重力热管两相流及传热极限分析

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1、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.Heatisabsor

2、bedintheevaporatingsection.B.Fluidboilstovaporphase.C.Heatisreleasedfromtheupperpartofcylindertotheenvironment;vaporcondensestoliquidphase.D.Liquidreturnsbygravitytothelowerpartofcylinder(evaporatingsection).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

3、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

4、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

5、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,maxkw6.65718.032由式（17）得Qe,maxkw2.94311.613由式（18）得Qe,maxkw4.51612.

6、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=11.5kw,Qb,max=57.5kw,Qb,max=115kw