重力热管传热过程的数学模型及液氮温区重力热管的实验研究

摘要

重力热管具有传热效率高、结构简单、成本低廉等突出优点。尽管重力热管已广泛地应用于许多工业设备中，但其内部换热机理非常复杂，影响因素众多且具有较强的关联性，同时存在不同类型的传热极限，导致现有的数学模型对重力热管传热过程的分析尚不完善。与此同时随着超导技术的快速发展，重力热管在可靠性要求高、长距离及狭窄空间下冷量输送等方面有望发挥重要作用。然而，目前以低温流体为工质开展的研究尚不充分，限制了其在低温领域的推广应用。本文以完善重力热管理论模型和探索其在液氮温区的传热特性为目标，主要开展了以下三方面的研究工作：
　　 ⑴建立了较完善的重力热管稳态数学模型，定量分析了充注率对管内流动形式及冷却温度的影响。充注率是重力热管传热性能最重要的影响因素之一，对管内流动形式和热管冷却温度起着决定性作用。不同充注率条件下，重力热管内液膜与液池的分布呈现多样性。然而，现有的数学模型仅考虑了其中的部分流形，并对液膜和液池不同换热过程的考虑尚不充分，导致它们对充注率影响分析仍不完善。本文根据重力热管冷凝段、蒸发段液膜区和蒸发段液池区的换热机理分别建立了数学模型，全面考虑了重力热管稳定运行时可能存在三种流动形式和过渡期间的三种临界形式，通过热管总质量和能量守恒关系确定不同充注率条件下管内的流动形式及冷却温度。计算结果揭示了与两种临界流动形式相对应的临界充注率的作用，它们分别是重力热管具有最佳冷却性能的充注率和冷却性能与充注率关系发生变化的转折点。经过分析本文获得了可以使重力热管维持稳定高效运行的充注率区间。
　　 ⑵建立了能够同时预测重力热管干涸极限、携带极限和沸腾极限的稳态数学模型；与临界充注率和传热率的关系综合后，获得了重力热管维持稳定运行的区间。重力热管可能发生的传热极限主要包括干涸极限、携带极限和沸腾极限。目前，预测传热极限的理论模型仅同时包括干涸极限和携带极限，并且对干涸极限的可靠性未得到充分验证。本文根据传热极限的发生机理，提出了干涸比例的概念，将它与通常认为干涸极限的标准-液池完全干涸-综合在一起作为干涸极限的预测准则；推导出最大气体雷诺数关联式作为判断携带极限的准则；将气液两相在竖直管道中流动时环状流起始点空泡系数的经验值引入模型，用来判断液池内流型的转变，并作为预测沸腾极限的准则，从而建立起可以同时分析三种传热极限的数学模型。通过综合临界充注率与传热率的关系，获得了重力热管能够稳定运行的区间，并讨论了工作压力和热管结构尺寸对该区间的影响。
　　 ⑶以氮为工质对重力热管的传热性能进行了实验研究。现有的实验研究多数是以中温温区普通制冷剂和液体为工质进行的。事实上，工质物性参数和沸腾现象等因素的不同，导致了不同温区热管具有不同的传热特性。然而，目前针对低温流体开展的研究尚不充分。本文设计搭建了低温重力热管实验装置，开展了以氮为工质时其传热性能的研究。实验发现，工作压力在充注率(定义为充注质量全部以液体存在的体积与热管蒸发段体积之比)为18.8％时较稳定；当充注率增加到49.6％时，压力先增加、达到最大值后逐渐减小，在实验研究的传热率范围内压力在系统达到稳定后也趋于稳定；当充注率为62.0％、传热率增加到10 W时，压力达到峰值后，在减小直至稳定的过程中出现波动现象，在传热率增加到15 W时波动强度增加，并未呈现出稳定趋势。通过计算瞬时传热率发现，压力变化特性与其密切相关。传热率较低时两者几乎同时达到峰值，传热率较高时压力峰值略有滞后。通过稳态下实验数据与计算值的比较与分析，本文验证了理论模型、确定了适用于实验条件下的经验系数，为相关研究提供参考。

目录

文摘

英文文摘

致谢

符号表

1 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 重力热管发展历史简介

1.3 重力热管研究现状

1.3.1 凝结与沸腾过程的换热机理

1.3.2 充注率和倾角对传热性能的影响

1.3.3 传热极限

1.4 本文的主要内容

2 重力热管传热过程的基础理论

2.1 冷凝段传热过程

2.2 蒸发段传热过程

2.2.1 液膜传热过程

2.2.2 液池传热过程

2.3 传热极限发生机理

2.4 本章小结

3 重力热管稳态传热过程的数学模型

3.1 前言

3.2 冷凝段传热过程的数学模型

3.3 蒸发段传热过程的数学模型

3.3.1 液膜区数学模型

3.3.2 液池区数学模型

3.4 重力热管内质量和能量守恒

3.5 传热极限的数学模型

3.6 本章小结

4 重力热管数学模型计算结果与分析

4.1 蒸发段液膜与液池换热机理

4.2 充注率对重力热管传热性能的影响

4.2.1 充注率与冷却温度的关系

4.2.2 充注率与传热极限的关系

4.3 传热率与临界充注率的关系

4.4 重力热管工作区间及其影响因素

4.5 本章小结

5 液氮温区重力热管的实验研究

5.1 实验装置

5.1.1 重力热管及冷热源系统

5.1.2 真空和充注系统

5.1.3 测量系统

5.2 冷却过程的实验研究

5.2.1 冷却温度与工作压力

5.2.2 冷却过程瞬时传热率

5.3 稳态下实验值与计算值的比较与分析

5.4 误差分析

5.4.1 温度测量误差

5.4.2 加热功率测量误差

5.4.3 充注率的计算误差

5.5 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 本文的创新点

6.3 展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果