潛熱傳遞外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的潛熱傳遞初探

通過對采用集中空調(diào)的高層建筑兩個(gè)房間的對比測量，發(fā)現(xiàn)夏季外圍護(hù)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(shí)發(fā)現(xiàn)冬季外圍護(hù)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(hù)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(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度明顯低于B房間風(fēng)機(jī)盤管出風(fēng)溫度，平均溫差0.78℃，在近兩個(gè)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(guān)。觀察A房間外墻密封薄膜，薄膜外側(cè)有細(xì)小露珠。

冬季測試結(jié)果：A房間的露點(diǎn)溫度明顯高于B房間的露點(diǎn)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(xì)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(hù)結(jié)構(gòu)的潛熱由室外向室內(nèi)傳遞；

（2）冬季外圍護(hù)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(dòng)的速度增加，毛細(xì)滯后阻力、摩擦阻力等都相應(yīng)地增加，因此，所需要的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(yīng)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(dòng)的頻率幅度增大。

潛熱傳遞研究背景

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

國內(nèi)外對于脈動(dòng)熱管已經(jīng)有了一些研究，主要是一些概念性實(shí)驗(yàn)和探討性的理論分析。例如，Akachi等建立了自激振動(dòng)的物理模型；Sameer Khandekar等采用Matlab軟件，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對于脈動(dòng)熱管進(jìn)行了分析；一些研究者進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，對脈動(dòng)熱管的流型等進(jìn)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(dòng)熱管的一些關(guān)鍵問題，例如，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)、如何確定傳輸極限、溫度的波動(dòng)問題等，還沒有得到解決。

研究的目的是，導(dǎo)出環(huán)路型脈動(dòng)熱管物理機(jī)制的模型框架。首先是通過觀察到的環(huán)路型脈動(dòng)熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)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(xué)模型；然后是考察脈動(dòng)熱管運(yùn)行的物理機(jī)制，包括傳熱中顯熱和潛熱所占的份額及其對PHP運(yùn)行的影響、脈動(dòng)熱管的壁面溫度波動(dòng)的原因等。這對于脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)具有重要意義。

潛熱傳遞理論分析

環(huán)路型脈動(dòng)熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，一部分液塞處于加熱段時(shí)，一部分熱量以顯熱的形式傳遞給液塞；當(dāng)加熱段的液塞移動(dòng)到冷卻段時(shí)，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(xì)管中運(yùn)動(dòng)的速度較快，因此顯熱的貢獻(xiàn)也可能是很重要的。研究的模型考慮大功率運(yùn)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(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果來看，較大功率穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，汽、液塞處于穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。假設(shè)：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(yīng)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(dòng)熱管的壁溫波動(dòng)是由于液塞的顯熱傳遞引起。

（2）數(shù)學(xué)模型

蒸發(fā)段和冷卻段間由于傳熱引起的驅(qū)動(dòng)壓差ΔP_q和摩擦阻力引起的壓差ΔP_f、毛細(xì)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(dòng)熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的一個(gè)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(dāng)加熱段出口即冷卻段入口的工質(zhì)的溫度增加時(shí)，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(shí)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(xì)滯后阻力、摩擦阻力等，汽、液塞工質(zhì)能夠循環(huán)流動(dòng)起來，潛熱傳熱量所占的比例當(dāng)然要降低。

當(dāng)充液量增加時(shí)，一方面相變傳熱的面積減小；另一方面顯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(dòng)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(dòng)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(yīng)地要降低，這樣脈動(dòng)熱管的溫度波動(dòng)頻率相相應(yīng)地降低。充液率較大時(shí)，顯熱傳熱量占總傳熱量的比例更大。在傳輸功率一定時(shí)，這就需要循環(huán)流速進(jìn)一步降低，因此，充液率增加，溫度波動(dòng)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(dòng)的速度增加，毛細(xì)滯后阻力、摩擦阻力等都相應(yīng)地增加，因此，所需要的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(yīng)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(dòng)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(yīng)的工質(zhì)的絕對量增加；另一方面，工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)所走過的路程也增加，兩方面的原因使脈動(dòng)熱管運(yùn)行時(shí)需要更大的驅(qū)動(dòng)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(dòng)力壓差增加較多，傳熱量保持不變，則循環(huán)流動(dòng)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(shí)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(dòng)熱管壁面的溫度波動(dòng)的周期增大，即脈動(dòng)的頻率減小。冷卻段的長度在一定范圍內(nèi)改變時(shí)，工質(zhì)的循環(huán)流速變化不大，因此脈動(dòng)熱管的溫度波動(dòng)頻率變化不大。實(shí)驗(yàn)表明，溫度波動(dòng)頻率的分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。 2100433B

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(gè)相變化到另一個(gè)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(shí)具有的特點(diǎn)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(shí)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(shí)吸收潛熱，反之則放出潛熱。例如，液體沸騰時(shí)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(qiáng)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(shí)所吸收或放出的熱量來表示。

一級(jí)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(shí)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(diǎn)，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(qiáng)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(shí)克服外部壓強(qiáng)所作的功（稱外潛熱）。潛熱只發(fā)生在一級(jí)相變中，與發(fā)生相變時(shí)的溫度有關(guān)。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(qiáng)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(qiáng)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 。