毛细泵技术用于工业余热回收系统中的实验研究

论文摘要

毛细泵系统目前广泛应用于航天器的热控制和电子器件的散热,其工作原理与热管相似,是一种利用工质相变换热进行远距离传热的装置,但与热管相比,毛细泵系统具有更强的传热能力和抗重力性能。考虑到毛细泵系统的诸多优点,本文以其在中低温工业余热回收中的应用为目的,设计了一套以水为工质的平板式毛细泵系统,并对其性能进行了实验研究。为减小毛细泵系统与热源之间的热阻,蒸发器设计成平板型,分为可拆装的上板和下板。为研究侧壁导热对平板型蒸发器运行情况的影响,采用VOF多相流模型对蒸发器进行了数值模拟,发现减小下板侧壁厚度或者使用较小导热系数的材料作为蒸发器下板能够减少蒸发器侧壁的导热量,避免毛细芯下部液体工质气化导致的系统失效。本文选择了黄铜作为蒸发器上板材料,聚四氟乙烯作为下板材料,滤纸作为毛细芯材料。对本文毛细泵系统进行的性能研究包括：启动性能、运行稳定性、热源方向的影响、抗重力高度、传热效率以及两蒸发器并联的运行情况。结果表明：系统具有良好的启动性能和运行稳定性,未出现温度波动现象；不同热源方向对系统运行情况无明显影响；系统抗重力高度达到0.6m,能满足对抗重力高度要求较低场合的应用；系统的实际传热效率约为70%,蒸发器与冷凝器之间的温差对传热效率有较大影响；两蒸发器并联的系统能够成功运行,表明毛细泵系统具有能将分散热源集中的性能。毛细泵系统是传热装置,为对系统传导出的热能进行利用,本文将温差发电器与毛细泵系统相结合,设计了一套能够将工业余热回收并转换为电能的装置,并通过实验研究了该装置的热电转换效率。最后,针对铝电解槽侧壁余热的回收利用,设计了一整套热能导出、发电以及电能控制系统,理论分析了其余热利用效率可达3.5%,电解一吨铝能产生电能19.8kWh,具有一定的经济效益。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 毛细泵系统简介
• 1.1.1 基本原理
• 1.1.2 分类
• 1.1.3 特点
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 系统整体性能的实验研究
• 1.2.2 毛细芯的研制
• 1.2.3 系统运行的数值模拟
• 1.3 课题背景与研究内容
• 1.3.1 课题背景
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 蒸发器的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 气液两相流的数值模拟简介
• 2.2.1 欧拉模型
• 2.2.2 混合物模型
• 2.2.3 VOF模型
• 2.3 蒸发器的模型设计与数值模拟
• 2.3.1 蒸发器模型的设计
• 2.3.2 数值模拟与结果分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 毛细泵系统的设计与制作
• 3.1 毛细泵系统的设计
• 3.1.1 工质的选择
• 3.1.2 蒸发器的设计
• 3.1.3 冷凝器的设计
• 3.1.4 毛细芯的材料及结构形式
• 3.1.5 蒸汽和液体管道的设计
• 3.1.6 储液器的设计
• 3.2 系统的压降校核
• 3.3 系统的组装与充液
• 3.3.1 零部件的清洗与系统的组装
• 3.3.2 系统的充液
• 3.4 本章小结
• 第四章 毛细泵系统的性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 毛细泵系统在不同加热功率下的启动及运行性能测试
• 4.2.1 测试平台的设计
• 4.2.2 测试结果及分析
• 4.3 系统运行稳定性的试验研究
• 4.4 系统在不同热源方向下的运行情况
• 4.5 抗重力性能测试
• 4.6 毛细泵系统传热效率的研究
• 4.6.1 测试平台的设计
• 4.6.2 测试结果及分析
• 4.7 两蒸发器并联的实验研究
• 4.7.1 测试平台的设计
• 4.7.2 实验测试及结果分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 毛细泵系统与温差发电技术的结合应用
• 5.1 引言
• 5.2 温差发电技术简介
• 5.3 温差发电器的性能测试
• 5.3.1 温差发电器模型简介
• 5.3.2 实验测试
• 5.4 毛细泵系统与温差发电器结合的实验研究
• 5.4.1 实验内容
• 5.4.2 结果及分析
• 5.5 中低温工业余热利用的系统设计与分析
• 5.5.1 系统设计
• 5.5.2 理论分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的主要研究成果
• 致谢