小管径螺纹重力热管的传热性能研究

论文摘要

重力热管以其优良的传热性能、良好的等温性、广泛的适用性、热流密度可变性、两侧热阻可调性和结构简单等优点受到人们的重视,在很多行业中得到了应用。随着能源高效利用和强化传热技术的进一步发展,普通重力热管在某些条件下已不能满足传热和冷却的要求。上世纪90年代以来,各国开始对重力热管的强化传热技术进行了广泛的研究,文献研究表明,对重力热管进行管内强化可以从根本上提高管内的沸腾和凝结换热系数。本文提出一种较为新颖的内螺纹结构的强化重力热管,对其传热性能加以实验研究和理论分析。本文首先对一组闭式螺纹重力热管和开式螺纹重力热管进行了系统的实验研究,并与同工况下管内径相近的光滑重力热管进行了对比实验。结果表明:螺纹结构可以缩短闭式和开式重力热管的启动时间,但在稳定工作过程中,闭式螺纹热管的温度波动略大于光管;螺纹结构能够有效强化闭式和开式重力热管内部的沸腾和凝结换热,能够减小闭式和开式重力热管的内热阻。在实验基础上,本文分析了螺纹结构影响管内沸腾和凝结换热的机理,提出在考虑螺纹结构参数影响相变换热的同时还应重视管径效应对螺纹强化效果的影响;通过实验研究和机理分析,本文引入了两个螺纹强化相变换热因子,分别对文献中提出的沸腾和凝结换热理论公式加以修正,使理论计算结果能较好地与实验结果相吻合,最大相对误差小于20%。本文还将开式螺纹重力热管与相同尺寸的闭式螺纹重力热管进行了对比研究。实验结果表明:在较低工况时,开式螺纹重力热管的传热性能远低于闭式重力热管;随着工况提高,其传热性能逐渐提高;至第一转折点附近,开式螺纹热管的性能逐渐接近并超过了闭式螺纹热管,其内热阻小于闭式热管,其中沸腾换热系数与闭式热管相近,凝结换热系数和单管传输功率逐渐超过闭式热管。因此,开式螺纹重力热管比较适合在高工况下运行。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 热管概述
• 1.1.1 热管的工作原理及发展
• 1.1.2 热管的分类
• 1.2 闭式重力热管概述
• 1.2.1 闭式重力热管的工作原理及发展
• 1.2.2 闭式重力热管的传热极限
• 1.2.3 闭式重力热管的国内外研究概况
• 1.2.4 闭式重力热管强化传热技术的研究概况
• 1.3 开式重力热管概述
• 1.3.1 开式重力热管的结构和工作原理
• 1.3.2 开式重力热管的发展和国内外研究概况
• 1.4 螺纹重力热管的提出及其研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 2 螺纹表面强化相变传热的理论基础
• 2.1 螺纹表面强化相变换热的机理分析
• 2.1.1 强化凝结换热
• 2.1.2 强化沸腾换热
• 2.2 螺纹强化相变换热的国内外研究状况
• 2.3 螺纹强化相变换热因子
• 2.3.1 竖直螺纹管内沸腾换热的强化因子
• 2.3.2 竖直螺纹管内凝结换热的强化因子
• 3 螺纹重力热管的实验系统
• 3.1 重力热管的制作
• 3.2 热管实验系统
• 3.3 热电偶的选择及标定
• 3.3.1 热电偶的选择
• 3.3.2 热电偶的制作和标定
• 3.4 实验中各参数的确定
• 3.4.1 重力热管内壁温度的确定
• 3.4.2 工质工作温度的确定
• 3.4.3 热流量的确定
• 3.4.4 相变换热系数和热管内热阻的确定
• 3.5 实验测量中的误差分析
• 4 闭式螺纹重力热管的传热性能研究
• 4.1 闭式重力热管的等温性测试
• 4.2 闭式重力热管的启动特性
• 4.3 闭式重力热管的传输功率
• 4.4 闭式重力热管加热段的传热分析
• 4.5 闭式重力热管冷却段的传热分析
• 4.6 闭式重力热管的内热阻
• 5 开式螺纹重力热管的传热性能研究
• 5.1 开式重力热管的两个转折点
• 5.2 开式重力热管的启动特性
• 5.3 开式重力热管的传输功率
• 5.4 开式重力热管加热段的传热分析
• 5.5 开式重力热管冷却段的传热分析
• 5.6 开式重力热管的内热阻
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 作者简历