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高温热管翅性能及其强化传热过程的研究

赵蔚琳  
【摘要】:高温热管翅是一种极为短小的、以液态金属为工作介质的小热管。之所以称之为“翅” 是因为它以一种翅片形式引入到空间表面进行强化换热,如可用于高温沸腾床内取热、急 冷换热器、高温矿物的冷却等。热管翅作为热管界的新课题,它的研究开发将会给热管的 工业应用带来新的发展,同时也将丰富强化传热内容,不仅在理论上具有较高的学术价值, 对实际工程应用亦有很重要的指导意义。 本文工作重点是研究高温热管翅性能及其强化传热过程,主要作了如下几项内容: 1、对高温热管翅起动性能进行研究:运用分子运动论理论,从理论上分析了高温热管翅 起动时管内蒸汽从分子流动转向连续流动的过程,将高温热管翅的起动过程划分为五 个阶段;根据高温热管翅内工作介质在固体状态下能否顺利起动,建立了高温热管翅 成功起动极限判据(FLS ≥1)。对目前国内外最小的高温热管翅(直径为25mm,长度为 60mm)进行起动性能试验测试。试验结果表明该高温热管翅从分子流动向连续流动转 变的实际转折温度约为460℃;当高温热管翅倾斜放置时对冷凝段末端温度影响偏大; 高输入功率下的起动将缩短高温热管翅的起动时间;将试验值与理论值进行比较发现 理论转折温度与实际转折温度相对误差为6.5%,高温热管翅的实际起动过程与理论分 析相一致;将本试验结果与文献试验结果相比得到了相一致的温度分布趋势;试验还 验证了当起动极限判据FLS 1时,高温热管翅受到冷冻起动极限的限制。 2、对高温热管翅的温度特性进行研究:用热阻网络模型分析了高温热管翅复杂的传热过 程,理论计算得到高温热管翅的热阻值,结果表明在蒸汽腔直径一定的情况下,短的 高温热管翅热阻偏大。为分析瞬态功率变化对高温热管翅温度的影响,借助集总参数 模型,求解出功率瞬间变化时温度与时间的理论关系式。理论结果与试验结果分析表 明理论值与试验值相吻合。 3、对高温热管翅的传热极限进行分析:依据文献分析各种传热极限的理论模型。理论分 析表明高温热管翅主要受到声速传热极限、携带传热极限的限制,特别是 500℃左右 时声速传热极限明显制约着高温热管翅的传热能力。高温热管翅不受到连续流动极限、 粘性传热极限、毛细传热极限、沸腾传热极限的限制。 4、对高温热管翅内工作介质流动过程进行了分析:首先建立了高温热管翅内二维蒸汽流 I WP=4 摘 要 动理论模型,数值计算结果表明在最大传热量下蒸汽连续流动时蒸发段有明显的不等 温性,存在着一定的压力损失;长度为 300mm,蒸汽腔直径为 18mm 的热管翅蒸发段 末端温度与始端温度比为 0.91,压力比为 0.57。其次对高温热管翅内吸液芯工质的流 动压降进行了定性分析,指出在吸液芯横截面积一定时,高温热管翅有效长度越短, 工作介质液体流动压降越小。 5、对高温热管翅强化管内换热过程进行数值模拟:确立高温热管翅强化管内换热过程的 数学模型,利用 FLUENT 软件数值模拟结果表明采用k ?ε 模型能较合理的反映高温 热管翅强化管内换热能力, 直观地表征高温热管翅强化管内换热的温度场、速度场以 及对流换热系数的分布状况;管内插入高温热管翅片,对流换热系数加大,管内换热 能力明显提高;对流换热系数的分布还表明第一排翅片管的对流换热系数高于第二排 翅片管的对流换热系数;随流量的增加,对流换热系数增大。 6、对高温热管翅强化管内换热过程进行试验研究:用 12 根高温热管翅建立一套完整的强 化管内换热试验装置,试验结果表明高温热管翅作为翅片在管内工作运转正常;带有 热管翅的管道换热系数随流量增加而增大;管内第一排高温热管翅片的对流换热系数 高于第二排的对流换热系数;高温热管翅强化传热性能明显高于光管的传热性能,当 流体处于过渡流动时,带有热管翅片的管内换热努谢尔准则数 Nu 与光管内努谢尔准 则数Nu 的比值范围约为 3.6~4.4;当流体处于湍流流动时,带有热管翅片的管内换热 努谢尔准则数Nu 与光管内努谢尔准则数Nu 的比值范围约为 6.5~7.0,并由试验数据 整理得到管内强化湍流换热的准则数方程为Nu = 0.4214Re0 .6775;将试验值与相关文献 中各种强化管内换热数据相比,明显表明热管翅片强化管内换热能力较强;将试验值 与数值模拟值比较发现试验值与理论值基本吻合。


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