水热管可视化及运行特性的实验研究文献综述

 2021-10-06 01:10

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文 献 综 述

1 引言

当今传热工程面临两大问题:研究高绝热材料和高导热材料。具有良好导热性的材料有铝[(λ=202 W/m℃)]、柴铜[λ=385 W/m℃]、和银:[λ=410 W/m℃)],但其导热系数只能达到102 W/m℃的数量级,远不能满足某些工程中的快速散热和传热需要,热管的发明就解决了这一问题。热管的当量导热系数可达105 W/m℃的数量级。为一般金属材料的数百倍乃至上千倍。它可将大量热量通过很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。由于热管具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等良好性能。热管是传热领域的重大发明和科技成果,给人类社会带来巨大的实用价值[1]

起初,热管的发明是为了解决空间技术问题,但凭借着独特的优点,热管在地面应用中亦取得很大进展。随着热管应用的普及,学者们对热管展开了广泛的研究,然而,由于热管内两相流场复杂的传热传质过程,目前所提出的热管理论过于简单,无法准确描述热管的运行特性。针对于此,为深入考察重力热管内部流场的动态过程,本文将建立热管可视化实验平台,利用高速摄像机,记录并分析热管内流场在不同工况下运行特点,以期为进一步研究热管理论打下基础。

2 热管简介

2.1 热管工作原理

典型的热管结构如图1.1所示,典型的热管由管壳、管芯(吸液芯)、适量的工作介质组成。先将管密闭,抽成1.310-1~1.310-4 Pa的负压,在此状态下充入少量液体(即工质),管的内壁有同心圆筒式的金属丝网(或其他多孔介质)称为吸液芯,吸液芯内充满液体工质,当热管的一端受热后,管内空间处于负压状态,吸液芯中的液体因吸收外界热量而迅速汽化为蒸汽,在微小压差下流向热管的另一端,在向外界放出热量后冷凝成为液体,该液体借助于贴壁金属网的毛细抽吸力返回到加热段,并再次受热汽化。如此不断循环,热量就从管的一端传向另一端。由于是相变传热,而且热管内部热阻很小,所以能以较小的温差获得较大的传热率[2]

图1.1 热管结构示意图

2.2 热管的基本特性

热管是依靠自身内部工作介质液体的相变来实现传热的传热元件,它具有以下基本特性[4]

(1)很高的导热性

热管内部主要靠工质的汽、液相变传输热量,热阻很小,因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位质量的热管可多传递几个数量级的热量。当然,高导热性也是相对而言的,温差总是存在的,不可能违反热力学第二定律,并且热管的传热能力受到各种因素的限制,存在着一些传热极限;热管的轴向导热性很强,径向并无太大的改善(径向热管除外)。

(2)优良的等温性

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