熱二極管熱管熱二極管的應(yīng)用

由于熱二極管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高等特點(diǎn),其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各領(lǐng)域都得到了一定程度的應(yīng)用。

矩形回路式兩相雙向熱二極管概念最早由K.Chen提出 。W.Chun等國(guó)外學(xué)者則把這一概念與建筑一體化相結(jié)合。兩根矩形熱二極管分別安置于集熱板和輻射散熱板之間,其中作為蒸發(fā)段的水平部分焊接在涂有黑色涂層的集熱板上,而作為冷凝段的水平部分則焊接在冷凝散熱平板上。水平管和傾斜管用可旋轉(zhuǎn)的聯(lián)軸節(jié)連接,以實(shí)現(xiàn)垂直方向上的高低位置調(diào)節(jié)。

白天,調(diào)節(jié)蒸發(fā)段低于冷凝段,通過(guò)工質(zhì)吸收室外熱量汽化,并在冷凝段凝結(jié)放熱,把熱量從室外帶至室內(nèi),使得室內(nèi)溫暖舒適;晚上,調(diào)節(jié)蒸發(fā)段高于冷凝段,由于室內(nèi)溫度高于室外,熱二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài),可阻斷室內(nèi)熱能向外散失,使得室內(nèi)不至于太冷,從而達(dá)到保溫目的。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可實(shí)現(xiàn)雙向傳熱或截止傳熱。

Khalifa 等人研制了一種新型的分離式熱管太陽(yáng)灶。該裝置由1m的平板集熱器、銅-丙酮分離式熱管和一個(gè)與之相連的烹調(diào)箱組成。熱二極管蒸發(fā)段置于有三層玻璃的平板集熱器內(nèi),黑色銅皮緊壓在蒸發(fā)段上以增大吸熱面積。集熱器底部填充有15mm厚玻璃棉以作隔熱層。外壁絕熱的烹調(diào)箱內(nèi)設(shè)置有一淺油池,熱二極管冷凝段沉浸其中。工作原理是工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)吸熱汽化,經(jīng)上升管進(jìn)入冷凝段凝結(jié)放熱,并通過(guò)油池(傳熱介質(zhì))傳遞熱量給炊具。經(jīng)測(cè)試,該太陽(yáng)灶總能量利用率可達(dá)到19%。

該裝置優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,且不需對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤,相對(duì)于傳統(tǒng)式太陽(yáng)灶可省去手動(dòng)調(diào)節(jié)的麻煩。但缺點(diǎn)是冷凝段換熱面積較小,且由于熱管內(nèi)蒸汽與冷凝回流液運(yùn)動(dòng)方向相反,存在攜帶現(xiàn)象,會(huì)造成傳熱能力的削弱。

太陽(yáng)能熱二極管熱水器系統(tǒng)由平板集熱器和置于集熱器背部的儲(chǔ)水箱組成。集熱器采光面積為1.8m,主要部件包括單層低鐵玻璃、帶選擇性吸收涂層翅片板的熱二極管,以及耐熱保溫棉。熱水箱是一個(gè)直徑為40cm的圓柱形容器,熱二極管冷凝段沉浸其中。工質(zhì)通過(guò)在蒸發(fā)段吸收太陽(yáng)輻射能汽化后,在冷凝段凝結(jié)放出熱量,從而加熱儲(chǔ)水箱內(nèi)的水。系統(tǒng)在不同的蒸發(fā)段和水箱溫差下的工作效率:當(dāng)溫差為18℃、20℃、27℃時(shí),工作效率分別為0.39、0.51、0.60。該系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是集熱效率較高,瞬時(shí)效率最高可達(dá)63%;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無(wú)運(yùn)動(dòng)部件;具有較好的防凍性能。缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),工質(zhì)流動(dòng)阻力較大。

影響重力式熱二極管傳熱能力的因素很多,其中包括傾斜角度、工質(zhì)充液率、工質(zhì)的物理性質(zhì)等。

熱二極管在一定傾斜角度下工作時(shí),其傳熱效率高低一般與工質(zhì)液體沖刷運(yùn)動(dòng)的頻率和沖刷距離有關(guān)。沖刷頻率越高,沖刷距離越遠(yuǎn),則傳熱效率越高。

朱玉琴 和Kanji分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出相同結(jié)論:分離式熱管和熱虹吸管換熱系數(shù)先隨傾角的增大而增加,在傾角為16~18°時(shí)達(dá)到最大值,19°以后有所下降。廣東工業(yè)大學(xué)張仁元教授等人 則認(rèn)為,兩相雙向熱二極管加熱段傾角在熱二極管導(dǎo)通后對(duì)傳熱影響相當(dāng)小,它主要影響達(dá)到穩(wěn)定導(dǎo)熱所需的絕熱段傾角大小。

重力式熱二極管工質(zhì)充液率的大小,也會(huì)很大程度影響其傳熱性能。充液率過(guò)大,汽液混和物容易進(jìn)入冷凝段,加大冷凝段熱阻,降低系統(tǒng)傳熱性能;充液量過(guò)小,則容易出現(xiàn)極度干涸現(xiàn)象,引起傳熱惡化。

T.Payakaruk等人對(duì)一根內(nèi)徑為7.5mm,工質(zhì)為R123的熱虹吸管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,在一定傾角范圍,充液率為50%時(shí)傳熱效果最好。天津大學(xué)王一平 等人對(duì)銅-R22的分離式熱管實(shí)驗(yàn)研究表明,其合理充液率為80%~100%。文獻(xiàn) 則認(rèn)為充液率大小只對(duì)熱二極管達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)所需的絕熱段傾角大小有影響。充液量越小,要達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)的絕熱段傾角就越大。

工質(zhì)的熱物理性質(zhì),如汽化潛熱、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱率、汽液相粘度等都會(huì)影響熱二極管的傳熱性能。

江蘇理工大學(xué)魏琪 等人對(duì)純水工質(zhì)和水-甲醇混合工質(zhì)的熱虹吸管進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,混合工質(zhì)熱管的壁溫高于純工質(zhì)熱管的壁溫。Mehmet Esen等國(guó)外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn),研究了R-134a、R407C、R410A這三種不同工質(zhì)對(duì)兩相閉式熱虹吸管太陽(yáng)能熱水器傳熱性能的影響。結(jié)果表明,分別充注這三種工質(zhì)的裝置最高集熱效率依次為48.72%,49.43%和50.84%。R410A之所以表現(xiàn)出較好的傳熱性能,主要因?yàn)槠渚哂休^高的汽化潛熱和熱導(dǎo)率,以及較低的粘性系數(shù)。

熱二極管蒸發(fā)段內(nèi)主要進(jìn)行的是管內(nèi)對(duì)流沸騰換熱,其內(nèi)部傳熱過(guò)程包括兩相流動(dòng)和相變傳熱。

B.Jiao和L.M.Qiu ]等人指出閉式熱虹吸管蒸發(fā)段液池內(nèi)存在自然對(duì)流蒸發(fā)與核態(tài)沸騰蒸發(fā)兩種換熱模式。在低熱流密度時(shí)主要是前者,高熱流密度時(shí)則以核態(tài)沸騰蒸發(fā)為主。G.F.Tang和D.Liu 等學(xué)者則討論了分離式熱管蒸發(fā)段的傳熱特征,并指出分離式熱管蒸發(fā)段是一均勻受熱管,管內(nèi)呈汽液兩相流動(dòng)。兩相雙向熱二極管蒸發(fā)段的換熱模式類(lèi)似于分離式熱管。但由于其工作時(shí)處于傾斜狀態(tài),管內(nèi)工質(zhì)流型、換熱強(qiáng)度均與熱虹吸管和分離式熱管有所區(qū)別。

當(dāng)充液率大于30%時(shí),熱二極管蒸發(fā)段內(nèi)主要進(jìn)行的是核態(tài)沸騰換熱。

熱二極管冷凝段內(nèi),假定飽和蒸汽沒(méi)有不凝性氣體,豎直管內(nèi)主要進(jìn)行的是汽液混流的凝結(jié)換熱過(guò)程。對(duì)于高度不大、熱流密度較低、工質(zhì)能夠浸潤(rùn)管內(nèi)壁面的情況下,可以認(rèn)為冷凝段的傳熱方式是飽和蒸汽的層流膜狀凝結(jié)換熱,可采用Nusselt豎壁層流膜狀凝結(jié)理論來(lái)計(jì)算冷凝段平均換熱系數(shù)。

1)熱二極管在進(jìn)入正常工作狀態(tài)前存在一個(gè)啟動(dòng)階段.此階段的加熱段溫度表現(xiàn)為突然躍升和急劇下降,而冷凝段溫度則幾乎不變.整個(gè)啟動(dòng)約在3min內(nèi)完成,啟動(dòng)性能令人滿(mǎn)意 .

2)熱二極管正常工作時(shí)具有良好的等溫性,能夠在小溫差下傳遞大量的熱.同時(shí)也是衡量工作性能優(yōu)劣的指標(biāo)之一.

3)熱二極管壁面溫度隨著輸入功率的增加而呈現(xiàn)升高趨勢(shì).當(dāng)加熱段溫度出現(xiàn)明顯躍升時(shí),可認(rèn)為已達(dá)到了熱二極管的傳熱極限.此時(shí)輸出功率不會(huì)隨著輸入功率的增加而提高.