潛熱傳遞高功率脈動熱管的運行機制

潛熱傳遞研究背景

脈動熱管PHP(Pulsating Heat Pipe)是一種新型熱管，結(jié)構(gòu)必須是采用毛細管，這樣才能在管路中形成串接的汽塞和液塞，其運行機制與傳統(tǒng)熱管完全不同。

國內(nèi)外對于脈動熱管已經(jīng)有了一些研究，主要是一些概念性實驗和探討性的理論分析。例如，Akachi等建立了自激振動的物理模型；Sameer Khandekar等采用Matlab軟件，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對于脈動熱管進行了分析；一些研究者進行了可視化實驗，對脈動熱管的流型等進行了觀測；Faghri等建立了具有開端管路的薄液膜蒸發(fā)、厚液膜冷卻模型；Wong T.N.等建立了模型，但忽略了蒸汽塞和管壁面間的液膜，沒有考慮表面張力的影響?？傊?，對于脈動熱管的一些關鍵問題，例如，如何優(yōu)化設計、如何確定傳輸極限、溫度的波動問題等，還沒有得到解決。

研究的目的是，導出環(huán)路型脈動熱管物理機制的模型框架。首先是通過觀察到的環(huán)路型脈動熱管穩(wěn)態(tài)運行實驗現(xiàn)象結(jié)果，對最常出現(xiàn)的額定工況建立物理和數(shù)學模型；然后是考察脈動熱管運行的物理機制，包括傳熱中顯熱和潛熱所占的份額及其對PHP運行的影響、脈動熱管的壁面溫度波動的原因等。這對于脈動熱管的設計具有重要意義。

潛熱傳遞理論分析

環(huán)路型脈動熱管穩(wěn)態(tài)運行時，一部分液塞處于加熱段時，一部分熱量以顯熱的形式傳遞給液塞；當加熱段的液塞移動到冷卻段時，在加熱段吸收的顯熱傳遞給冷卻段的壁面，再到熱沉。由于液塞在毛細管中運動的速度較快，因此顯熱的貢獻也可能是很重要的。研究的模型考慮大功率運行的額定工況，并且得到了總傳熱量中的相變傳熱部分和顯熱傳熱部分二者的比例。

（1）物理模型

從對環(huán)路型脈動熱管可視化實驗的觀察結(jié)果來看，較大功率穩(wěn)態(tài)工作時，汽、液塞處于穩(wěn)定循環(huán)流動狀態(tài)。假設：1)加熱段和冷卻段中的瞬態(tài)過程可以忽略；2)蒸汽和液體處于相應的飽和狀態(tài)；3)蒸汽的狀態(tài)可由理想氣體的狀態(tài)方程描述；4)脈動熱管的壁溫波動是由于液塞的顯熱傳遞引起。

（2）數(shù)學模型

蒸發(fā)段和冷卻段間由于傳熱引起的驅(qū)動壓差ΔP_q和摩擦阻力引起的壓差ΔP_f、毛細滯后阻力引起的壓差ΔP_c和重力引起的壓差ΔP_g平衡。

取脈動熱管穩(wěn)態(tài)運行時的一個具有代表性的單元體，包括一段加熱段、一段絕熱段和一段冷卻段。單元體的加熱段出口和冷卻段入口的液體的容積流量占總?cè)莘e流量的比例相等。

潛熱傳遞結(jié)果和討論

（1）充液率和加熱段出口工質(zhì)溫度的影響

當加熱段出口即冷卻段入口的工質(zhì)的溫度增加時，潛熱傳遞所占總傳熱量的比例降低。顯熱傳熱量要靠溫差和熱容來的大小來實現(xiàn)。加熱段出口工質(zhì)的溫度增加，意味著顯熱傳遞所占的比例增大，在總傳熱量不變的情況下，只要相變傳熱引起的加熱段出口和冷卻段入口的蒸汽密度差足夠克服毛細滯后阻力、摩擦阻力等，汽、液塞工質(zhì)能夠循環(huán)流動起來，潛熱傳熱量所占的比例當然要降低。

當充液量增加時，一方面相變傳熱的面積減?。涣硪环矫骘@熱傳熱面積所占的比例增大，因而引起潛熱傳熱所占的比例減小，如圖1所示。

對于溫度波動頻率的影響，隨著加熱段出口工質(zhì)溫度的增加，在傳輸功率一定的情況下，工質(zhì)循環(huán)流動不需要更高的流速。由于顯熱傳輸占總傳熱量的比例是絕大部分，因此循環(huán)流速相應地要降低，這樣脈動熱管的溫度波動頻率相相應地降低。充液率較大時，顯熱傳熱量占總傳熱量的比例更大。在傳輸功率一定時，這就需要循環(huán)流速進一步降低，因此，充液率增加，溫度波動的頻率減小，如圖2所示。

（2）管徑和傳熱量的影響

如圖3所示，隨著傳輸功率的增大，循環(huán)流動的速度增加，毛細滯后阻力、摩擦阻力等都相應地增加，因此，所需要的驅(qū)動力也要增加。這樣，潛熱傳熱量與總傳熱量之比也要增加，而且管徑小時，增加的幅度要更大。流速增加，過冷工質(zhì)流過加熱段的頻率要增加，以適應以顯熱為主、潛熱為輔的熱量增加傳輸需要。管徑增加，流速增加更加迅速，因此，壁面溫度波動的頻率幅度增大。

（3）冷卻段長度和單元體長度的影響

隨著單元體長度的增加，在充液率不變的情況下，相應的工質(zhì)的絕對量增加；另一方面，工質(zhì)的循環(huán)流動所走過的路程也增加，兩方面的原因使脈動熱管運行時需要更大的驅(qū)動力，因此，相變傳熱量所占的比例要大大增加。對于參變量冷卻段長度，其改變主要是降低了冷卻段出口的蒸汽的壓力，加熱段出口的蒸汽壓力不變，則總的驅(qū)動力壓差增加較多，傳熱量保持不變，則循環(huán)流動的速度不需要改變很多，這樣需減小相變潛熱傳熱的相對量，即增大熱阻來實現(xiàn)。隨著單元體長度的增加，從冷卻段出口到加熱段入口的距離加大，因此脈動熱管壁面的溫度波動的周期增大，即脈動的頻率減小。冷卻段的長度在一定范圍內(nèi)改變時，工質(zhì)的循環(huán)流速變化不大，因此脈動熱管的溫度波動頻率變化不大。實驗表明，溫度波動頻率的分析結(jié)果與實驗值基本吻合。 2100433B

通過對采用集中空調(diào)的高層建筑兩個房間的對比測量，發(fā)現(xiàn)夏季外圍護結(jié)構(gòu)不僅傳遞顯熱，而且傳遞潛熱，并因此消耗空調(diào)能量。同時發(fā)現(xiàn)冬季外圍護結(jié)構(gòu)也同樣不僅傳遞顯熱，而且傳遞潛熱。為此得出結(jié)論，外圍護結(jié)構(gòu)的建筑節(jié)能不僅要考慮隔熱，而且要考慮隔濕。

夏季測試結(jié)果：A房間風機盤管出風溫度明顯低于B房間風機盤管出風溫度，平均溫差0.78℃，在近兩個月的測量期間，溫差最小為0.4℃，最大為1.6℃；溫差的變化與室外氣象條件有關。觀察A房間外墻密封薄膜，薄膜外側(cè)有細小露珠。

冬季測試結(jié)果：A房間的露點溫度明顯高于B房間的露點溫度。觀察A房間外墻密封薄膜，與夏季觀察結(jié)果相反，薄膜內(nèi)側(cè)有細小露珠。

通過對A，B兩房間的夏季和冬季測量結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）夏季外圍護結(jié)構(gòu)的潛熱由室外向室內(nèi)傳遞；

（2）冬季外圍護結(jié)構(gòu)的潛熱由室內(nèi)向室外傳遞。

隨著傳輸功率的增大，循環(huán)流動的速度增加，毛細滯后阻力、摩擦阻力等都相應地增加，因此，所需要的驅(qū)動力也要增加。這樣，潛熱傳熱量與總傳熱量之比也要增加，而且管徑小時，增加的幅度要更大。流速增加。過冷工質(zhì)流過加熱段的頻率要增加，以適應以顯熱為主、潛熱為輔的熱量增加傳輸需要。管徑增加，流速增加更加迅速，因此．壁面溫度波動的頻率幅度增大。

潛熱，相變潛熱的簡稱，指單位質(zhì)量的物質(zhì)在等溫等壓情況下，從一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量。這是物體在固、液、氣三相之間以及不同的固相之間相互轉(zhuǎn)變時具有的特點之一。固、液之間的潛熱稱為熔解熱（或凝固熱），液、氣之間的稱為汽化熱（或凝結(jié)熱），而固、氣之間的稱為升華熱（或凝華熱）。

物質(zhì)發(fā)生相變（物態(tài)變化），在溫度不發(fā)生變化時吸收或放出的熱量叫作“潛熱”。物質(zhì)由低能轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軙r吸收潛熱，反之則放出潛熱。例如，液體沸騰時吸收的潛熱一部分用來克服分子間的引力，另一部分用來在膨脹過程中反抗大氣壓強做功。熔解熱、汽化熱、升華熱都是潛熱。潛熱的量值用每單位質(zhì)量的物質(zhì)或用每摩爾物質(zhì)在相變時所吸收或放出的熱量來表示。

一級相變（見相和相變）過程中單位質(zhì)量物質(zhì)吸收或放出的熱量。有時稱相變潛熱。物質(zhì)三態(tài)變化都是相變，因此汽化熱、熔解熱、升華熱都是相變潛熱。在不同的相變溫度下，相變潛熱有不同的值。

在物質(zhì)的三相點，有三種潛熱。如果用α、β、γ分別代表物質(zhì)的固、液、氣相，用潛熱分別表示熔解、汽化 、升華三種潛熱，則有潛熱即三種潛熱中的一種，可由其他兩種求出。許多固體在不同的溫度和壓強下具有不同的結(jié)晶形式，即可以從一種固相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固相，這種過程稱為同素異晶轉(zhuǎn)變。同素異晶轉(zhuǎn)變過程中也要產(chǎn)生相變潛熱。

相變過程中單位質(zhì)量物質(zhì)吸收或放出的熱量。潛熱能量包含兩部分，即兩相內(nèi)能之差（稱內(nèi)潛熱）和相變時克服外部壓強所作的功（稱外潛熱）。潛熱只發(fā)生在一級相變中，與發(fā)生相變時的溫度有關。單位質(zhì)量的某物質(zhì)在一定溫度下的相變潛熱是確定的。如0℃和1.01×10帕大氣壓強下1千克冰吸收334.3千焦的熱量才能轉(zhuǎn)化為同溫度的水；100℃和1.01×10帕大氣壓強下1千克水吸收2263.8千焦的熱量才能轉(zhuǎn)化為同溫度的水蒸氣，固-液相變中的熔解熱和凝固熱，液-氣相變中的汽化熱和凝結(jié)熱及固-氣相變中的升華熱和凝華熱都屬相變潛熱 。