[科普中国]-热二极管热管

热二极管工作原理

虽然不同类型的热二极管结构有所区别，但都包括蒸发段、绝热段,冷凝段三个部分。
热二极管工作原理是通过工质在蒸发段受热蒸发汽化,在重力场、加速压差的作用下流向冷凝段,并在冷凝段放出热量凝结为液体。冷凝液体依靠重力作用流回蒸发段,然后再继续蒸发、冷凝,如此三种式热二极管结构实现热量从蒸发段到冷凝段的传递和工质在管内的循环。

对于热虹吸管2和分离式热管,由于冷凝液从冷凝段返回蒸发段是依靠重力作用实现的,故这两种热二极管的蒸发段必须置于冷凝段下方,所以它们都是单向(由下向上)传热的热二极管。而张仁元教授等学者提出的两相双向热二极管概念3,则能够通过改变绝热段倾角来改变传热方向。另外,两相双向热二极管内蒸汽和冷凝回流液相互是不接触的,没有汽液交界面的剪切现象,所以不存在携带传热极限。表1对这三种热二极管主要特征进行了比较。

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热二极管的特点1)热二极管在进入正常工作状态前存在一个启动阶段.此阶段的加热段温度表现为突然跃升和急剧下降,而冷凝段温度则几乎不变.整个启动约在3min内完成,启动性能令人满意4.

2)热二极管正常工作时具有良好的等温性,能够在小温差下传递大量的热.同时也是衡量工作性能优劣的指标之一.

3)热二极管壁面温度随着输入功率的增加而呈现升高趋势.当加热段温度出现明显跃升时,可认为已达到了热二极管的传热极限.此时输出功率不会随着输入功率的增加而提高.

热二极管传热分析蒸发段传热分析热二极管蒸发段内主要进行的是管内对流沸腾换热,其内部传热过程包括两相流动和相变传热。

B.Jiao和L.M.Qiu5]等人指出闭式热虹吸管蒸发段液池内存在自然对流蒸发与核态沸腾蒸发两种换热模式。在低热流密度时主要是前者,高热流密度时则以核态沸腾蒸发为主。G.F.Tang和D.Liu6等学者则讨论了分离式热管蒸发段的传热特征,并指出分离式热管蒸发段是一均匀受热管,管内呈汽液两相流动。两相双向热二极管蒸发段的换热模式类似于分离式热管。但由于其工作时处于倾斜状态,管内工质流型、换热强度均与热虹吸管和分离式热管有所区别。

当充液率大于30%时,热二极管蒸发段内主要进行的是核态沸腾换热。

冷凝段传热分析热二极管冷凝段内,假定饱和蒸汽没有不凝性气体,竖直管内主要进行的是汽液混流的凝结换热过程。对于高度不大、热流密度较低、工质能够浸润管内壁面的情况下,可以认为冷凝段的传热方式是饱和蒸汽的层流膜状凝结换热,可采用Nusselt竖壁层流膜状凝结理论来计算冷凝段平均换热系数。

影响热二极管传热因素影响重力式热二极管传热能力的因素很多,其中包括倾斜角度、工质充液率、工质的物理性质等。

倾斜角度的影响热二极管在一定倾斜角度下工作时,其传热效率高低一般与工质液体冲刷运动的频率和冲刷距离有关。冲刷频率越高,冲刷距离越远,则传热效率越高。

朱玉琴7和Kanji分别通过实验得出相同结论:分离式热管和热虹吸管换热系数先随倾角的增大而增加,在倾角为16～18°时达到最大值,19°以后有所下降。广东工业大学张仁元教授等人8则认为,两相双向热二极管加热段倾角在热二极管导通后对传热影响相当小,它主要影响达到稳定导热所需的绝热段倾角大小。

工质充液率的影响重力式热二极管工质充液率的大小,也会很大程度影响其传热性能。充液率过大,汽液混和物容易进入冷凝段,加大冷凝段热阻,降低系统传热性能;充液量过小,则容易出现极度干涸现象,引起传热恶化。

T.Payakaruk等人对一根内径为7.5mm,工质为R123的热虹吸管进行了实验。结果表明,在一定倾角范围,充液率为50%时传热效果最好。天津大学王一平9等人对铜-R22的分离式热管实验研究表明,其合理充液率为80%～100%。文献3则认为充液率大小只对热二极管达到导通状态所需的绝热段倾角大小有影响。充液量越小,要达到导通状态的绝热段倾角就越大。

工质物理性质的影响工质的热物理性质,如汽化潜热、热稳定性、导热率、汽液相粘度等都会影响热二极管的传热性能。

江苏理工大学魏琪10等人对纯水工质和水-甲醇混合工质的热虹吸管进行了对比实验。结果表明,混合工质热管的壁温高于纯工质热管的壁温。Mehmet Esen等国外学者通过实验,研究了R-134a、R407C、R410A这三种不同工质对两相闭式热虹吸管太阳能热水器传热性能的影响。结果表明,分别充注这三种工质的装置最高集热效率依次为48.72%,49.43%和50.84%。R410A之所以表现出较好的传热性能,主要因为其具有较高的汽化潜热和热导率,以及较低的粘性系数。

热二极管的应用由于热二极管具有结构简单、传热效率高等特点,其在国民经济建设各领域都得到了一定程度的应用。

热二极管与建筑一体化矩形回路式两相双向热二极管概念最早由K.Chen提出11。W.Chun等国外学者则把这一概念与建筑一体化相结合。两根矩形热二极管分别安置于集热板和辐射散热板之间,其中作为蒸发段的水平部分焊接在涂有黑色涂层的集热板上,而作为冷凝段的水平部分则焊接在冷凝散热平板上。水平管和倾斜管用可旋转的联轴节连接,以实现垂直方向上的高低位置调节。
白天,调节蒸发段低于冷凝段,通过工质吸收室外热量汽化,并在冷凝段凝结放热,把热量从室外带至室内,使得室内温暖舒适;晚上,调节蒸发段高于冷凝段,由于室内温度高于室外,热二极管处于反向截止状态,可阻断室内热能向外散失,使得室内不至于太冷,从而达到保温目的。该系统的优点是结构简单、控制方便、可实现双向传热或截止传热。

热二极管太阳灶Khalifa11等人研制了一种新型的分离式热管太阳灶。该装置由1m2的平板集热器、铜-丙酮分离式热管和一个与之相连的烹调箱组成。热二极管蒸发段置于有三层玻璃的平板集热器内,黑色铜皮紧压在蒸发段上以增大吸热面积。集热器底部填充有15mm厚玻璃棉以作隔热层。外壁绝热的烹调箱内设置有一浅油池,热二极管冷凝段沉浸其中。工作原理是工质在蒸发段内吸热汽化,经上升管进入冷凝段凝结放热,并通过油池(传热介质)传递热量给炊具。经测试,该太阳灶总能量利用率可达到19%。

该装置优点是结构简单,安装方便,且不需对太阳进行跟踪,相对于传统式太阳灶可省去手动调节的麻烦。但缺点是冷凝段换热面积较小,且由于热管内蒸汽与冷凝回流液运动方向相反,存在携带现象,会造成传热能力的削弱。

热二极管太阳能热水器太阳能热二极管热水器系统由平板集热器和置于集热器背部的储水箱组成。集热器采光面积为1.8m2,主要部件包括单层低铁玻璃、带选择性吸收涂层翅片板的热二极管,以及耐热保温棉。热水箱是一个直径为40cm的圆柱形容器,热二极管冷凝段沉浸其中。工质通过在蒸发段吸收太阳辐射能汽化后,在冷凝段凝结放出热量,从而加热储水箱内的水。系统在不同的蒸发段和水箱温差下的工作效率:当温差为18℃、20℃、27℃时,工作效率分别为0.39、0.51、0.60。该系统优点是集热效率较高,瞬时效率最高可达63%;结构简单,无运动部件;具有较好的防冻性能。缺点是启动时间较长,工质流动阻力较大。

展望由于热二极管具有结构简单,热流可控,传热能力大等优点,吸引了国内外众多专家学者对其开展相关研究,不过现阶段无论是在理论研究还是在应用推广方面都还存在较大不足。这主要体现在11:

①热二极管内部存在两相流和相变传热,换热机理相对复杂,不少涉及传热换热问题尚待解决;

②目前为止还没有一套完整的理论公式可用于设计计算,主要还是通过具体实验来测定相关工作参数;

③新产品的生产成本比较高,工艺技术还不成熟,市场化应用还有一定难度。

不过随着人们对热二极管的进一步深入研究,无论是在与新能源的相结合上,还是在传统的石油化工余热回收领域中,其利用价值将会得到进一步体现,从而更具广阔发展前景。