熱虹吸管基本理論

內(nèi)部傳熱流動(dòng)過程基本理論重力熱管內(nèi)部同時(shí)包括兩相流和相變過程，不僅涉及傳熱傳質(zhì)學(xué)，還涉及熱力學(xué)的問題，故傳熱機(jī)理十分復(fù)雜。SHIRAISH等較早地提出了比較簡明的豎直重力熱管傳熱模型，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，大部分研究者都是以該模型對重力熱管進(jìn)行研究的。如圖1所示，該模型將重力熱管傳熱分為3個(gè)區(qū)域，并建立了相應(yīng)的傳熱模型：

（1）冷凝段為飽和蒸汽的層流膜狀凝結(jié)，遵循Nusselt的豎直平板層流膜狀凝結(jié)理論；

（2）蒸發(fā)段液池內(nèi)，當(dāng)熱流密度較小時(shí)，液池內(nèi)為自然對流蒸發(fā)當(dāng)熱流密度較大時(shí)液池內(nèi)為核態(tài)沸騰；

（3）蒸發(fā)段液池以上部分，當(dāng)熱流密度較小時(shí)，冷凝液膜為層流膜狀蒸發(fā)；而熱流密度較大時(shí)，液膜為核態(tài)沸騰。

1.1冷凝段傳熱過程

對于重力熱管冷凝段的冷凝過程，一般認(rèn)為是圖2閉式重力熱管飽和層流膜狀凝結(jié)，可以用Nusselt理論解釋其換熱機(jī)理。

1.2 絕熱段傳熱過程

絕熱段由于不參與換熱過程，一般認(rèn)為與外界無熱量交換且徑向不存在任何熱質(zhì)交換，絕熱段的液膜厚度與冷凝段出口液膜厚度相等，各個(gè)參數(shù)均為定值。

1.3 蒸發(fā)段傳熱過程

蒸發(fā)段傳熱過程對蒸發(fā)段換熱過程的研究多是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，沒有由單純的理論分析得到的換熱關(guān)聯(lián)式，這些關(guān)聯(lián)式均有明確的應(yīng)用條件。通常認(rèn)為蒸發(fā)段存在液膜和液池兩部分，其中蒸發(fā)段液膜在頂端和液池表面之間保持連續(xù)，但在不同的工況下存在不同的分布形式，常見形式如圖2所示，主要包括：

（a）液膜局部干涸；

（b）液膜厚度達(dá)到最小值，無液膜局部干涸現(xiàn)象發(fā)生；

（c）液膜和液池保持連續(xù)；

（d）液池充滿整個(gè)蒸發(fā)段。

對于液膜區(qū)的傳熱過程，當(dāng)蒸發(fā)段傳熱率和其他參數(shù)（如工作壓力、工質(zhì)種類等）不同時(shí)，可以分為層流膜狀蒸發(fā)、混合對流以及核態(tài)沸騰3種形式。不同的傳熱方式對應(yīng)不同的換熱機(jī)理，研究表明，層流膜狀蒸發(fā)實(shí)質(zhì)就是Nusselt膜狀凝結(jié)理論的逆過程，得到的關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)吻合較好；混合對流過程是汽泡生成、長大和運(yùn)動(dòng)帶來的擾動(dòng)及汽液界面的蒸發(fā)作用共同構(gòu)成的換熱過程，該過程形成的汽泡相互之間幾乎沒有擾動(dòng)，是層流膜狀蒸發(fā)到核態(tài)沸騰的過渡區(qū)間；核態(tài)沸騰由于大量汽泡的生成和擾動(dòng)以及液滴的攜帶過程使液膜的核態(tài)沸騰換熱系數(shù)大大提高，甚至高于液池核態(tài)沸騰 。

由于熱虹吸管是依靠重力來使工質(zhì)循環(huán)的，所以它只能用于重力場中，并且在使用時(shí)必須將蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的下方。若蒸發(fā)段置于凝結(jié)段的上方，重力對凝結(jié)液的回流會(huì)起阻礙作用，這時(shí)沒有動(dòng)力使凝結(jié)液返回到燕發(fā)段，熱虹吸管就不能工作。所以熱虹吸管也是只能沿一個(gè)方向(由下向上)傳熱的熱二極管。

熱管是一種高效的無源兩相傳熱元件，由蒸發(fā)段、絕熱管和冷凝段三部分組成。外部熱源通過蒸發(fā)段管壁向液態(tài)工質(zhì)傳遞熱量，液態(tài)工質(zhì)吸收潛熱轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)并穿過絕熱段到達(dá)冷凝段，氣態(tài)工質(zhì)在冷凝段通過壁面向外部冷源放出潛熱凝結(jié)為液態(tài)，凝結(jié)液在毛細(xì)力、離心力、重力的作用下回流到蒸發(fā)段，進(jìn)而繼續(xù)吸收潛熱不斷循環(huán)。重力熱管是熱管的重要類型之一，內(nèi)部不含有吸液芯，依靠重力幫助凝結(jié)液回流到蒸發(fā)段，又稱為閉式熱虹吸管。閉式熱虹吸管有結(jié)構(gòu)簡單易于制造、傳熱效率高、工作狀況穩(wěn)定，工作溫度范圍廣、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。工程中閉式熱虹吸管得到廣泛的應(yīng)用，如：空氣調(diào)節(jié)、制冷及低溫工程、蓄熱裝置,、換熱與節(jié)能裝置、電子設(shè)備冷卻、太陽能集熱器、凍土保護(hù)、石油化工和工業(yè)廢熱回收、溫度控制等領(lǐng)域 。

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及高新科技的需要，對熱管的傳熱效率和傳熱性能提出了越來越高的要求，對熱管的強(qiáng)化傳熱逐漸成為研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的重力熱管強(qiáng)化傳熱方式，主要可以分為兩大類：一類是從熱管內(nèi)部傳熱機(jī)理出發(fā)，采用各種方式降低其本身的熱阻，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的；另一類是針對熱管的傳熱限制因素，對影響其傳熱特性的各個(gè)因素進(jìn)行綜合改進(jìn)，最終達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。重力熱管強(qiáng)化傳熱方式及主要機(jī)理歸納如表3所示。

熱虹吸管處理和插件

1.內(nèi)表面處理

目前，通過管壁內(nèi)表面處理強(qiáng)化重力熱管換熱的研究主要集中在對某一種措施的實(shí)驗(yàn)探究層面上，對其強(qiáng)化傳熱核心機(jī)理分析的相關(guān)文獻(xiàn)還較少。辛公明等對內(nèi)螺紋重力熱管變功率的運(yùn)行特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明，重力熱管熱阻與熱管的放置位置和加熱功率有關(guān)。田富中等對帶有交叉齒內(nèi)螺紋重力熱管的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明，水平放置下其傳熱極限有極大地提升，垂直放置狀態(tài)下則低于普通熱管。目前來說，如何使熱管內(nèi)表面強(qiáng)化換熱達(dá)到最佳狀態(tài)及其應(yīng)用方法還需進(jìn)一步探究。

2.設(shè)置內(nèi)插件

設(shè)置內(nèi)插件可以大大強(qiáng)化重力熱管的換熱效果。何曙等提出了帶內(nèi)循環(huán)管的新型重力熱管，分析表明，新型重力熱管蒸發(fā)段的熱導(dǎo)率和當(dāng)量熱導(dǎo)率比常規(guī)重力熱管分別提高了11.5～13倍和356～563倍。徐曉萍等在閉式重力熱管中加內(nèi)置管考察了其對傳熱性能的影響，結(jié)果表明，等效對流傳熱系數(shù)、冷凝段對流傳熱系數(shù)有所提高，對加熱段的對流傳熱影響相對較小。由于內(nèi)插件制造較為困難、成本較高，在工業(yè)上很難應(yīng)用推廣，相關(guān)的研究文獻(xiàn)報(bào)道相對較少。

上述強(qiáng)化傳熱方式雖在一定程度上均增大了熱管傳熱系數(shù)，但仍存在設(shè)備防垢、除垢的問題，而采用高效流體工質(zhì)不僅可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，而且能夠較好地解決強(qiáng)化傳熱過程中的污垢問題，是最有應(yīng)用前景的手段之一，同時(shí)也是目前的研究熱點(diǎn)。

熱虹吸管高效流體工質(zhì)

高效納米流體

納米流體是由CHOI在1995年提出的一種新型換熱工質(zhì)，在熱管內(nèi)加入了納米顆粒對其換熱性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)提高了47%～96%，軸向熱流率提高了7.6%～15%。之后，納米流體作為一種高效工質(zhì)受到了各國學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。表4給出了近幾年采用高效納米流體工質(zhì)對重力熱管強(qiáng)化傳熱的主要文獻(xiàn)。

從表4可以看出，納米流體多以水為基液，納米顆粒種類較多，其中Al₂O₃使用較多。大部分研究表明，納米流體能夠強(qiáng)化管內(nèi)傳熱性能，而一些研究發(fā)現(xiàn)納米流體使管內(nèi)傳熱性能惡化。大部分研究者認(rèn)為納米材料能夠提高熱管傳熱性能的主要原因是增大了管內(nèi)流體的熱導(dǎo)率和破壞了熱邊界層的穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)了內(nèi)部流體流動(dòng)擾動(dòng)，提高了沸騰換熱系數(shù)。同時(shí)，納米顆粒的添加也會(huì)引發(fā)Marangoni流動(dòng)，減小了汽泡產(chǎn)生的擾動(dòng)，從而減弱了換熱；也有研究者認(rèn)為由于納米流體致使汽化核心減少，從而換熱性能變差。納米流體對重力熱管強(qiáng)化結(jié)果取決于其濃度、熱物性、納米顆粒的量及粒徑和管壁表面的粗糙度等因素。

目前，對揭示納米流體對重力熱管強(qiáng)化傳熱機(jī)理的研究還僅僅停留在定性分析上，綜合各種因素建立成熟的強(qiáng)化傳熱機(jī)理還需進(jìn)一步展開研究。

熱虹吸管自潤濕流體

自濕潤液體是2003年ABE首次提出的另一種新型高效工質(zhì)，初步研究表明，自濕潤流體能夠強(qiáng)化重力熱管的傳熱，但對其強(qiáng)化機(jī)理仍不明確。自濕潤流體實(shí)質(zhì)是高碳醇水溶液，與普通的溶液不同，其表面張力隨溫度增大先減小后增大，這在一定程度緩解了受熱面因蒸干而發(fā)生的惡化情況。目前，國內(nèi)對自潤濕液體的研究文獻(xiàn)還比較少，這方面的研究成果主要集中在國外的一些學(xué)者，表5給出了近幾年自潤濕流體的國內(nèi)、外研究文獻(xiàn)。SATO等通過實(shí)驗(yàn)研究了添加納米顆粒稀溶液的自潤濕流體熱管的熱性能，以正丁醇自潤濕流體為傳熱工質(zhì)，結(jié)果表明，添加納米流體后對自潤濕流體熱管起到了強(qiáng)化傳熱效應(yīng)。SAVINO等提出了一種以自潤濕流體為工質(zhì)的管式和平板式熱管，在低重力下表現(xiàn)的性能和正常重力條件下一樣。TIAN等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水平位置，自潤濕流體顯著增加了熱管燒干極限，降低了熱阻和提高傳熱性能。辛公明等研制了兩種不同工質(zhì)的內(nèi)螺紋重力熱管，分別對其傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果表明，水平放置時(shí)，自濕潤流體相比于水顯著地提高了熱管燒干極限。

從文獻(xiàn)可以看出，研究者大都是以水和不同的自潤濕流體為工質(zhì)，探究不同溶質(zhì)濃度對熱管傳熱性能的影響。大部分研究結(jié)果表明，自潤濕流體可以提高熱管的沸騰極限和毛細(xì)極限，進(jìn)而可以提高熱管換熱性能。自潤濕流體作為一種新工質(zhì)尚處于初步探究階段，國內(nèi)鮮有采用自潤濕流體對重力熱管強(qiáng)化傳熱研究的報(bào)道。

熱虹吸管不需要吸液芯或毛細(xì)結(jié)構(gòu)，這是它的重要特點(diǎn)。由此使熱虹吸管產(chǎn)生一系列的優(yōu)點(diǎn)：制造工藝簡單；生產(chǎn)成本低廉，工作可靠，傳熱效率高和有較高的臨界熱流密度。在有芯熱管中，冷凝液回流時(shí)要通過吸液芯，受到較大的阻力，軸向熱流量受到較小的毛細(xì)極限的限制。在熱虹吸管中，這種流動(dòng)阻力很小，盡管液池內(nèi)的沸騰發(fā)生在狹窄的通道內(nèi)，其臨界熱流密度比大容器沸騰要小一些，但研究已經(jīng)表明，熱虹吸管的臨界熱流密度比有芯熱管大1.2~1.5倍。

熱虹吸管具有上述經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)，使它在地面上各種熱輸送和熱回收系統(tǒng)中可作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域與日俱增。

1、在冶金工業(yè)中以回收熱風(fēng)爐的廢熱來加熱空氣或煤氣，既可達(dá)到節(jié)能的目的，又能降低高爐煉鐵的焦比。

2、在石油化工工業(yè)中，可用于各種加熱爐的余熱利用，并可作為反應(yīng)過程中的吸熱或放熱元件。

3、在動(dòng)力工業(yè)中，在各種噸位的工業(yè)鍋爐上可以用熱虹吸管作成熱管省煤器、熱管空氣預(yù)熱器和熱管余熱鍋爐。

4、在紡織工業(yè)中可以用于定型烘燥設(shè)備中的節(jié)能裝置。甚至在蒸汽機(jī)車、輪船和載重汽車上均可應(yīng)用熱虹吸管。

以上所舉，在我國均已有了成功的實(shí)例。 2100433B