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分离式热管蒸发段流动和传热的研究

邓林  
【摘要】: 为了人类自身更好地生存和发展,基于当今世界能源存储与消耗形势以及环境保护等方面的迫切要求,开发太阳能具有重要的战略意义。分离式热管具有导热性高、结构简单、布置灵活、工作可靠、温度均匀等优点,使其在太阳能应用中具有极为广泛的应用前景。 首先,本文综述了分离式热管的研究概况,重点介绍了国内外研究者关于分离式热管充液率和蒸发段流动与传热特性的研究结果,并根据太阳能利用的实际情况,针对太阳能热利用分离式热管研究的不足,提出一种使用低沸点物质为工质的分离式热管用于太阳能热利用。 接着,在简化物理模型和对模型进行一维假设的基础上,以三大守恒定律:质量守恒、动量守恒和能量守恒为基本依据,从流动沸腾传热的基本理论出发,分别采用Shah强化模型,J.C.Chen加和模型和Gungor-Winterton加和模型建立了分离式热管蒸发段流动与传热的模型,经过比较分析得知,J.C.Chen模型较适合分离式热管蒸发段的流动与传热过程。 随后,采用铜管模拟分离式热管蒸发段,以R22为工质,在热流密度1~5kW/m2、蒸发温度30~60℃和蒸发段倾角10~90°范围内,实验研究了分离式热管的传热特性。结果发现:以R22为工质的分离式热管在低热流密度条件下能够较快启动,启动过程璧温分布均匀,因而具有良好的启动性,蒸发段合理的充液率大于80%,在实验参数范围内,热流密度、蒸发段倾角和充液率对分离式热管的传热性能没有明显影响。 最后,使用所建模型,采用Matlab编程,以R22为工质对分离式热管蒸发段汽液分相流动区域进行数值模拟,具体考察蒸发段直径、热流密度、工作温度和倾斜角度对工质温度、工质压力、质量汽含率、截面汽含率、汽液相速率、摩擦压降梯度、流动沸腾传热系数和外壁面温度等的影响。并对模型计算的壁面温度与实验测量值进行对比分析,结果表明模型计算的壁面温度与实验值基本吻合,整个模型得到初步验证。因此,本文所建模型能用于分离式热管换热的设计和分析,所得到的模拟结果具有指导意义。


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