二氧化碳重力热管的数值模拟与实验研究
发布时间：2022-01-15 06:39
低温冰箱在生物医学材料和食品保存中占据越来越重要的地位,但是传统的冷量传递方式存在效率低、运行不稳定等缺点,而重力热管具有结构简单、传热性能优良和成本低廉等优点,所以可以采用传热高效的重力热管作为冷量传输手段。然而低温重力热管的研究大多集中在深冷温区,与冷链领域密切相关的温区（213273K）的研究却非常稀少,限制了其在冷链领域的应用推广。本文首先详细地综述了重力热管的研究现状,然后在冷链温区针对重力热管开展了较为系统的研究,主要研究内容如下:（1）改进了气液相变模型,在蒸发频率一定的情况下冷凝频率能够自动调整,保证了传热传质的守恒。当蒸发频率的经验取值较大导致冷凝频率过大发散时,可以调整气相导热系数kv确保模型的收敛,通过与文献中实验数据的对比验证了改进模型的可靠性。（2）研制了以二氧化碳为工质的重力热管,热管的蒸发段为环状矩形,冷凝段制成冷腔与制冷机的冷头连接,借助改进的气液相变模型进行了数值模拟从而预测了该重力热管在特定工况下的传热性能,发现热管的设计基本符合要求,同时分析了热管内部流体的流动传热特性。（3）搭建了二氧化碳重力热管传热性...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热管结构与工作原理示意图
浙江大学硕士学位论文绪论3图1-1热管结构与工作原理示意图如图1-1所示，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，当管内被抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的负压后再充入适量工质，使紧贴管内壁的毛细吸液芯中充满液体后加以密封。热管沿轴向分为蒸发段、绝热段、冷凝段三个部分。热管运行工作时，热管的蒸发段受热使得液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差的作用下流向冷凝段放出热量重新凝结成液体，液体再依靠毛细力作用沿毛细吸液芯流回至蒸发段，如此完成整个传热传质的循环[10]。按照液体工质的回流动力方式，热管主要可分为标准热管（有芯热管）和重力热管（两相闭式热虹吸管），这是目前工程上应用范围最广泛的两种热管。除此之外还有磁流体动力热管、旋转热管和电流体动力热管等多种形式。重力热管又被称为两相闭式热虹吸管，结构与工作原理如图1-2所示。重力热管与标准热管的区别在于热管中没有毛细吸液芯，冷凝液的回流由自身重力驱动。它与脉动热管和回路热管等其他热管相比，具有结构简单、传热性能优良和成本低廉等优点，但是重力热管的蒸发段必须放置于冷凝段的下方，这样冷凝液才能在重力驱动下流回蒸发段[10]。图1-2重力热管的结构与工作原理示意图
浙江大学硕士学位论文绪论4工作液体的选择决定了重力热管的传热性能。对于期望的操作温度范围，可能存在几种潜在的工作流体，因此必须考虑其他因素以便为给定的应用选择最佳流体。一般而言，主要考虑以下因素[11]：①工质符合热管的工作温度区间，饱和蒸气压适当且变化不大；②工质综合热物理性质优良，比如汽化潜热较大等优点；③工质与管壳材料相容，热稳定性良好；④常温保存下的内压；⑤其他（安全性、经济性、环境污染等）。热管的工作温度区间位于工质的三相点和临界点之间，如下表1-2列出了包含冷链低温温区的常用热管工作液，它们具有一些关键的热特性。其中，二氧化碳相比于其他气体，有以下特殊性：①相比于氙等稀有气体，二氧化碳汽化潜热较大，制取途径方便，获取成本低廉。②相比于乙烷等烷烃类气体和甲醇等醇类气体，二氧化碳的安全性较高，不易燃烧，无毒，且饱和蒸气压变化较校③相比于R22、R134a等制冷剂，二氧化碳具有与制冷设备相适应的热物理性质，汽化潜热较大，制冷能力是R22的5倍，饱和蒸气压变化较小，具有环境友好性。④从图1-3可以看到，二氧化碳工作范围位于三相点温度-56.6℃和临界温度31.1℃之间，该范围内二氧化碳以气液两相共存，通过蒸发冷凝的相变传热可以实现冷藏运输、食品长期保鲜和医学材料保存等应用目的。总的而言，二氧化碳的热性能极佳，具有低温到室温的广泛工作温度区间，工作压力变化很小，汽化潜热较大，与常用金属管壳材料有非常好的相容性，加之良好的环境友好性和低廉的成本，因而二氧化碳是冷链低温温区重力热管与冷机耦合应用到冷链领域的首选工质。图1-3二氧化碳三相图
【参考文献】：
期刊论文
[1]自由活塞斯特林制冷机的研究与应用进展[J]. 曾烊平,陈曦. 真空与低温. 2017(02)
[2]分离式CO2热管传热性能分析[J]. 佟振,李震,赵勇,刘晓华. 制冷学报. 2016(05)
[3]用于天然气液化流程的组合式低温热管换热器的实验测试[J]. 王刚,巨永林. 化工学报. 2015(S2)
[4]混合工质低温热管的传热性能[J]. 龙志强,张鹏. 化工学报. 2012(S1)
[5]斯特林制冷机用于商业制冷的研究现状初析[J]. 陈曦,张华,吴亦农. 制冷学报. 2008(06)
[6]低温重力热管传热性能的理论与实验研究[J]. 焦波,邱利民,张洋. 浙江大学学报(工学版). 2008(11)
博士论文
[1]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[D]. 焦波.浙江大学 2009
硕士论文
[1]二氧化碳低温热管传热性能及动态特性研究[D]. 于琦.中国矿业大学 2019
[2]重力热管传热极限影响因素的研究[D]. 刘敏.华南理工大学 2016
[3]重力热管的制造及传热性能测试[D]. 于涛.山东大学 2008
本文编号：3590109
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热管结构与工作原理示意图
浙江大学硕士学位论文绪论3图1-1热管结构与工作原理示意图如图1-1所示，热管由管壳、吸液芯和端盖组成，当管内被抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的负压后再充入适量工质，使紧贴管内壁的毛细吸液芯中充满液体后加以密封。热管沿轴向分为蒸发段、绝热段、冷凝段三个部分。热管运行工作时，热管的蒸发段受热使得液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差的作用下流向冷凝段放出热量重新凝结成液体，液体再依靠毛细力作用沿毛细吸液芯流回至蒸发段，如此完成整个传热传质的循环[10]。按照液体工质的回流动力方式，热管主要可分为标准热管（有芯热管）和重力热管（两相闭式热虹吸管），这是目前工程上应用范围最广泛的两种热管。除此之外还有磁流体动力热管、旋转热管和电流体动力热管等多种形式。重力热管又被称为两相闭式热虹吸管，结构与工作原理如图1-2所示。重力热管与标准热管的区别在于热管中没有毛细吸液芯，冷凝液的回流由自身重力驱动。它与脉动热管和回路热管等其他热管相比，具有结构简单、传热性能优良和成本低廉等优点，但是重力热管的蒸发段必须放置于冷凝段的下方，这样冷凝液才能在重力驱动下流回蒸发段[10]。图1-2重力热管的结构与工作原理示意图
浙江大学硕士学位论文绪论4工作液体的选择决定了重力热管的传热性能。对于期望的操作温度范围，可能存在几种潜在的工作流体，因此必须考虑其他因素以便为给定的应用选择最佳流体。一般而言，主要考虑以下因素[11]：①工质符合热管的工作温度区间，饱和蒸气压适当且变化不大；②工质综合热物理性质优良，比如汽化潜热较大等优点；③工质与管壳材料相容，热稳定性良好；④常温保存下的内压；⑤其他（安全性、经济性、环境污染等）。热管的工作温度区间位于工质的三相点和临界点之间，如下表1-2列出了包含冷链低温温区的常用热管工作液，它们具有一些关键的热特性。其中，二氧化碳相比于其他气体，有以下特殊性：①相比于氙等稀有气体，二氧化碳汽化潜热较大，制取途径方便，获取成本低廉。②相比于乙烷等烷烃类气体和甲醇等醇类气体，二氧化碳的安全性较高，不易燃烧，无毒，且饱和蒸气压变化较校③相比于R22、R134a等制冷剂，二氧化碳具有与制冷设备相适应的热物理性质，汽化潜热较大，制冷能力是R22的5倍，饱和蒸气压变化较小，具有环境友好性。④从图1-3可以看到，二氧化碳工作范围位于三相点温度-56.6℃和临界温度31.1℃之间，该范围内二氧化碳以气液两相共存，通过蒸发冷凝的相变传热可以实现冷藏运输、食品长期保鲜和医学材料保存等应用目的。总的而言，二氧化碳的热性能极佳，具有低温到室温的广泛工作温度区间，工作压力变化很小，汽化潜热较大，与常用金属管壳材料有非常好的相容性，加之良好的环境友好性和低廉的成本，因而二氧化碳是冷链低温温区重力热管与冷机耦合应用到冷链领域的首选工质。图1-3二氧化碳三相图
【参考文献】：
期刊论文
[1]自由活塞斯特林制冷机的研究与应用进展[J]. 曾烊平,陈曦. 真空与低温. 2017(02)
[2]分离式CO2热管传热性能分析[J]. 佟振,李震,赵勇,刘晓华. 制冷学报. 2016(05)
[3]用于天然气液化流程的组合式低温热管换热器的实验测试[J]. 王刚,巨永林. 化工学报. 2015(S2)
[4]混合工质低温热管的传热性能[J]. 龙志强,张鹏. 化工学报. 2012(S1)
[5]斯特林制冷机用于商业制冷的研究现状初析[J]. 陈曦,张华,吴亦农. 制冷学报. 2008(06)
[6]低温重力热管传热性能的理论与实验研究[J]. 焦波,邱利民,张洋. 浙江大学学报(工学版). 2008(11)
博士论文
[1]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[D]. 焦波.浙江大学 2009
硕士论文
[1]二氧化碳低温热管传热性能及动态特性研究[D]. 于琦.中国矿业大学 2019
[2]重力热管传热极限影响因素的研究[D]. 刘敏.华南理工大学 2016
[3]重力热管的制造及传热性能测试[D]. 于涛.山东大学 2008
本文编号：3590109
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