（工程热物理专业论文）切向漩流半开式两相热虹吸管的性能研究.pdf

浙江大学硕士研究生学位论文 摘要 在前人有关重力热管和半开式重力热管的试验研究和理论研究的基础上， 本文对一种新型的热虹吸管进行了传热性能研究。 这种热管在构造上与一般的重力热管相比有较大的改变：热管本体顶端开 孔，侧端切向对称开孔，因此称为“切向漩流两相半开式热虹吸管”。这种热管 具有传热性能良好、结构简单、加工成本低廉、具有较高传热极限等特点。由 侧端切向开漩流孔的半开式热虹吸管制成的热管换热器已在工业锅炉、窑炉中 初步得到成功应用，但对其内部的机理和有关影响因素尚不十分清楚，在国内、 国外文献资料中对该种热管的相关研究资料的报道也较少，因此，迫切需要进 行相应的研究，以丰富热管理论并指导工程设计。 本文主要针对这种热管在本体结构上的变化，通过流型观察试验和稳态传 热性能试验，探讨结构形式与换热性能之间的关系，在前人研究的基础上，得 出切向漩流两相半开式热虹吸管相应的试验关联式；同时，在热管倾角变化、 长度比变化、流量变化、热管振动等情况下，对切向漩流两相半开式热虹吸管 传热性能的影响情况进行了研究。 研究结果表明：在侧端切向漩流孔位置和大小不变的情况下，切向漩流两 相半开式热虹吸管的性能曲线和其他的普通半开式热虹吸管类似，但是工作范 围更大；在侧端切向漩流孔的开孔位置和直径发生变化时，切向漩流半开式热 虹吸管的工作性能也发生相应的改变。 本论文的应用背景是浙江大学能源研究所、莫干山节能设备厂联合体的“侧 端切向漩流半开式热管换热器装置”，本文研究的试验装置受到莫干山节能设备 厂的赞助。 妇龟问：娟向漩趣彳拭函相熟扫地，渊，们4 j l 塑墼兰堡圭堕生兰垡堡苎 s t u d yo nt h eh e a t r i i a i l s f e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h e1 、i r b l l l e n c es e m i - o p e nt h e r m o s y l h o n ( t s o t ) a b s t r a c t o l eb a s i so fp r e s e n tp a p e r sa b o u ts e l 主o p e nt h e h n o s y p h o n s ，t h ch e a t 廿a s f e rc h 硪咖i s t i c so f 也et b u k n c cs e 商一o p e nt h e 均s y p h o n ( r s o t ) w e r e i t l v e s t i g a t e db 0 恤e x p e r i m e n t a l l ya n d 吐l 洲c a l l y n e t s o t h a s a 目僦c h a n 莎i n i t ss m l c t u r e c o m p a r e d 谢m 嘶百n a ih e a t p i p e n h a sas a uh o l c o n i 乜t o pa ds c v 锄l h 0 1 e sa t 让l cs i d e0 fc o o l i gs c i m o n n h a s 也e a d v a n t a g e s s u c ha s 9 0 0 d h e a t n 锄s f 打p e r f b 珊a n c e ，s 油唧es 咖c 呲， 1 0 w m a i l f j m c t o r yc o s ta n dh i 啦h e a lt r a 【n s f b rl i i n i t s 舢t h o u 曲t h et s o th e a t 蹦c h a n g c r h a sb e e ns u c c e s s f i l n ya p p l i e di nt h er c a l mo fh e a t r e c o v 髓yi ni i l d 啦滴越b o i l e r sa n d 缸雠t b em e c h a n i s l so ft s o ta n d 邀e 髓c l so fs 咄e l e n l e n t so n 迅h c a t 劬叮s f 矗f 色a t u r e sa 比u n 】m o w n 风翟叫s 抽u t 血et s o tr c a r c hh a v es e i d o ms c c s oi ti sn o t l y1 】r g e n tb u ta l s oi m p c n a n tt od os a m e 甜屺m g a 妇so nt o s tt o e n r i c h 吐l eh 嘣p i p e 血e o r ya n dg i l i d ee n g i l l 。e 血gd e s i g 【i ht h i sp a ：l e r t h ee f f 色c t so f 血et s d ts m l c t u r eo ni t sh e 砒仃匝s f e fp 既f 咖a n c e h a v eb 戈nm s c u s s e db yn o wp a t t e mo b s c r v a n o n sa i l dp 豇f b m a n c et e s t i n ga s 也e s m l c t l l i ei ss oi m p 0 i t a tt ot h et s o t t h ee x p 廿i m e n t s0 fv a r i o i l ss t m 吐u 髓sh a v e b e e nd o n e ，越ds c h e m e st o 删c tf h et r a n s f e rp o i ma n dc r i s i sp o i n th a v eb e c n p r e s e n t e d t h ee x p 砸m e n t so ft s o t sp e r f o n n 翘c ew j 吐lv a r i o u si n c l i 丑e d 一鞠g e l s ， f i o wr a t e s ，i c n 舢r a d o s ，a n du n d e rv i b r a t i o na l s oh a v eb e e nc 趾r i e do u t b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 卸dt l l ee x p c r i m e n t a lr c s e a r c h ，t h ef o u 0 w i n g c o n c l u s i o n sc a b eo b t a m e d 删y t h et s o tw i 山ad 娟n i t es 仰c t u r ec a i lw o 血i nam o r ew i d eh e a t - n u x r 孤g e s 。c 0 d d l * 也e 睡c t so f i i i c i i n e d 一柚g 出，f l o w 眦，a d d 蛔g 山础o so n 也ct s o ta r e s i m 丑a rw 汕n l o s e0 n 血ec 咖0 s e 血o p c 1 h e 皿o s y p h 伽a tl a 巩t l l et s o tu d 盯v i b r a l i o n s h o wb e 纰p c m 脚瑚c e 山卸s 嘶a r y 1 1 l ct s o ti n v e n 叫b y 妞b e a tp 耻g r o u p0 fe n e 曙yd e p 舡t 眦n o f 劢巧i a n g u n i v c r s i t y i sa p p e d i ni n d u s y b ym cu i l i 州o 曙a n i z a t i o no f 动e j i a n g u n i v e r s 时sr e s e a r c hi n s t i t i l t eo fe n e r g y 锄dm o g a i lm o u 删n se q u i p m e n tf a c t o r y 0 fe 【l e 唱yi nr e o e n ty c a r s j i h ee x p e r i m c n t a ld e v i c eu s e di 血i st l l e s i sp r o v i d e db y m o g 肌m o u n t a l n s e q u 中1 n c n t f a c t o r yo f e r g y ，州曲越： 移矿丁；两触口奴谯 2 浙江大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 热管( l c a tp j p c ，简称h p ) 是一种高效传热元件。 除了传热效率高的优点之外，它还具有体积紧凑、重量轻、无噪声、没有 转动部件等特点。所以被广泛地应用在能源、动力、低温、医学、电子、电气、 化工、航天、地热、食品等领域的散热、冷却、加热和温度控制等各个方面； 特别在余热利用方面，更是取得了显著的成果。 热管的种类很多；一般根据管内工质的回流方式分为标准热管、重力辅助 热管、两相热虹吸管( 1 1 1 e m o s y p h o n ) 、旋转热管、渗透热管、电流体动力热管、 磁流体动力热管等等。 本文将就热虹吸管的一个分支一切向漩流两相半开式热虹吸管口u r b u l e n c e s e m i _ 0 p c n1 k 珊o s y p h o n ，简称t s 0 i ) 进行研究。 根据热管的分类和发展历史，按照下面的顺序。对热管进行简单介绍： 热管 标准楚f 管 一闭式 两相热虹吸管一 l 开式卜半开i + 切向漩流两相半开式热虹吸管 图1 1 本文涉及到的热管类型及介绍顺序 1 热管与热虹吸管 l 1 热管与热虹吸管的产生与发展 1 9 4 2 年美国通用汽车公司的r s g a l l 羽e r 提出热管的概念，并于1 9 4 4 年将 这一概念应用到一套“制冷装置”( 美国专利n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 上，称之为“制冷 设备的毛细热传递装置”。1 9 6 2 年l d s 一朋锄o s 科学实验室的g m g r o v e r 正式 提出“热管”的命名；该热管以不锈钢作壳体、钠为工质、管内装有丝网吸液 芯。1 9 6 4 年，g r o v e r 等人在应用物理杂志上公布自己的试验结果，这是关 于热管的第一篇论文。此后，热管开始应用于热离子转换器，工作温度达到了 1 6 0 0 - 1 8 0 0 。1 9 6 5 年，c o t t e r 首次较完整地阐述了热管理论；他建立了热管中 所发生的各个过程的基本方程，并提出了计算热管工作毛细极限的数学模型， 从而奠定了热管理论的基础。1 9 6 7 年，美国在发射的“a t l o s _ a g e n a ”号人造卫 c 浙江大学硕士研究生学位论文 星上首次进行了热管的无重力试验。1 9 6 8 年邱氏( h c h e u n g ) 综合评述了8 0 篇文献。 2 0 世纪6 0 年代以后，出现了各种类型的热管：如1 9 6 6 年k a t z o f ：f 提出的有 干道的热管，1 9 6 9 年g r a y 提出的旋转热管等等；应用范围也从宇航扩大到地 面。8 0 年代后，回转型、分离型等新的结构形式相继出现，并日趋大型化。 两相闭式热虹吸管是从铂金斯管( 嗽i n s1 、l b e ) 发展而来的。早在1 9 3 6 年，j p e l d n s 就发明了这种热管，取得了英国专利( n o 7 0 5 9 ) 。它与现代两相闭 式热虹吸管的结构极其相似，唯一的区别是它管内的空气未抽空。这种铂金斯 管在机车锅炉及面包烤炉中褥到了应用。1 8 9 2 年，j p e r k 璐的孙子和w e _ b u c k 改进了铂金斯管，用加热排气法抽除了管内的空气，并提出了各种可能应用的 场合。1 9 0 0 年后，铂金斯管得到了广泛的应用。1 9 6 3 年热管定名后，铂金斯管 归入热管范畴，称为“重力热管”。2 0 世纪7 0 年代以来，工艺简单、成本低廉 的碳钢一水热管的出现，为热管在余热回收方面的应用开辟了广阔的前景。我 国也于2 0 世纪7 0 年代展开了对热管的研究，并在各类余热回收领域广泛推广， 取得了良好的经济效益。 两相开式热虹吸管是1 9 3 8 年由触拙提出的，e s c h l i l i m 在1 9 4 0 一1 9 4 5 年第二次世界大战期间对此进行了有关研究。m j u 曲l i l l 第一个对开式热虹吸 管进行了理论分析。b w m a f 垃等人的试验研究和理论分析，进步完善了 u 曲m m 的力弦。 1 9 8 7 年，浙大热管科研组参照苏联乌克兰科学技术物理所的方案，加以进 一步改造，使它的具体结构、适用场合及应用条件都不同，推出了两相半开式 热虹吸管，可称之为“开式重力热管”。同年，发表了有关分离型两相半开式热 虹吸管( s i p 倦) 的第一篇研究论文。文献首次对s t p r s 进行了稳态传热 特性的初步研究，理论分析中作了许多假定，忽略了沸腾中一小段下降液膜的 影响，将加热段传热过程看成完全的液池沸腾换热，在凝结段认为稳态条件下 管内外基本上无工质交换，传热过程与两相闭式热虹吸管基本相同，理论计算 与试验结果基本上符合，结果还表面分离型两相半开式热虹吸管的换热能力是 两相闭式热虹吸管的9 8 ( 试验) 或9 8 “( 理论) 。 在前苏联地区，热管的研究也受到很大的重视。同热管试验和理论研究相 关的出版物超过了1 0 0 0 多家，并且形成了关于多项热虹吸管和热管的的专利以 及2 0 多本的专著和手册。口1 删热管在前苏联地区的应用范围非常广泛。举例来 讲，热管换热器( i 咖) 作为空气余热器和锅炉现在被应用在一家炼钢厂，所 能节省的能源达到了1 0 1 0 3 k w ；有多达l o 个以上的空间项目采用不同类型的 热管作为热控制系统。从事热管研究的院所众多。在2 0 世纪7 0 年代，著名的 s o v i e t 肿学院就建立在俄罗斯的m o s c o wp o w e re 呀n e e r i n 窟h i s t i t i l t e ，h l s t i m t eo f p l i y s i c sa n dp o w e re n g 洫e e r i n g 和其它的些研究院中。这些研究院所中，t h e e 1 e c t 【o m e c h a n i c a le n t e r 叫s ej ns e l p u k h o v 专注于不同类型有自主冷源的h p s 的 设计和测试。1 ks tp e t e r b u r gi i l s t i m t ef b rp r e c i s i o nm c c h a r 血sh eo p 乱s 研究的内 容是涉及应用于各类电子设备的印) s 的设计。，i kc e n 昀li i l s t i t u t ef o rb o n e ra i l d 1 u b i n cd e s i g n 对热管和热虹吸管换热器的研究有专长。n eu r a li i l s t i t u t eo f ，i h e f r n o p h y s i c s 和t h eu r a is t a t cu h i v e r s i c y ，对分离型的热管有独到的研究。他 们还在1 9 8 6 年与t h ea p p l i e dm c c h a 【l i c se n 伦r p r i s e ( 鼬锄s n 0 、邮k ) ，以及在1 9 8 8 年与t h el a v o c h h na s s o c i a t i o n 合作对回路热管进行了研发工作。t h ei n s t i t u t eo f h i g ht e m p e r a t u r e s ，m o s c o w 。进行了一系列针对有毛细结构并且在内部插入一块 4 浙江大学硕士研究生学位论文 半月板的热管的研究。在t h el u i k o vh e a ta n dm a s st r a n s f e r i n s t i t u t e ，b e l a r u s ，1 9 6 8 年开始对于不同低温和制冷剂h p 的流体动力和传热研究。从1 9 7 6 年开始，他 们还同t h ec z e c hn a t i o n a lr e s e a r c hi 【i s t i t u t ef b rm a c h i n ed e s i g n ，进行了富有成效 的合作。现在，t h eb e l o r u s s i a f lr e p u b l i c a nr e s e a r c ha 1 1 dp m d u c t i na s s o c i a t i o nf o r p o w e rm e t a l l u r g v ， 血eb e l o m s s i a f lf ，o l y t e c l l i l i ci n s t i t u t e ，血eb e l o m s s i a ns t a t e u n i v e r s i t yi nm i n s k ， 以及t i l eh e a ds p e c i a l i a z e dd e s i g no f f i c eo na i rc o n d i t o n i n g s v s t e m si b r c s t 都在从事h p 的研究。在2 0 世纪7 0 年代早期，i 勋i n e 就建立 了热管学院。著名的热虹吸管和金属纤维毛细结构的h p 专家就在吐l e e v p o l 婶h i l i c h l s t i t u t e 。高温热管换热器( 简称 ) s ) 就是血eh l s t i t l 】伦o f e n i g i n e e r i n g t h e 加1 0 p h y s i c su k m i n ea c a d e m yo fs c i e n c e s ，曲屺i n s t i t u t eo fm a t e r i a ls c i e n c e p r 曲k m s ，t h cu k m i i l i a na c a d e n l yo fs c i e c e s ， 以及d i l i e p r o p e 缸d v s ks t a t c u i l i v e r s i t y 所研发的。n ei i l s t i t u t eo fa p p l i c dp h y s i c so ft h em o l d a v i a i la c a d e m vo f s c i e n c e s 也对h p s 进行了独到地研究与开发。 1 2 热管的工作原理 所有的热管和热虹吸管的工作原理都可以描述为： 冷凝液体回流 图1 2 热管的工作原理示意图 图1 3 标准热管的结构和工作原理 1 2 1 标准热管( h p ) 如图1 3 所示，沿纵向，热管由加热段( 沸腾段或蒸发段) 、地热议，i - 卸 段( 凝结段) 三部分组成；沿横断面，由管壳、管芯结构及蒸汽腔组成。综上 浙江大学硕士研究生学位论文 所述，h p 是一个装有一定量工质并抽成真空的密闭容器( 真空度为l o 。2 1 0 5 i i l m h g ) 。 1 t 2 2 两相热虹吸管( t w 0 1 m a s et h e m o s y p h o n ) 两相热虹吸管是热管的一个分支，靠重力回流凝结液，管内没有毛细吸液 芯，所以这种热管具有很强的势位性( 即，热源必须低于冷源) ，热量只能从下 向上方传递。但是他们结构简单、成本低、重力回流适合于地面应用，因此得 到了广泛的应用。 热 探 蓬 黼 段 绝 蘩 夏 容 器 ( a ) 闭式热虹吸管 ( b ) 开式热虹吸管 l 一管壳2 一工质3 一蒸汽腔4 一液池 图1 4 闭式与开式两相热虹吸管 根据管壳的密闭情况，可以分为闭式两相热虹吸管( c l o s et w o - p t l a s e 1 1 1 e 丌n o s y p h o n ，简称) 和开式两相热虹吸管( o p e n 脚o p h a s e 1 k 咖o s y p h o n ) 。 a ) 混合型两相半开式热虹吸管切向漩流两相半开式热虹吸管 图1 5 混合型两相半开式热虹吸管与切向漩流两相半开式热虹吸管的结构 浙江大学硕士研究生学位论文 1 2 3 两相半开式热虫l ：吸管( 1 w o p h a s es e r n j o p e nt h e r m o s y p h o n ，简称s t p t ) 结构上与开式热虹吸管近似，不同的是：顶端的小孔直径比较小；冷凝段 完全浸在冷却水中。工作原理上和开式热虹吸管也近似。 根据结构上的不同，可以将两相半开式热虹吸管分为四种典型的类型：混 合型两相半开式热虹吸管( s 删) 、分离型两相半开式热虹吸管( s t f y l l s ) 、 内套管型两相半开式热虹吸管( s t p r n ) 和有回流孔的两相半开式热虹吸管 ( s i p m ) 。本文所讨论的切向漩流两相半开式热虹吸管( t s o t ) 就属于有回 流孔的两相半开式热虹吸管的范畴；具体区别就在于侧端开孔的方式，t s o t 为切向漩流开孔，不同于其他类型的s 1 p t r 。( 详细的文献资料见后面各章的 文献综述部分) 。 2 切向漩流两相半开式热虹吸管的结构和工作原理 2 1 切向漩流两相半开式热虹吸管的结构 切向漩流两相半开式热虹吸管( n 曲u l e n c er l w o p h a s es e l t l i o p e n 耽e r s y p h o n ，简称t s 0 t ) 。如图1 5 所示，它的结构和两相半开式热虹吸管非 常相似。它的管内没有毛细吸液芯，工质靠重力回流，它可分为加热段( 沸腾 段) 、绝热段和放热段( 凝结段) 三部分，也可不设绝热段；顶端都有开孔，并 用液封层封住。与两相半开式热虹吸管不同的是：切向漩流两相半开式热虹吸 管凝结段的侧端切向对称开孔。 2 2 切向漩流两梧半开式热虹吸管的组成部件 切向漩流两相半开式热虹吸管的基本组成部件为：壳体、工质、液封层。 各部分的性质和其它的两相半开式热虹吸管都很类似。 2 2 1 壳体 切向漩流两相半开式热虹吸管的壳体，即热管的外壳容器，与其它的两相 热虹吸管一样，没有特殊的形状限制，可以是任意形状，目前一般都采用圆管 形，与其它的两相闭式热虹吸管不同的是：切向漩流两相半开式热虹吸管不是 一个密封承压容器( 热管的顶端和侧端都有开孔) ，管内没有真空度，因此对管 壳焊接没有密封性的要求，只要保证工作时不泄漏即可。 2 2 2 工质 工质是热管工作时的载热、输热的介质。热管依靠工质的相变来达到热量 传递的目的。与其他两相闭式热虹吸管不同的是：切向漩流两相半开式热虹吸 管的工质充装是载热管工作时自动进行的。其充液量( 工作液的充装量) 也是 在热管工作时随工况变化自动调节的。因此两相半开式热虹吸管制造时不必预 先充装工质，只要在安装时加足工质即可。此外，切向漩流两相半开式热虹吸 浙江大学硕士研究生学位论文 管对工质有很强的适应性，不必担心不凝性气体的产生，而且对工质也没有纯 净度的要求。 2 2 _ 3 液封层 设置液封层的目的是使热管工作时不直接与外界大气相通，而热管工作中 产生的不凝性气体又可通过小孔排除。侧端切向对称开孔的设置是为了实现管 内外工质的对流换热，提高切向漩流两相热虹吸管的工作范围和性能。本文借 鉴混合型两相半开式热虹吸管的结构，将液封层和被加热液体混为一体，因此 无需特设液封层，由被加热液体充当液封，这样，被加热液体必须和热管中工 质是同一物种；这种型式的切向漩流两相半开式热虹吸管的结构最为简单，特 别适用于加热水的场合。 2 3 切向漩流两相半开式热虹吸管的工作原理 切向漩流两相半开式热虹吸管的工作原理和其他的两相半开式热虹吸管很 类似，也具有很强的势位性。工质在加热段吸收热源的热量使工质汽化，蒸汽 上升到放热段放出热量给冷源，蒸汽冷凝下来，在重力的作用下凝结液又回到 加热段。这种循环过程不断进行，将热源的热量传给冷源。由于存在切向漩流 侧端开孔，在压差作用下，液封层的冷却水会进入管内，实现管内外流体的传 质对流换热，起到了提高换热性能的作用。 因此可以将切向漩流半开式热虹吸管的工作原理用下图来表示： 煦热l ，_ _ = 嚣、圣： 句_ _ _ i e - 、z 爵， l 一通过管壁对流换热 泞稍研# f 氍 2 一道过小孔传j 擞热 图1 6 切向漩流两相半开式热虹吸管工作原理示意图 3 切向漩流两相半开式热虹吸管的研究及开发意义 在工业上，许多设备和系统中都有热源提供，如干燥器的废气、加热炉的 排气、炉膛烟气、通风排气、蒸馏厂蒸汽、蒸馏厂蒸汽、冷凝水及洗涤和印染 工艺所排放的废液等，回收这些废热可用于工艺加热、产品加热、燃气余热、 给水加热、区域供热、区域供热、暖通和空调及生活用水：余热回收不但能提 高能源的利用率，而且可以减少环境热污染，对于这类节能产品一般都要求尽 可能地结构简单、成本低、使用方便、效果好。由于热管最初是一种航天器产 品，成本一直偏高，用两相闭式热虹吸管取代标准热管在工业领域推广应用， 已取得了很大成功。为了进一步降低热管成本，大面积推广热管这种高效传热 技术在工业余热回收领域中的应用，提高工业能源利用率，我们推出了这种结 构制造十分简单、成本非常低性能相当可靠的新型热管一切向漩流两相半开式 浙江大学硕士研究生学位论文 热虹吸管。德清莫干山节能设备厂已经投入到实际的生产应用中。 4 本文的研究方向及意义 虽然在实际的生产和应用中，切向漩流两相半开式热虹吸管取得了良好的 经济效益，但是对于切向漩流两相半开式热虹吸管的工作机理、结构的变化( 侧 端开孔的位置及大小等) 以及各种工况( 振动等) 下的工作性能都还没有进行 深入的试验和理论研究。本文针对切向漩流两相半开式热虹吸管的这一研究与 发展现状，从为应用服务的角度出发，为工程提供可资借鉴的理论和试验数据， 对切向漩流两相半开式热虹吸管进行了稳态性能及流动特性的分析。 在试验研究方面，本文通过建立了几个试验台，对切向漩流两相半开式热 虹吸管进行了流型观察试验和性能研究，包括稳态过程以及工作极限。 本文涉及到的试验研究内容主要有以下几项： ( 1 ) 工作过程及流型分析：通过目测和摄影研究了切向漩流两相半开式热虹 吸管的内部工作过程和流型。 ( 2 ) 几种结构类型的切向漩流两相半开式热虹吸管的稳态传热特性：对于不 同结构的切向漩流两相半开式热虹吸管，其稳态传热特性也不相同，有必要找 出结构和传热性能之间到关系。 ( 3 ) 外界因素到变化：如流量、倾角、振动等因素对于切向漩流两相半开式 热虹吸管的影响还是个未知数，有必要对这些因素作试验和理论上进行探讨。 ( 4 ) 工作极限：结构变化对工作极限的影响趋势是本文讨论的又一个重要的 方面，得出相应到关联式。 在理论研究方面，本文侧重于借鉴现有的理论、方法和公式，从理论上揭 示切向漩流两相热虹吸管内部的传热规律。得到具有实际指导意义的传热极限 的经验关联式。 浙大学硕士研究生学位论文 第二章切向漩流两相半开式热虹吸管的流型观察试验 流型是影响流体的流动及传热特性的主要因素，半开式热虹吸管内部流动 为汽靠两相流，由于两相流中存在着汽液分界面，液体及其受热所产生的蒸汽 在不同条件下构成各种各样的形态，因此分析其流动的形态或几何图形对于研 究其传热性能和传热机理具有十分重要的意义。影响流型的因素很多，也很复 杂。目前测定流型的方法主要有直接观察、高速摄影、射线测量等等。对于 低速流动的两相流，可以在透明的管道中直接用肉眼观察来分辨各种流型，简 便、直观、准确；对于高速流动的两相流，可采用高速摄影来减缓流动速度， 提高分辨率，但由于许多分界面处会产生反射和折射，易造成肉眼观察与摄影 照片的解释有较大的失真度：x 光摄影的发展有助于降低普通摄影造成的失真 度，并可在管壁受热的不透明渠道中进行研究。此外，还可采用各种类型的探 针一电的、射线的、压力的和光学的，来获得流型的间接资料，依此推断流型。 前人对于热管的流型和流态的观察试验做了很多的工作。 h k l 】卸d a 等人嗍做过一个矩形截面的开式热虹吸管的流型观察试验；矩形 热虹吸管的两面是加热板，令两面是玻璃，用水浴加热。沸腾流型与竖板上的 过冷池沸腾相似，聚集上升的汽泡与下降的液体在管内随机交替变换，整个过 程呈现脉动性，当蒸汽充满整个管道而液体无法沿壁面下降时开式烧干。 w j 风a l 钥也用类似的装置对烧于前的流动情况进行了观察。文献嗍还用燃气加 热烧杯，进而加热杯内的一根开式玻璃热管，进行烧干前的流型试验观察，并 进行了摄影。h y a m a 舀s h i 等人h 8 噪用以水作工质的两种长度的开式热虹吸管 ( 长径比分别为2 0 和3 0 ) 进行了流型观察试验。试验发现，随着热负荷的升 高，流动从下往上进行i 冷流体从中间下降，热流体沿壁面四周上升，冷热流 体交错流动形成回流涡。 1 1 流型观察试验的方案 1 观察试验装置 利用甘油间接加热热管的加热段，可以达到均匀加热的目的：加热过程中， 辅助以搅拌器搅动甘油，可以使加热效果更好，加热段表面温度均匀一致，更 加符合实际工况。 甘油的沸点很高，在水完全汽化之前都不会沸腾( 大约一个标准大气压下) ， 所以选择为间接加热的介质。 在电炉进行均匀加热的情况下，观察各个阶段的流型变化。 浙江大学硕士研究生学位沦文 2 1 切向漩流两相半开式热虹吸管的自动充液过程 在冷却水流量一定的情况下，加热切向漩流两棚半开式热虹吸管，并向液 封 新江太学硕士研究生学位论文 图2 2 ( b ) 流型观察试验总装图 l a )( b )( c ) 斟23 切向漩流两相半开式热虹吸管的 l 动亢液过程 浙旺九学硕上研究生学位论文 内注水开始的f 时候热管处丁全丁二状态，随着注入水的液佗舳提高，侧端升 孔位髓附近的液体在重力压差的作用下，就通过侧端的切向漩流对称开孔进入 到了热管的内部，内部的空气在进人剀向漩流两相半开式热虹吸管的排挤下， 通过顶端的丌孔排出了切向漩流两相半j f 式热虹吸管。直至整个热管内部都允 满水。同时，在整个充液的过程中，也会有少量的管外工质从顶端的小孔进人 管内。如图2 3 所示。 2 2 切向漩流两相半开式热虹吸管的启动运行过程 ( a ) ( b ) 图24 切向漩流两相半开式热虹吸管的启动运行过程 ( 泡状流与弹状流) 开始加热的时候，加热段壁面上产生少量汽泡，脱离壁面上二浮，由于冷凝 段过冷度很大，小汽泡进入冷凝段即消失。加热段壁面上产生的汽泡随输八的 热流密度的增加而增多。当较多的汽泡产生以后，汽泡占据了一部分空间，迫 使管内的一部分液体迸人液封层。随着汽泡的生成、长大、脱离、淌火、排液 过程的进行，液封层的液而也随之上下波动。然而此时，冷凝段由于仍有较大 的过冷度，汽泡在冷凝段消失，未能上升到热管顶部这时，管内沸腾段的流 型为泡状流，凝结段以自然对流为主。试验过程中，也会观察发现，有些气泡 在冷凝段并没有被冷却，m j 是通过顶端升孔直接进入到液池，然后脱离液池， 进入空气中：显然，这些气泡是由不凝性气体所组成，在流体受热的时候，会 脱离流体。 通过对壁面汽泡聚集情况的观察可以发现，在凝结段小汽泡生成阶段，就 有汽池附着在凝结段管壁上，开始的时候，这种汽泡的附着不是太明显，随着 输人热流密度的增：f 】，汽泡逐渐聚集起来，而 1 汽泡在凝结段管壁的分布从 一”始就呈现明显的分布规徘，目l 】：在凝结段的侧端开孔位置以上的中段位置， 浙江大学硕士研究生学位论文 有汽泡附着在管壁上，在顶端开孔以下的部分以及侧端切向开孔以下的凝结段 部分都没有汽泡的附着。这表明，首先，由于冷凝段壁面受到管外侧流体的冷 却，管内流体出现温度差异，单相换热情况下，在热管的内部存在着这样的一 个流体运动过程：凝结段内中心部分的热流体向上流动，而凝结段内边缘部分 的冷流体则向下流动，在热管的内部形成了一个工质的对流循环；其次，对于 启动过程中的切向漩流半开式热虹吸管的凝结段来讲，凝结段中段的温度较高， 而中段上下两侧的部分位置较低；也就是说，从一开始，侧端切向漩流开孔就 参与到了热管凝结段的换热过程中，只是，在开始的阶段，这种对流换热的形 式以单相对流换热为主，而且流动的速度也比较低，对管内的换热影响不大。 如图2 4 ( a ) 所示。 随着输入热流密度的进一步增加，管内汽泡明显增多，汽弹开始生成，由 于汽弹的生成，占据了较多的管内空间，热管内的液体通过顶端小孔大量排向 液封层，汽弹在加热段生成，在凝结段破灭，液封层液面上下波动剧烈。这时 管内沸腾段的流型为弹状流。 当管内工质在加热段剧烈沸腾时，产生的蒸汽越来越多，形成的汽弹越来 越大，越来越长，汽弹开始冲击到热管顶部，大量液体受汽弹的不断冲击而排 向液封层，由于汽弹内压力较高，冲击力很大，有少量的汽弹也通过小孔排向 液封层，这时还可以听到存在于汽弹上部的液柱受汽弹冲击后，撞击热管凝结 段顶部的撞击声，这时热管以及接近正常运行工况，在适当的输入热流密度下， 可维持这种工况运行。这个时候，通过观察可以发现，切向漩流两相半开式热 虹吸管的侧端出现明显的抽吸现象；通过侧端切向漩流开孔，管外液池内的工 质和管内的工质进行两相对流换热，这些进入管内的流体甚至会冲断凝结段的 蒸汽汽弹，使之变得更细小。在金属切向漩流两相半开式热虹吸管的试验过程 中，启动后，在某一工况下，可持续听到这种撞击声一汽弹上面的液柱对热管 顶部的撞击声；加热热流密度达到一定的等级的时候，甚至可以听到明显的抽 吸声。这时管内沸腾段的流型已不再是形状规则的弹状流，而是乳沫状流，凝 结段被大汽弹占据，开始膜状凝结，如果工况不稳定，凝结段有较大过冷度， 大汽弹内蒸汽被迅速冷凝下来，热流被管外冷却水带走，汽弹很快缩小破裂， 凝结液及原汽弹上液柱迅速下降，冲刷管壁，因此这时还存在部分强制对流， 如图2 4 ( b ) 所示。 2 3 切向漩流两相半开式热虹吸管的稳定运行 切向漩流两相半开式热虹吸管的稳定工作状态是在一定工况下的动态平 衡，当加热量与冷却水量达到某种平衡时，及进入稳定工作状态。图2 4 所示 为低热负荷下的两相半开式热虹吸管的运行情况，显而易见，这时热管工作性 能较差，切向漩流两相半开式热虹吸管的运行情况还未达到正常运行工况。图 2 5 所示为切向漩流两相半开式热虹吸管接近正常运行工况，如果工况稳定，我 们就可以认为这时已经基本达到正常运行状态，但还不是理想运行状态，因为 这时热管还有一部分凝结段为液柱所占据；由于热负荷的不同，液柱的长短也 不同，液柱越短，热管的工作性能越好。 通过侧端切向漩流开孑l 进入管内的工质与管内的蒸汽换热增强，抽吸过程 剧烈而有规律，顶端有少量的汽泡冒出。凝结段中的长长的汽弹在侧端开孔处 的漩流液的冲击下发生断裂。 浙江大学倾上研究七学伸论文 随着输八热流密度的提高，沸腾产生的汽泡增多，蒸汽在热管的凝结段内 形成一个蒸汽腔，液封将管内蒸汽与外界大气隔升，由于凝结段管外冷却水的 工作，蒸汽被不断地冷凝下来，这时可以达到某种、f 衡。总之，列应某- 工况 ( a ) ( c ) 图2 5 切向漩流两相半开式热虹吸管的准正常运行过程 ( 乳沫状与大汽弹形成) 图2 6 切向漩流嘶相半开式热虹吸管的正常运行工况 ( 第一转折点工况) 浙江大学碾i 研究生学位i 仑文 图2 7 臼j 向漩流两槲半开式热虹吸管的工作情况 ( 第一转折点以后) 总会在凝结段维持一定体积的蒸汽腔，随着热负荷的提高，这个蒸汽腔也不断 扩大。当达到某一工况时，蒸汽腔体积正好是凝结段体积，过余j f ：质形成的液 柱或液池消失，蒸汽充满整个凝结段，沸腾液池充满整个沸腾段，液封层液面 平稳，这时热管达到正常运行工况，特别地，我们定义这一t 况为第一转折点 况( 对于这一定义，我们将在后面的章节里进行进一步的论述) ，如图26 所 示。这时，管内沸腾段为乳沫状流，凝结段为膜状凝结，由于蒸汽难以着色， 因此冷凝液膜表面也几乎五色，在照片上难以分辨。 图2 8 切向漩流两相半开式热虹吸管的工作情况 ( 第二转折点) 进一步提高热负荷加热段内沸腾愈加剧烈，大罐蒸汽产生，在凝结段被 浙江大学硕士研究生学位论文 冷凝下来有一部分水蒸汽通过顶端小孔进入液封，被液封层吸收，同时也有 少置工质由液封层进入热管。随着热负荷的提高，液池逐渐下降，如图2 7 所 小，此时，管内沸腾段为乳沫状液池沸腾和降膜蒸发，凝结段为膜状凝结和一 部分液封层中的直接接触式汽泡凝结；同时，侧端切向开孔处还未有汽泡冒出。 2 4 切向漩流两相半开式热虹吸管的极限工况 继续提高热负荷，沸腾段液池进一步下降，降膜蒸发段长度增加，当降膜 与液池开始脱离，加热段壁面出现局部干涸，干涸处壁温开始飞升，这时，切 向漩流两相半开式热虹吸管达到了极限工况。我们定义这一工况为第二转折点 工况( 对于这一定义，我们也将在后面的章节进一步讨论) ，如图2 8 所示。有 时候，于涸发生的初始是不稳定的，干涸壁面受液池飞溅的液滴或降膜的冲刷， 壁温出现波动，若达到极限工况，则干涸面积会逐渐扩大，并难以润湿，可以 想象，加热段的壁温会无法抑制地飞升上去。 侧端切向漩流开孔进入管内的液流不能弥补蒸汽冒出的散热量；由于蒸汽 流量太大，顶端出口不能满足蒸汽流出的需要，甚至出现了侧端切向漩流开孔 也有蒸汽冒出的情况。这个时候的工况发生了急剧的恶化。 3 小结 通过对切向漩流两相半开式热虹吸管的观察试验，我们可以得到以下结论： ( 1 ) 切向漩流两相半开式热虹吸管的充液过程可以自动进行，其充液量是自 动平衡的。 ( 2 ) 在切向漩流两相半开式热虹吸管启动运行的初级阶段或较低热负荷下运 行时，管内充液量较大，其传热性能较差；在切向漩流半开式热虹吸管的开始 受热之后，液池内的流体就通过切向漩流两相半开式热虹吸管的顶孔、侧孔和 管内的流体进行单相的对流换热。 在管内凝结段，形成了热流体从中间上升，冷流体沿壁面四周下降的单相 对流换热：热管内部和外部之间，由于部分热流体从顶端流出，管外的冷流体 通过侧孔进入管内，形成了管内外之间的传质换热。 ( 3 ) 切向漩流两相半开式热虹吸管进入正常运行工况后，充液量达到正常范 围，其沸腾段的流型以乳沫状流为主，凝结段以膜状凝结为主；这时，观察可 以发现，侧端孔处的管内工质，受到通过侧孔进入管内的流体管内的工质的强 烈冲击，也就是说，通过凝结段的侧向漩流开孔和顶端开孔与管内的工质还进 行强烈的两相对流换热。 ( 4 ) 切向漩流两相半开式热虹吸管的传热极限为干涸限一壁面温度飞升所造 成的温度飞升。 ( 5 ) 通过观察试验，可以发现，从加热开始的时候，侧孔就对管内的工质产 生了影响，在未达到启动工况之前，管内流体和管外流体进行的是单相传质传 热：热管启动之后，管内流体和管外流体进行的是两相传质换热，直到热管处 浙江大学硬士研究生学位论文 于第二转折点。该现象产生的原因与内外流体受热后所引起密度差异有关系， 热流体上升，冷流体下降，循环往复。 ( 6 ) 在切向漩流两相半开式热虹吸管的运行过程中，存在第一转折点和一个 第二转折点。这两个概念的确立对于划分切向漩流两相半开式热虹吸管的运行 工况的不同阶段、确定其传热性能具有十分重要的意义，在以后的章节中我们 将进一步讨论。 浙江大学硕士研究生学位论文 第三章稳态传热性能研究的试验方案 1 1 前人所做的工作 1 引言 对于两相闭式热虹吸管以及两相半开式热虹吸管的稳态传热特性已进行了 大量的研究： 文献1 中根据传热学的相应的规律，给出了两相闭式热虹吸管的性能极 限的预测方法。在一个给定的温度下，对热管的性能极限来讲，临界温度、临 界压力是决定因素的。该试验所得到的相应的极限热流密度的状态关联式与1 2 种流体的4 3 6 组试验数据吻合得非常好。同时，该文献指出，为了提高试验关 联式结果的精度，更多的参数，如充液率、倾角和内管的表面积也是需要考虑 的因素。 文献。对于低温两相氮热虹吸管的传热性能进行了试验研究。试验对热 管的热阻和最大热流密度进行了研究。试验数据表明，在高压高温区域内，名 义上的热阻对于压力降没有依赖性。从热虹吸管运行极限的试验数据可以分析 得出，即使在临界点处，最大的热流密度也是由沿蒸发段管壁的蒸汽流和回流 液之问的界面来决定的。该文献得出以下结论：热虹吸管的总热阻r 。随热流 密度q 的变化而变化；总的热阻在不同的内部蒸汽压力条件下都是个常数。 文献对于闭式两相热虹吸管的工作流体的充液率进行了研究，并认为 充液率是闭式两相热虹吸管的结构、类型、工作流体的蒸汽温度和功率的函数； 在避免蒸发段干涸的前提下，最大化热管的性能。文献建立了一个一维的稳态 的模型，来确定闭式两相热虹吸管的充液率。 环路热管( 简称u 口) 的优势在于可以将热量传递向热任何的方向。文献 “5 ”，对在各种条件下环路热管的启动、变功率响应特性以及可变热导 热性能等进行了综述和试验研究。该文还提到，尽管现在还没有对环路热管进 行可视化试验，但是一个观点认为，环路加热部分的被拉长的气泡对于液体循 环或震动起到决定性的作用。而液体的流动在环路中对于气泡的输送和传热起 到重要作用。因此建议热管内径应该与气泡的直径有相同的数量级。k l i m e n k o r 轴： 建议至少采用1 5 倍的l l p i a c e 常数作为热管的内径。 根据一些成熟的结论，如文献2 、5 ”等等，影响两相闭式热虹吸管传热性 能的主要因素有1 ：管内工作温度t 。、热负荷q 和倾角e ，即对热管内的热 阻r 有： r = ，瓴，q ，