重力热管两相流及传热极限分析.pptVIP

1.热管结构及其内部的两相流动和传热过程 热管是一段内部为真空、两端封闭的密闭管道，抽真空后内部装有传热工质即工作液，有的在内壁贴有吸液芯。热管工作时，其吸热段（蒸发段）受热，工作液吸收管壁传来的热量而蒸发，蒸发产生的蒸汽流向压力较低的散热段（冷凝段），在散热段，在管外介质的冷却下，蒸汽凝结为液体，放出潜热，凝结液在重力或吸液芯的毛细作用下返回蒸发段，如此反复循环实现热量的传递和转移。如图1、2、3所示。 重力热管的两相流动及携带传热极限分析 蒋爱华　 中南大学能源科学与工程学院 A. Heat is absorbed in the evaporating section. B. Fluid boils to vapor phase. C. Heat is released from the upper part of cylinder to the environment; vapor condenses to liquid phase. D. Liquid returns by gravity to the lower part of cylinder (evaporating section). 图1 重力热管示意图 带毛细吸液芯的一般热管 图2 内有毛细吸液芯的一般热管结构及原理示意图 带毛细吸液芯的一般热管 反重力热管 图3 反重力热管结构及原理示意图 2. 闭式重力热管内的两相流动及携带传热极限 重力热管携带传热极限的产生，是由于蒸汽和液膜逆向流动在分界面上出现切应力而引起的。显然，轴向热管密度愈大，轴向蒸汽流速愈大，分界面切应力也愈大，携带传热极限更易发生。因此，携带传热极限也是对重力热管轴向热流密度的一种限制，它与沸腾极限一样，是重力热管的一种主要工作极限。 2.1 携带极限的两相流动物理模型 汽和液的界面扭曲模型 由于液流中的局部激波，使得逆向流动的蒸汽和液体之间的界面扭曲，如图4所示，在液体和蒸汽两方面产生一个分压力，该压力通过界面的表面张力与离心力平衡。 首先考虑蒸汽侧的离心力 图4 热管内汽—液界面几何形状示意图 由于波长相对于液膜厚度是很大的，所以沿轴向流动的曲率半径是： 表面张力： 压力平衡式为： 2.2光滑壁面的携带传热极限 对于热管内表面是光滑的情况，蒸汽惯量比液体惯量大。假定环绕热管内表面的液体的分布均匀的，而且是薄的，在这种条件下，蒸汽力对液体-汽界面有最大的影响，忽略（10）式中的液体惯量，则变为： 汽和液的界面扭曲模型结果 （16） 汽液一维稳态两相流动模型（忽略蒸汽的可压缩性和下降液膜厚度） 汽液逆向流动中稳定性的破坏模型 （17） （18） 3.重力热管的携带传热极限及与沸腾烧毁极 限的比较分析 现采用以上的公式（16）、（17）、和（18）分别计算一定结构的热管在一定工作条件下的携带传热极限。取热管内径di=20mm,工作温度为100、150、200℃。计算结果见表1。 表1 不同关联式计算的热管携带极限 工作温度100℃ 工作温度200℃ 由式（16）得Qe,max kw 6.657 18.032 由式（17）得Qe,max kw 2.943 11.613 由式（18）得Qe,max kw 4.516 12.232 当工作温度为200℃时，蒸发段长度分别取0.1、0.5、1.0m，热管的沸腾传热烧毁极限分别为 Qb,max =11.5 kw , Qb,max =57.5 kw , Qb,max =115 kw