论文总字数：20842字

摘 要

以水为工质的热虹吸管结构简单、制造方便、成本低廉，更兼传热性能优良、工作可靠，在制冷、化工、新能源开发和以余热回收为主的节能技术中得到日益广泛的应用。但热管的运行涉及传热传质学以及热力学过程，其传热机理极其复杂，至今未被理解透彻。

本文构建了基于玻璃水热管的可视化实验平台，探究了加热温度、充液率对热管启动特性以及传热性能的影响，考察了工质流型与传热性能关系。实验结果表明：充液率越大，热管启动温度越低，当充液率高于0.5时，启动温度低至50 ℃；热管的传输功率随温度的增加而增加，对于充液率0.6的热管，加热温度80 ℃时，传输功率最大，达到46 W；在相同加热温度下，充液率对热管传热性能具有显著影响，充液率0.6的热管热阻最低，随温度变化稳定在1 ℃/W左右；工质流型与热管的传热性能密切相关，蒸发段核态沸腾与冷凝段的条索状回流情况下传热性能最佳。

关键词：水热管 可视化 充液率 传热性能

Abstract

Thermosyphons, with water as working fluid, have a lot of advantages, such as simply structure, convenience of manufacture and low cost, especially excellent thermal conduction and reliability. They have been used in a vast range of applications in refrigeration, chemical industry, development of new energy and power saving technology majoring in recovery of waste heat. However, the extremely complicated mechanism of heat transfer in thermosyphon has not been understood by far due to its operation referring to heat and mass transfer and thermodynamic process.

In this paper, a visualization experiment platform basing on glass-water thermosyphon has been established. The effects of heating temperature and filling ratio(FR) of working fluid on start-up and heat transfer characteristics were investigated. Furthermore, the relationship between thermal performance and flow pattern of working fluid was researched. The results indicates that the increase of Fr will result in the decrease of start-up temperature and the start-up temperature is as low as 50 ℃ when the Fr is higher than 0.5. The thermal transfer power increases as the increase of heating temperature, and the largest power is gained as 46 W when heating temperature is 80 ℃. By the same heating temperature, Fr has a significant influence of heat transfer performance. The thermosyphon with Fr of 0.6 has the minimum thermal resistance, which is fluctuating at 1 ℃/W along with the change of temperature. The flow pattern of working fluid and thermal transfer performance is closely related, and the best performance is obtained when the evaporator and condenser is under nucleate boiling and dropwise condensation respectively.

Key words: thermosyphon; visualization; filling ratio; thermal performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 热管简介 1

1.2.1 热管工作原理 1

1.2.2 热管的基本特性 2

1.2.3 热管的分类 3

1.3 热管的发展历史及研究现状 6

1.3.1 热管的发展历史 6

1.3.2 热管的研究现状 7

1.4 本文主要研究的内容 10

第二章 水热管实验平台及启动特性 12

2.1 前言 12

2.2.1 实验元件 12

2.2.2 实验流程 12

2.2.3 分析方法 14

2.3 启动温度 15

2.4 工作温度 16

2.5 本章小结 18

第三章 水热管传热性能 19

3.1前言 19

3.2传输功率 19

3.2.1 加热温度的影响 19

3.2.2 充液量的影响 20

3.3 热阻 22

3.3.1 充液率对热阻的影响 22

3.3.2 温度对热阻的影响 24

3.4 冷凝段换热系数 24

3.5本章小结 28

第四章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪论

1.1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。

1.2 热管简介

1.2.1 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1.3×10^-1～1.3×10^-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]。

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