面向储热的脉动热管流动与传热特性及强化机理研究

摘要

相变储热强化技术的发展，对于解决余热回收利用、新能源热利用及新能源汽车热管理等领域中存在的热能供求在时间空间不匹配、间歇性、波动性等问题，具有重要的现实意义。合理结合高效传热器件被动强化相变储热过程，因不需要额外消耗能量，成为研究的热点。脉动热管作为高效传热器件，相对传统翅片、毛细力驱动热管及重力驱动热管而言，具有形状丰富、加热方式灵活、传热极限高、抗重力性好等优势，在储热系统强化传热领域应用具有较大潜力。为了强化储热系统对外换热能力，本文围绕储热强化中关键传热器件展开，通过实验、理论分析以及数值计算相结合的方法，对面向储热强化应用的脉动热管的传热规律、内部脉动特性以及强化传热机理进行了研究，主要工作和结论如下： 1、针对大型化脉动热管，研究了真空度、安装角度（0o-90o）、充液率（30%-80%）、工质种类（去离子水、乙醇、自湿润流体）等参数对其传热规律及内部脉动特性的影响规律，并且对上临界管径脉动热管的气液塞失稳现象进行了理论分析。结果表明：以自湿润流体为工质，高真空度初始条件下大型化脉动热管表现出优异的传热性能。当内径为3mm，充液率在50%至60%区间时，脉动热管在稳定的工作区域和较大的加热功率时具有最显著的传热性能，热阻低至0.0024℃/W。在工质、内径和充液率等条件相同时，启动温度与安装角度成反相关关系。建立了上临界管径脉动热管中液塞受力分析模型，并导出了气液塞分布失效时的角度判定公式。液塞越长，小安装角度时失稳的可能性增大；液柱下部和上部压差越大，大安装角度时失稳的可能性增大；管内径的影响相对复杂，脉动热管内径在上临界管径附近变化时，液塞失稳时对应的安装角度区间宽度以及区间位置均会受到界面和工质组合特性的影响。 2、发明了具有新型发散结构的脉动热管，并对其工作特性以及变热源外场强化传热规律进行了实验研究。结果表明：以去离子水为工质，脉动热管表现对充液率和加热功率的适应性出良好的启动性能，随着充液率增加，最小启动温度先升高，然后随着充液率的升高几乎保持不变。以自湿润流体为工质时总热阻变小，各支路的传热能力表现出更好的均匀性，但是，各分支传热能力具有更高的一致性并不代表其具有更好的整体传热性能。脉动热源外场模式和交替热源外场模式均有利于提高蒸发段温度的脉动频率和幅度。当热源周期在2s到10s之间时，不同热源外场模式下的全局热阻总体满足以下关系：脉动外场模式最低，交替外场模式其次，连续外场模式最大。当加热功率为100W时，传热能力强化程度大于10%；在脉动热源外场模式下，当加热功率为200W，热源周期小于0.4s时，全局热阻相对连续热源外场模式时的降低30%以上。 3、建立了脉动热管“二液塞-二汽塞”脉动传热模型，通过可视化实验对模型的可靠性进行了验证，并对脉动热管传热机理进行了参数化的模拟分析。结果表明：液塞相对长度大小对脉动热管内部的气液塞的运动规律甚至是工作稳定性有明显的影响。较低的汽化潜热有利于提高内部驱动力，增加工质脉动强度，随着汽化潜热的降低，显热吸收量和显热释放量均增加。当充液率较低和较高时，脉动热管均不能正常工作，在合适的充液率范围内，随着充液率的增加，脉动热管内部脉动剧烈程度增加，显热传递性能增加。管内径在一个合适的范围时，脉动热管能稳定工作，随着管内径的增加，脉动热管内部脉动剧烈程度小幅度增加，显热释放平均功率与管内径成线性递增关系。 4、建立了两分支发散型脉动热管数学模型，采用数值计算方法研究了不同热源外场条件下脉动热管内部脉动特性及传热强化机理。结果表明：在三种变热源外场作用下，脉动热管内部汽塞温度和压力、液塞运动位移和速度均会表现出附加的波动特性。对于非均匀脉动热源外场模式，当加热和间隔时长接近时，附加波动频率和振幅均相对较大，当加热/间隔时长比为4∶4、5∶3或6∶2时，显热传递强化率可以达到6%；对于均匀脉动外场模式，当热源周期较短时内部能够维持稳定脉动，随着热源周期增加，强化率先是近似指数增长到12.3%，然后近似线性降低，在0.35s时接近零，随后继续下降，在0.5s时显热传递削弱率为6.6%；对于均匀交替外场模式，液塞脉动幅度的附加波动更加明显，但热源周期对内部脉动特性的影响趋势不明确，强化传热的热源周期区间较窄，具体情况与脉动热管配置有关，但是显热传递强化率能够高达25%。 5、设计了基于脉动热管的相变储热模块，实验研究了储热模块在不同工质、安装角度和加热功率条件下的传热特性。结果表明：在储热过程中，相变材料的最高温度位于中间区域，温度上升的速度与加热功率成正相关关系。当相变材料相变完成后，脉动热管蒸发段温度上升速度增加，蒸发段与相变材料的温差略有下降，最后趋于稳定。在放热过程中，只有当蒸发段温度超过一定值时才会出现振荡现象，当相变材料开始凝固时，相变材料与脉动热管之间靠温差驱动的热流输入无法产生足够的驱动压差来维持工质的振荡。与无工质的情况相比，分别以去离子水、自湿润流体和无水乙醇为工质时，耦合模块中相变材料的温度均匀性均有较大的改善，但是不同安装角度和不同加热功率下相变材料温度均匀性的规律难以统一描述，不同条件下的影响规律不同。

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