熱管技術及其工程應用傳熱極限計算

熱管技術及其工程應用熱管的傳熱極限聲速極限：熱管管蒸汽流動，由于慣性力的作用，在蒸發(fā)端出口處蒸汽速度可能達到聲速或者超聲速，而出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這時的最大傳熱量被稱為聲速極限。毛細極限：熱管正常工作的必要條件是△Pca)^APv+APi±Ap。如果加熱量超過了某一數(shù)值，由毛細力作用抽回的液體就不能滿足蒸發(fā)所需的量，，于是便會出現(xiàn)蒸發(fā)段的吸液芯干涸，蒸發(fā)段管壁溫度劇烈上升，甚至出現(xiàn)燒壞管壁的現(xiàn)象，這就是所謂的毛細傳熱極限。沸騰極限：熱管蒸發(fā)段的主要傳熱機理是導熱加蒸發(fā)。當熱管處于低熱流量的情況下，熱量的一部分通過吸液芯和液體傳導到汽-液分界面上，另一部分則通過自然對流到達汽-液分界面，并形成液體的蒸發(fā)。如果熱流量增大，與管壁接觸的液體將逐漸過熱，并會在核化中心生成氣泡。熱管工作時應避免氣泡的生成，因為吸液芯中一旦形成氣泡后，如果不能順利穿過吸液芯運動到液體表面，就將引起表面過熱，以致破壞熱管的正常工作。因此將熱管蒸發(fā)段在管壁處液體生成氣泡時的最大傳熱量稱作沸騰傳熱極限。粘性極限：當蒸汽的壓力由于粘性力的作用在熱管冷凝段的末端降為零，如液態(tài)金屬熱管，在這種情況下，熱管傳熱極限將受到限制，熱管的工作溫度低于正常溫度時將遇到這種極限，它又被稱為蒸汽壓力極限。攜帶極限：當熱管中的蒸汽速度足夠高時，液汽交界面存在的剪切力可能將吸液芯表面液體撕裂將其帶入蒸汽流。這種現(xiàn)象減少了冷凝回流液，限制了傳熱能力。以下就以氨為工質展開五種傳熱極限的相關計算，氨的物性參數(shù)如下表所示：飽和溫度T/K飽和壓力PV/106Pa汽化潛熱hf/(kJ/kgg)蒸汽密度P/(kg/m3)蒸汽粘度u/10-6(Nv_?s/m2)表面力。/10-3(N/m)液體密度P/(kg/m3)液體粘度ui/10-8(N?s/m2)2400.1022613690.89729.1633.9681.42732500.1649613391.4049.5431.5668.92452600.2552913072.1159.9329.2656.12202700.38112733.08610.3126.9642.91972800.5507712374.3810.724.7629.21762900.7741311986.07111.0722.4615.0157.73001.061411598.24711.4520.2600.2141.03101.4235111311.0111.8618584.6126.03201.8721106614.5112.2915.9568.2113.43302.4196101418.8912.7413.7550.9101.9例：工質氨的熱管，直徑6=3mm，壁厚=0.3mm,長度L=300mm，工作溫度240K,有效長度l.為150mm。試確定該熱管的傳熱功率。eff一、聲速極限解：NH3在240K時的有關物理參數(shù)如下：蒸汽密度P=0.8972kg/m3

飽和蒸汽壓汽化潛熱比熱容比分子量通用氣體常數(shù)蒸汽的氣體常數(shù)汽腔的橫截面積蒸汽密度飽和蒸汽壓汽化潛熱比熱容比分子量通用氣體常數(shù)蒸汽的氣體常數(shù)汽腔的橫截面積h招二1369X103J/kgy二4/3=1.33M=17R=8.314X103J/(kmol-K)R二8.314X103!17=478.47J/(kg-K)A-—^=—x(2.2x10-3)2=3.8x10-6m2

v44將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式中，有氣ax",Pohf氣ax",Pohfg=3.8x10-6x0.8972x1369x103x1.33x=3.8x10-6x0.8972x1369x103x=844.97W聲速極限的規(guī)律總結如下:二、毛細極限解：NH3在240K時的有關物理參數(shù)如下:P=0.8972kg/m3r=9.16X10-6N-s/m2hg=1369X103P=0.8972kg/m3r=9.16X10-6N-s/m2hg=1369X103J/kgr=1/(2N)=6.4x10-5mcP-——=1.06x103N/m2cpgdcos巾=14.69N/m2pglsin巾二0r=(d+5)/2二1.25x10-3A二兀(/2—d2)4=7.22x10-7m2S=1.05(經驗數(shù)據(jù))e=1-nSNd/4=0.594K=—華竺__)=4.07x10-11m2122J2/p二681.4kg/m3日「273X10-8N-s/m2k=0.615W/(m?K)。=33.9X10-3N/m液體的摩擦系數(shù)蒸汽腔的橫截面積蒸汽腔的水力半徑阻力系數(shù)蒸汽的摩擦系數(shù)F=—^——=99.6(N/m2)/(W-m)iKAphgA二兀d2/4二3.8x10-3m2r=d/2=1.1x10-3mfRe=16F=f'Rev，H'=1.57x10-2(N/m2)/v2A"ph(W-m)將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式中，有2。-pgdcos9±Pglsin9r1v1Q_(F+F、f二^——1060-14.69=69.97W?9.6+1.57x10-2人0.15三、沸騰極限解：NH3在240K時的有關物理參數(shù)如下:蒸發(fā)段長度吸液芯的有效導熱系數(shù)氨的表面力系數(shù)蒸汽密度汽化潛熱管子徑蒸汽腔直徑汽包臨界生成半徑1二0.15mm人二2.58W/(m?°C)。=33.9X10-3N/mP=0.8972kg/m3h提369X103J/kgd.二2.4X10-3md二2.2X10-3mr=2.54X10-7m將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式中，有Qb,max2兀1人T(2b)卜JfgvVrQb,max2x3.14x0.15x2.58x240

=z——vx(2.4)1369x103x0.8972xIn一(2x33.9x10-3)"2.54x10-7J12.2J=1456.83W沸騰極限的規(guī)律總結如下:蒸汽密度蒸汽密度飽和蒸汽壓汽化潛熱蒸汽黏度蒸汽腔直徑四、粘性極限解：NH3在240K時的有關物理參數(shù)如下:P=0.8972kg/m3P=0.10226X106Pav人招二1369X103J/kgr=9.16X10-6N-s/m2d二2.2x10-3mm將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式中，有Qvi,maxdVhfgppA64rlfovovo

Qvi,max(2.2x10-3)2x1369x1°3*0.8972x0.10226x106x-x(2.2x10一3)264x9.16x10-6x0.154=26265.89W粘性極限的規(guī)律總結如下:吾溫度/K粘性極限與溫度的關系—粘性極限五、攜帶極限解：NH吾溫度/K粘性極限與溫度的關系—粘性極限五、攜帶極限解：NH3在240K時的有關物理參數(shù)如下:汽化潛熱蒸汽密度蒸氣流道的的橫截面積表面力系數(shù)絲網(wǎng)數(shù)目絲網(wǎng)直徑吸液心表面水力半徑“二1369X103J/kgP=0.8972kg/m3A二3.8X10-6m2。=33.9X10-3N/mN=7.87x103m-1d=6.25X10-5mr^=&-*=3.225x10-5m將以上數(shù)據(jù)帶入計算公式中，有烏"七I2rhsY2=3.8X10-6X1369X103X0.8972x33.9x烏"七I2rhsY2=3.8X10-6X1369X103X0.8972x33.9x10-32x3.225x10-5=112.96W攜帶極限的規(guī)律總結如下:_u_u_u_u_u_un-un-n-n-un--Un-54321098HI654321^=111111111111111111_u32_u52溫度/K攜帶極限與溫度的關系五種傳熱極限的規(guī)律總結如下:飽和溫度/K聲速極限/W毛細極限/W沸騰極限/W粘性極限/W攜帶極限/W240845701457262701132501320759216227813326019798060413615315427028668540727813017428040269128153430419329055009619697440820930073521011391