[科普中国]-潜热传递

概念

随着传输功率的增大，循环流动的速度增加，毛细滞后阻力、摩擦阻力等都相应地增加，因此，所需要的驱动力也要增加。这样，潜热传热量与总传热量之比也要增加，而且管径小时，增加的幅度要更大。流速增加。过冷工质流过加热段的频率要增加，以适应以显热为主、潜热为辅的热量增加传输需要。管径增加，流速增加更加迅速，因此．壁面温度波动的频率幅度增大。1

外围护结构的潜热传递初探通过对采用集中空调的高层建筑两个房间的对比测量，发现夏季外围护结构不仅传递显热，而且传递潜热，并因此消耗空调能量。同时发现冬季外围护结构也同样不仅传递显热，而且传递潜热。为此得出结论，外围护结构的建筑节能不仅要考虑隔热，而且要考虑隔湿。

夏季测试结果：A房间风机盘管出风温度明显低于B房间风机盘管出风温度，平均温差0.78℃，在近两个月的测量期间，温差最小为0.4℃，最大为1.6℃；温差的变化与室外气象条件有关。观察A房间外墙密封薄膜，薄膜外侧有细小露珠。

冬季测试结果：A房间的露点温度明显高于B房间的露点温度。观察A房间外墙密封薄膜，与夏季观察结果相反，薄膜内侧有细小露珠。

通过对A，B两房间的夏季和冬季测量结果，得到以下结论：

（1）夏季外围护结构的潜热由室外向室内传递；

（2）冬季外围护结构的潜热由室内向室外传递。2

高功率脉动热管的运行机制研究背景脉动热管PHP(Pulsating Heat Pipe)是一种新型热管，结构必须是采用毛细管，这样才能在管路中形成串接的汽塞和液塞，其运行机制与传统热管完全不同。

国内外对于脉动热管已经有了一些研究，主要是一些概念性实验和探讨性的理论分析。例如，Akachi等建立了自激振动的物理模型；Sameer Khandekar等采用Matlab软件，用人工神经网络的方法对于脉动热管进行了分析；一些研究者进行了可视化实验，对脉动热管的流型等进行了观测；Faghri等建立了具有开端管路的薄液膜蒸发、厚液膜冷却模型；Wong T.N.等建立了模型，但忽略了蒸汽塞和管壁面间的液膜，没有考虑表面张力的影响。总之，对于脉动热管的一些关键问题，例如，如何优化设计、如何确定传输极限、温度的波动问题等，还没有得到解决。

研究的目的是，导出环路型脉动热管物理机制的模型框架。首先是通过观察到的环路型脉动热管稳态运行实验现象结果，对最常出现的额定工况建立物理和数学模型；然后是考察脉动热管运行的物理机制，包括传热中显热和潜热所占的份额及其对PHP运行的影响、脉动热管的壁面温度波动的原因等。这对于脉动热管的设计具有重要意义。

理论分析环路型脉动热管稳态运行时，一部分液塞处于加热段时，一部分热量以显热的形式传递给液塞；当加热段的液塞移动到冷却段时，在加热段吸收的显热传递给冷却段的壁面，再到热沉。由于液塞在毛细管中运动的速度较快，因此显热的贡献也可能是很重要的。研究的模型考虑大功率运行的额定工况，并且得到了总传热量中的相变传热部分和显热传热部分二者的比例。

（1）物理模型

从对环路型脉动热管可视化实验的观察结果来看，较大功率稳态工作时，汽、液塞处于稳定循环流动状态。假设：1)加热段和冷却段中的瞬态过程可以忽略；2)蒸汽和液体处于相应的饱和状态；3)蒸汽的状态可由理想气体的状态方程描述；4)脉动热管的壁温波动是由于液塞的显热传递引起。

（2）数学模型

蒸发段和冷却段间由于传热引起的驱动压差ΔPq和摩擦阻力引起的压差ΔPf、毛细滞后阻力引起的压差ΔPc和重力引起的压差ΔPg平衡。

取脉动热管稳态运行时的一个具有代表性的单元体，包括一段加热段、一段绝热段和一段冷却段。单元体的加热段出口和冷却段入口的液体的容积流量占总容积流量的比例相等。

结果和讨论（1）充液率和加热段出口工质温度的影响

当加热段出口即冷却段入口的工质的温度增加时，潜热传递所占总传热量的比例降低。显热传热量要靠温差和热容来的大小来实现。加热段出口工质的温度增加，意味着显热传递所占的比例增大，在总传热量不变的情况下，只要相变传热引起的加热段出口和冷却段入口的蒸汽密度差足够克服毛细滞后阻力、摩擦阻力等，汽、液塞工质能够循环流动起来，潜热传热量所占的比例当然要降低。

当充液量增加时，一方面相变传热的面积减小；另一方面显热传热面积所占的比例增大，因而引起潜热传热所占的比例减小，如图1所示。

对于温度波动频率的影响，随着加热段出口工质温度的增加，在传输功率一定的情况下，工质循环流动不需要更高的流速。由于显热传输占总传热量的比例是绝大部分，因此循环流速相应地要降低，这样脉动热管的温度波动频率相相应地降低。充液率较大时，显热传热量占总传热量的比例更大。在传输功率一定时，这就需要循环流速进一步降低，因此，充液率增加，温度波动的频率减小，如图2所示。

（2）管径和传热量的影响

如图3所示，随着传输功率的增大，循环流动的速度增加，毛细滞后阻力、摩擦阻力等都相应地增加，因此，所需要的驱动力也要增加。这样，潜热传热量与总传热量之比也要增加，而且管径小时，增加的幅度要更大。流速增加，过冷工质流过加热段的频率要增加，以适应以显热为主、潜热为辅的热量增加传输需要。管径增加，流速增加更加迅速，因此，壁面温度波动的频率幅度增大。

（3）冷却段长度和单元体长度的影响

随着单元体长度的增加，在充液率不变的情况下，相应的工质的绝对量增加；另一方面，工质的循环流动所走过的路程也增加，两方面的原因使脉动热管运行时需要更大的驱动力，因此，相变传热量所占的比例要大大增加。对于参变量冷却段长度，其改变主要是降低了冷却段出口的蒸汽的压力，加热段出口的蒸汽压力不变，则总的驱动力压差增加较多，传热量保持不变，则循环流动的速度不需要改变很多，这样需减小相变潜热传热的相对量，即增大热阻来实现。随着单元体长度的增加，从冷却段出口到加热段入口的距离加大，因此脉动热管壁面的温度波动的周期增大，即脉动的频率减小。冷却段的长度在一定范围内改变时，工质的循环流速变化不大，因此脉动热管的温度波动频率变化不大。实验表明，温度波动频率的分析结果与实验值基本吻合。3