水熱管傳熱特性之理論與實驗研究

核心概念

本文介紹了水熱管的傳熱極限和熱導的理論模型，並通過實驗驗證了理論模型的有效性。

摘要

水熱管傳熱特性之理論與實驗研究

自 1964 年格羅弗發明熱管以來，熱管已廣泛應用於熱工程、航空航天工程和土木工程。近年來，千瓦級斯特林技術反應堆 (KRUSTY) 的成功表明，熱管在核工程中具有巨大的應用潛力。
熱管雖然可以傳輸很大的熱量，但其熱通量最終是有限的。一旦熱通量或熱流量超過熱管所能承受的極限，熱管的熱導率就會迅速下降。熱管最大熱通量或最大熱流量的極限稱為“熱管的傳熱極限”，簡稱“熱管的極限”。熱管達到極限的情況有很多種，影響因素包括蒸汽流速、蒸汽壓力、毛細芯的毛細力、流體的沸騰、工作流體氣液相之間的摩擦等。

2.1 理論模型
2.1.1 傳熱極限
本節將介紹一些典型的熱管傳熱極限模型。這些模型的推導過程見附錄。
2.1.2 熱導
當熱管在適當的條件下工作時，其傳熱特性可以用熱導來描述。給定熱流量 Q，熱導 kHP 的定義如下：
Q = A kHP (Te - Tc)
其中 Te 和 Tc 分別是蒸發段和冷凝段的溫度。
如圖 3 所示，熱管內的傳熱根據循環可分為五個部分：從蒸發段外殼輸入熱量，通過蒸發段毛細芯被流體吸收，通過蒸汽流輸送到冷凝段，通過冷凝段毛細芯被流體冷凝釋放，最後從冷凝段外殼輸出。
2.1.3 毛細芯的熱導率
管殼和熱管芯的熱導可以用傅立葉定律來描述，而蒸汽流的傳熱可以根據克勞修斯-克拉佩龍方程來計算。此外，氣液界面的溫差很小，在傳熱中可以忽略不計。將上述方程應用於管道內串聯的各個熱流路徑部分，可得：

蒸發段殼體熱導
蒸發段毛細芯熱導
蒸汽流熱導
冷凝段毛細芯熱導
冷凝段殼體熱導
將上述五個方程相加並近似，利用公式 (7) 給出的 kHP 的定義，推導出熱導的方程如下：
kHP = [ro tp / (2 le kp) + ro^2 tw / (2 le ri kε) + π ro^2 Tv (Pv,e - Pv,c) / (ρ λ Q) + ro^2 tw / (2 lc ri kε) + ro tp / (2 lc kp)]^-1
其中 (Pv,e - Pv,c) 是蒸汽壓降在整個熱管截面上的總和。假設沿蒸汽流動方向的熱通量是一致且均勻的，則可以對蒸汽壓降進行積分，得到：
(Pv,e - Pv,c) = Fv Q (le / 6 + la + lc / 6)
將上式代入式 (13)，得到 kHP 的計算公式如下：
kHP = 1 / (Rp,e + Rw,e + Rv + Rw,c + Rp,c)
管殼的熱導率 kp 很容易知道。表 1 收集了 Chi[5] 中的一些芯體的 kε。
2.2 實驗裝置
由於熱管內部物理過程複雜，許多用於熱管計算的特性都是通過實驗得到的，而且上述方程在推導過程中也使用了簡化的熱管傳熱模型。因此，我們需要進行實驗裝置來驗證熱管的傳熱效果。圖 4 為本工作中使用的實驗裝置示意圖。該裝置分為四個部分：熱管和支架、加熱系統、冷卻系統和測量系統。該裝置的詳細信息如圖 5 所示。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Theoretical and Experimental Study on Heat Transfer Characteristics of Water Heat Pipe

by Ziyi Wang, H... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11518.pdf

深入探究

熱管技術在未來還有哪些潛在的應用領域？

熱管技術基於其高效、可靠的熱傳遞特性，在未來擁有廣泛的應用前景，以下列舉部分潛在應用領域：

太空探測與衛星熱控： 太空環境極端溫度變化劇烈，熱管可有效解決太空飛行器及設備的散熱問題，確保其穩定運行。
5G 通訊與數據中心散熱： 5G 基站和數據中心產生大量熱量，熱管可應用於高功率電子元件散熱，提高設備性能和壽命。
新能源汽車電池熱管理： 熱管可應用於電動汽車電池組的熱管理系統，確保電池在最佳溫度範圍內工作，延長電池壽命。
太陽能熱利用： 熱管可應用於太陽能集熱器，將太陽能高效傳輸至儲熱裝置，提高太陽能利用效率。
廢熱回收利用： 工業生產過程中產生大量廢熱，熱管可將這些廢熱回收利用，提高能源利用率，減少碳排放。
醫療設備： 熱管可應用於醫療設備的溫度控制，例如激光治療儀、核磁共振成像儀等，確保設備穩定運行。
高性能計算機散熱： 隨著CPU和GPU功耗不斷提升，熱管可應用於高性能計算機的散熱系統，提高計算機性能和穩定性。

熱管的成本和可靠性如何？

成本：

熱管的成本與其尺寸、材料、結構、工作溫度範圍和生產規模等因素有關。
一般而言，銅質熱管成本較低，而使用特殊材料和結構的熱管成本較高。
近年來，隨著熱管技術的發展和應用規模的擴大，其成本呈下降趨勢。
可靠性：

熱管具有結構簡單、無需外部動力、可靠性高等優點。
其封閉式結構可避免工作流體洩漏和污染，延長使用壽命。
在正常工作條件下，熱管的壽命可達數年甚至數十年。
總體而言，熱管具有較高的可靠性和相對合理的成本，在許多應用領域具有顯著優勢。

熱管的傳熱效率是否可以通過其他方式進一步提高？

熱管的傳熱效率主要受限於其各個部分的熱阻，例如蒸發段毛細芯的熱阻、蒸汽流動的熱阻、冷凝段毛細芯的熱阻等。以下列舉一些可以進一步提高熱管傳熱效率的方法：

優化毛細芯結構： 採用高導熱係數材料、增加毛細芯孔隙率、減小毛細芯厚度等方法，可以降低毛細芯的熱阻。
選擇合適的工作流體： 根據工作溫度範圍選擇具有高汽化潛熱、低黏度、高表面張力的工作流體，可以降低蒸汽流動的熱阻。
優化熱管幾何形狀： 根據應用需求設計合理的熱管長度、直徑和彎曲角度，可以降低蒸汽流動的壓降損失，提高傳熱效率。
採用新型材料和技術： 例如使用納米流體、碳納米管等新型材料，或採用脈衝熱管、微型熱管等新型技術，可以進一步提高熱管的傳熱效率。
需要注意的是，提高熱管傳熱效率的同時，也需要考慮其成本、可靠性和安全性等因素。