脉动热管的传热特性研究及其应用

发布时间：2017-08-21 21:31

  本文关键词：脉动热管的传热特性研究及其应用

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【摘要】：脉动热管是一种依靠内部复杂气液两相脉动相变传热实现热量输运的新型高效传热器件,具有结构简单、传热性能好、环境适应性强等优点,尤其是可实现逆重力条件下长距离无泵能量输运的独特优点,使得其在电子元器件散热、工业余热利用等领域有着重要的应用前景。目前,脉动热管内复杂的气液两相蒸发-冷凝相变传热传质规律及其内在机理还没有得到充分揭示,特别是通道尺度对气液两相脉动流动行为和传热特性的影响尚不清晰。而且,逆重力条件下脉动热管的启动及传热性能还有待深入研究。另外,利用脉动热管实现热量逆重力长距离无泵输运的应用研究亦较为匮乏。为此,本文开展了脉动热管的气液两相脉动流动可视化、逆重力传热特性和烟气余热储能等三方面的实验研究。为深入认识脉动热管气液相变传热机理与两相流动力学行为,本文设计并搭建了脉动热管气液两相相变传热的可视化实验平台,研究了管径对脉动热管流型演化、运行模式及传热性能的影响。研究结果表明：脉动热管内工质流动主要有泡状流、塞状流和环状流三种流型。随着管径的减小,蒸发段的气塞由以众多微小气泡的合并发展为主转变为依靠单个气泡的膨胀长大为主,冷凝段的气塞则更容易出现变形和断裂的现象。脉动热管内工质主要存在脉动运行、短暂循环运行、变向循环运行和定向循环运行四种运行模式,运行模式直接决定了脉动热管各工作段的壁温脉动特征。在低加热功率下,脉动热管往往处于小幅脉动运行状态,而高加热功率则往往处于定向循环运行状态。管径适中的脉动热管具有更大的脉动幅度、更高的脉动频率和较好的传热性能。为验证脉动热管可实现逆重力气液相变传热的独特优点,本文设计搭建了铜制脉动热管气液相变传热性能测试实验台,比较了水平、顺重力、逆重力条件下脉动热管的传热性能,并分析了充液率、弯头数、热管高度对逆重力条件下脉动热管传热性能影响。研究结果表明：逆重力条件下,脉动热管主要是渐进式启动,弯头数的增加有利于脉动热管逆重力启动,并且工作性能愈趋稳定。本实验中,逆重力条件下脉动热管的最佳充液率在70%左右,充液率低于50%难以实现脉动热管的正常工作。增加脉动热管高度会降低脉动热管性能和传热极限。在相同热负荷下,水平条件下脉动热管的整体传热性能优于逆重力条件,但劣于顺重力条件。随着热负荷的增加,水平、逆重力和顺重力这三者整体传热性能的差异逐渐减少,这意味着重力的影响作用削弱。为验证脉动热管在南极科考支撑平台的排烟余热利用的可行性,本文设计搭建了一套应用脉动热管的烟气余热储能实验台。实验中,由石英玻璃管加热空气模拟柴油发电机的烟气,通过脉动热管将烟气余热输运至位于下部储油箱中的燃油。实验结果表明：脉动热管能够在逆重力条件下有效传输热量,实现逆重力条件下烟气余热储能。这意味着采用脉动热管利用柴油发电机烟气余热能实现极地科考支撑平台储油箱的防冻保温。
【关键词】：热管 流型 相变 传热 脉动
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK172.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 符号说明7-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 论文研究背景及意义10-11
• 1.2 脉动热管概述11-13
• 1.2.1 脉动热管工作原理及基本结构11-12
• 1.2.2 脉动热管的特点12-13
• 1.3 脉动热管的国内外研究现状13-19
• 1.3.1 脉动热管可视化实验研究13-15
• 1.3.2 脉动热管传热性能研究15-16
• 1.3.3 脉动热管的理论分析16-17
• 1.3.4 脉动热管技术应用研究17-19
• 1.4 本论文的研究内容19-20
• 1.5 本章小结20-21
• 第二章 脉动热管内气液两相流动与传热的可视化实验研究21-40
• 2.1 实验系统及方法21-27
• 2.1.1 可视化脉动热管21-23
• 2.1.2 加热系统23-24
• 2.1.3 图像拍摄系统24
• 2.1.4 数据测量及采集系统24-25
• 2.1.5 实验方法及步骤25-27
• 2.1.6 误差分析27
• 2.2 实验结果与讨论27-38
• 2.2.1 脉动热管内主要流型分析27-29
• 2.2.2 气液两相流型的产生与演化29-33
• 2.2.2.1 蒸发段的沸腾及气塞的形成29-30
• 2.2.2.2 气泡/气塞的聚合、冷凝和断裂现象30-32
• 2.2.2.3 定向循环状态下相邻平行管内的流型交替现象32-33
• 2.2.3 脉动热管准稳定运行状态分析33-36
• 2.2.4 不同管径内的气泡脉动状况36-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第三章 逆重力条件下脉动热管传热特性的实验研究40-56
• 3.1 实验系统与方法40-47
• 3.1.1 实验系统40-44
• 3.1.2 脉动热管实验方法和步骤44-45
• 3.1.3 实验数据整理及误差分析45-47
• 3.1.3.1 实验数据处理45-46
• 3.1.3.2 误差分析46-47
• 3.2 实验结果与讨论47-55
• 3.2.1 启动阶段48
• 3.2.2 重力的影响48-50
• 3.2.3 弯头的影响50-52
• 3.2.4 充液率的影响52-53
• 3.2.5 高度的影响53-55
• 3.3 本章小结55-56
• 第四章 脉动热管的烟气余热储能应用研究56-63
• 4.1 实验系统与方法56-60
• 4.1.1 实验系统56-59
• 4.1.2 实验方法和步骤59-60
• 4.2 实验结果与讨论60-62
• 4.3 本章小结62-63
• 第五章 结论与展望63-65
• 5.1 结论63-64
• 5.2 创新点64
• 5.3 展望64-65
• 致谢65-66
• 参考文献66-71
• 攻读硕士学位期间取得的主要学术成果71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：715243