返回到蒸发段，进入连续的工作状态。 图2 - 5 给出水平放置高温热管翅壁面温度分布。图中曲线1 、2 分别代表了蒸发段l 、 2 点的壁面温度，曲线3 、4 分别代表了冷凝段3 与4 点的壁霭温度。从圉中的温度分布 可以看出，当蒸发段受热后，蒸发段1 点的温度上升很快，2 点的温度上升滞后于l 点。 当蒸发段温度上升3 分钟后，冷凝段的温度才开始上升，温度上升曲线与蒸发段曲线相似， 且3 点与4 点的温度保持一致的温度分布。但当蒸发段的温度上升到一定温度时，蒸发段 的温度上升趋势渐缓慢。而同一时刻冷凝段的温度上升也趋于减缓。 8 0 0 7 0 0 6 0 0 l 5 0 0 蜊 赠4 0 0 基3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 2 一蒸发段壁面温度 对闻r a i n 图2 5 功率为1 3 5 w 州起动温度分布 f i g 2 - 5s t a r t u pt e m p e r a t u r ed i s t r b u t i o r s ( q = t 3 5 w l 为确定高温热管翅从快速温度增加到缓慢转折温度点。图2 - 6 又给出相应的温度变化 率分布。当温度变化率开始趋向于零时，表明温度分布趋向平稳，此时对应的冷凝段温度 为4 6 0 c 。该温度即为热管翅从分子流动向连续流动转变鲍实际转折温度【”。 试验时还出现另外一种有趣的现象，如图2 7 。将高温热管翅长时间倾斜放置，然后 再水平放置进行试验，试验结果与长时闯水平放置高温热管翅的试验结采有定的不同 2 第2 章高温热管翅起动性能的研究 时间i n 图2 - 6 功率1 3 5 w 时温度变化率 f i g 2 - 6s t a r t u pt e m p e r a t u r ev a r i a b i l i t y ( q = 1 3 5 w ) 7 0 0 6 0 0 5 0 0 p 遗4 0 0 赠 目3 0 0 赶| | 2 0 0 l o o o 08 1 62 43 2 如d 85 66 d7 28 08 89 6 时f n j h n i n 图2 - 7 倾斜一段时问后再水平放置的温度分布 f i g 2 7t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so ni t sh o r i z o n t a lp o s i t i o na f t e rs e t t i n gi n c l i n e d ( 与图2 5 比较) 。高温热管翅的冷凝段有明显的温差( 图中3 点与4 点温度分布不一致1 ， 产生这种现象的原因是因为吸液芯内工作介质分布不均匀的缘故，倾斜放置热管翅的冷凝 段末端吸液芯内缺少工作介质，因此出现冷凝段末端与冷凝段开始端不一致的温度分布。 帅舯们加m 0 司上q瓣芒制世嫡 南京工业大学博士学位论文 2 3 2 2 倾斜角度的变化对高温热管翅起动性能的影响 结构灵活是高温热管翅的一大优点，热管翅很多时候并不一定在水平位置使用，同一 根热管翅在垂直放置或倾斜放置时，其起动性能与水平放置时将有所不同。目前关于倾斜 放置高温热管翅研究的试验与理论研究未见报道，本文通过试验现象比较在不同倾斜角度 下高温热管翅的起动性能。 图2 8 给出高温热管翅倾斜放置示意图。试验测试时，先将高温热管翅竖直放置( o = o 。) ，观察其温度变化：再将高温热管翅倾斜放置( 0 = 3 0 。、0 = 4 5 。、o = 6 0 。) ，测 试倾斜角度变化对起动性能的影响。 图2 - 9 为输入功率q = s o w 时高温热管翅在不同的倾斜角度放置时，蒸发段始端1 点 与冷凝段末端4 点起动过程的温度比较。由图2 9 ( a ) 看出无论高温热管翅如何倾斜放置， 蒸发段l 点的温度随时间的增加而增加，有着相同的升温趋势，倾斜角度的变化对蒸发段 l 点的温度略有影响，但影响不是很大。而从图2 - 9 0 ) 却可以看出冷凝段4 点的温度变化 很大，首先当热管翅垂直放置e - - 0 。时，冷凝段末端4 点的温度上升最慢且有明显的温 度脉动。其次当热管翅倾斜3 0 6 、4 5 。、6 0 4 、水平9 0 。放置时，冷凝段末端4 点的温 度上升均比垂直放置时上升快，且随着角度的增加，升温趋势减缓，即倾斜3 0 。放置时， 虽有温度脉动但温度上升最快，倾斜4 5 。放置时次之，此时温度偶有很微弱脉动，6 0 。 放置起动温升慢于3 0 。与4 5 。放置，这时温度脉动现象全部消失，水平9 0 。放鼍比倾斜 3 0 。、4 5 。、6 0 。放置时都慢。分析其上述实验现象，原因为当高温热管翅垂直放置时， 图2 - 8 高温热管翅倾斜放置示意圈( 尺寸为m m ) f i g 2 - 8s c h e m a t i cd i a g r a mo f i n c l i n e dh i g ht e m p e r a t u r ef i n 一一 墨! 兰壹兰整篁燮! 塑：些堂塑竺壅一 。_ _ ，_ 。- _ _ _ - 。_ - ，。_ _ _ _ _ _ _ 。- - _ 。_ _ _ _ _ - 。_ _ _ 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ - 。_ _ _ _ _ _ 。 。一 7 0 0 6 0 0 u 5 0 0 鑫4 0 0 羽 蠡3 0 0 2 0 0 1 0 0 o 5 0 0 4 0 0 时间m i n i a ) 蒸发段1 点整堪温艟j 布 o51 01 52 02 5 ： 03 54 04 5 时间m i f l ( b ) 冷凝段4 点壁面温度 图2 - 9 不同放置位置时蒸发段与冷凝段起动过程温度分布( q = 8 0 w ) f i g 2 9s t a r t u p t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n so f e v a p o r a t o r a n dc o n d e n s e r o l lv a r i o u sp o s i t i o n s ( q = 8 0 w ) 受热前，液态金属钠处于固体状态，堆积在底部，受热后开始熔化，熔化后的金属钠在热 管翅的底部形成液池。继续受热后，工作介质开始蒸发产生蒸汽向冷凝段上方流动，在 冷凝段冷凝成液体，冷凝液靠自身的重力，又返回到蒸发段，完成整个工作过程。蒸汽的 向上流动不断冲刷冷凝段液体导致4 点的温度脉动。图2 1 0 给出4 点在l o 分钟之内的温 度脉动情况。温度脉动曲线是一条简单的波动曲线，该温度曲线反映了管内蒸汽在冷凝段 末端的冷却过程。 2 4 | | 猢 m o u 避碉匿粼 一一壹蔓三些查兰堡主兰堡垒圭 u 5 0 0 、4 8 0 蜊4 6 0 嚣黧 时佰i i n 圈2 - 1 0 乱心h 本年1 8 0 l r 日寸4 翎$ l 度在l o 分神内白勺i 船盼布 f l g 2 - 1 0t h ef l u c t u a t i o nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f c o n d e n s e r 4i nt e nm i n u t e s ( o = s o w ) 8 0 0 7 0 0 6 0 0 p5 0 0 羹4 0 0 疸 剖3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 6 0 0 5 0 0 u 4 0 0 ， 世 赠3 0 0 旧 到 2 0 0 1 0 0 o 051 0 1 52 02 53 0 3 54 0 时间m i n ( a ) 蒸发段1 点壁面温度 0 51 0 1 5z 02 5 3 03 5 4 0 时间m ir l ( b ) 冷凝段4 点壁面温度 图2 - i i 不同放置位置蒸发段和冷凝段起动过程温度分布( q ：1 3 5 w ) f i g 2 - l ls t 8 n u p t 。“p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n s o f e v a p o r a t o ra n dc o n d e n r o n v a r i o u s p o s i t i o n s ( o = 1 3 5 w ) 第2 章高温热管翅起动性能的研充 当高温热管翅处于倾斜位置时大部分工作介质堆积在管壁的下侧。随着倾斜角度 的变化，工作介质在管内的分布将发生变化，管内蒸汽的运动状态也将发生变化。在蒸 发段管壁下侧内的工作介质受热后蒸发，蒸汽离开壁面向上运动，而管壁上侧的工作介 质蒸发产生蒸汽只能贴着壁面向上运动。在冷凝段壁面上凝结时，下侧壁面以层状流为 主，而上侧壁面应以间歇流为主，当冷凝液回流至i 蒸发段不仅靠自身的重力同时还有毛 细力作用，因此倾斜放置热管翅时升温迅速。 图2 - 1 1 给出输入功率加大到q = 1 3 5 w ，高温热管翅蒸发段l 点与冷凝段4 点起动过 程的温度分布。图2 1 l ( a ) 可以看出在输入功率为1 3 5 w 起动时，倾斜角度对高温热管翅 蒸发段的起动无任何影响，各种倾斜放置位置的蒸发段始端1 点温度分布是一致的。图 2 1 1 ( b ) 中表明冷凝段末端4 点的温度分布状况好于图2 - 9 ( b ) 的低功率起动状况，垂直放置 时的温度脉动明显减弱。 2 3 2 3 不同起始输入功率下高温热管翅试验结果分析 由热量传递知，功率增加，热量传递加快，热管翅的温度上升快。图2 1 2 、2 1 3 给 出不同起始功率下的水平放置高温热管翅起动过程中蒸发段与冷凝段1 点与4 点的温度分 布，从图中可以看出，水平放置时低功率( 5 0 w ) 的起动与高功率0 3 5 w ) 的起动有相似的温 度分布曲线，低功率下的起动温升比高功率的温升慢，起动过程所需时间长。 p 划 赠 旧 龋 时间m i n 图z l z 不同输入功率下蒸发段l 点温度分布 f i g 2 - 1 2 t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n sa t t h ee v a p o r a l o r l w i t hv a r i o u s i n p u t p o w e r 咖 | 三 啪 啪 栅 渤 枷 m o 鱼室三些查兰堡主兰垡丝苎 一 6 0 0 5 0 0 u 4 0 0 籍3 0 0 _ | 凰 削2 0 0 1 0 0 0 时间越” 圈2 一1 3 不同输入功率下冷凝段4 点温度分布 f i g 2 - 1 3t h et e m p e r a t u r ed i s l r i b u t i o n s a tt h ec o n d e n s e r4w i t hv a r i o u s i n p u tp o w e r 2 2 , 3 试验结果与理论结果的比较 采用式( 2 5 ) 可以计算出该试验的高温热管翅从分子流动过渡到连续流动的转变温 度，即理论转折温度为正，= 4 3 0 y 3 。但从图2 5 的试验结果知道高温热管翅的实际转折温 度约为4 6 0 c 时，这说明理论转折温度与实际的转折温度有一定的差异，大约相差为3 0 ，相对误差为6 5 。产生这个误差的大概原因有两个方面：一方面是理论转折温度为 管内的蒸汽温度，而试验所测温度为管外壁温度，管内蒸汽与管壁之间有一定温差，必然 导致试验值与理论值之间有一定的差异。根据资料 1 0 】【1 1 】表明管内蒸汽温度与管外壁之 间温差大约为5 - - 2 0 ，这与管材、吸液芯结构及加工制作都有关。另一方面原因为不 凝性气体的影响，在相同时间内不凝性气体的存在导致冷凝段温度增长速率降低。 为进一步分析高温热管翅的起动过程，将高温热管翅的理论转折温度r ，= 4 3 0 。c 和工 作介质的熔化温度= 9 8 0 与水平放置的高温热管翅起动过程试验数据( 图2 - 5 ) 结合起 来进行分析，得到如图所示2 1 4 的温度分布。可以看出当高温热管翅蒸发段受热后，蒸 发段i 、2 点的温度在大约1 分钟( tj = l m i n ) 就达到了熔化温度，表明吸液芯内工作介质开 始熔化，产生蒸汽进入到分子流动阶段。继续受热届，l 、2 点温度继续增加，蒸发段产 生蒸汽向冷凝段移动。3 分钟后( t 2 = 3 m i n ) ，冷凝段3 、4 点温度也达到了熔化温度，冷凝 段的工作介质开始熔化，这表明商温热管翅受热后瞬间工作介质就处于液体状态而此时 蒸发段还处于自由分子流动状态：当1 点的温度达到z 时( t 3 = s m i n ) ，表明蒸发段开始从 蔓堡塑燮缕墼 蒸汽 工谁介质 “辱2 1 似n a l y s j s o r 呦rf l o wi nh i g h t 。m 删。糟孟l p ef i n 。h 尚韫热管翅内蒸汽流动过程的分析 三黧兰动竺黧槠竞z 矗4 撇嗽职，：鼢燃峨 淼竺竺兰薰竺三篓? 好过渡流阶段；当冷凝段“，、：蠹蓦嚣 篓豪一黧灏茹篓 案鬻一鬻蕊鬻 星竺苎掌婴】2 】的高温熟管翅的热电偶布置髋 瑟蓑妻基裟 短，起动快，而文献 1 2 】的热管翅长度较长一些，相对来说，温度上升较慢，且所需功率 也较大。 袁2 2 高温热管翅的结构参数比较 t a b l e2 - 2c o m p a r i n go f s t r u c t u r ep a r a m e t e ri nh i g ht e m p e r a t u r e h e a tp i p ef i n j 兰塑塑型星塑! 旦! 塑型堕! ! 型 堕塑业 ! 墅 本文中2 5 2 525 0 6 0 3 03 0 6 文献 1 2 1 0 2 5 x 2 52 5 03 0 0 2 1 09 0 2 0 2 45 67 8 0 0 7 0 0 6 0 0 p5 0 0 簧4 0 d 陶 划3 0 0 2 0 0 1 0 0 d 2 1 0 + 一! l _ 懒 图2 - 1 5 热电偶布置方式 f i g 2 1 5t h e r m o c o u p l e sl a y o u t m i e 一本文热管翅蒹发段壁面温度 2 e - - 2 ( i 就 1 2 l 热臂翅蒸发段壁斌温度 l c 一本文热管翘冷凝段壁面温度 0481 21 62 02 42 8 3 2 3 64 0 “4 8 时间n i i n 冒2 一1 6 与文献 1 2 起动性能比较 f i g 2 _ 1 6c o m p a r i n gw i t hh i g ht e m p e r a t u r eh e a tp i p ef i ni nr e f e r e n c e 【1 2 d u r i n g t h es t a r t u p 第2 章高温热管翅起动性能的研究 2 3 5 试验结果与普通高温热管试验结果比较 为与普通高温热管的性能对比，这里将用于大型换热设备的常规液态金属热管称为普 通高温热管。高温热管翅与普通高温热管的工作原理都是依靠热管内部吸液芯中的工作介 质汽化、冷凝来传递热量。但由于高温热管翅的长度短，它的应用与普通高温热管有所不 同。为分析比较高温热管翅与普通高温热管的工作性能，本文又对一根普通高温热管进行 试验测试。高温热管翅与普通高温热管的结构参数如表2 - 3 。 t a b l e2 - 3s t r u c t u r ep a r a m e t e ro f t h ec o m m o n h i g ht e m p e r a t u r eh e a tp i p e = 三三二竺生型堕j 旦l ! 唑 壅! 竺堕塞! 竺生壅! 里型 堡! 叟 鬻0 2 5 x 2 5 z s。s。3 0 。，。s 一 执管0 2 5 “2 5 2 5 01 0 0 0 5