HCPV用平板式环路热管实验研究

设计了一种用于高倍聚光光伏太阳能电池(HCPV)散热的混合烧结芯平板式环路热管,并实验研究了负荷、倾角、冷凝器参数等对热管启动和运行性能的影响.实验表明,该热管基本可满足HCPV负荷及安装角度要求,热面温度100℃内的最大负荷可达320 W(热流密度为40 W/cm2).蒸发器和储液器、蒸发器和冷凝器相对位置对热管性能影响很大.当储液器在蒸发器下方时启动更容易;冷凝器在蒸发器上方时低负荷启动温度下降.可通过减少冷凝器内冷却水流量,提升热管反重力运行的启动能力.     

耦合引射器和沸腾池的环路热管传热特性研究

为了解决环路热管的热泄漏问题并提高其最大热流密度,本文提出了将引射器和沸腾池耦合于环路热管结构中。引射器由蒸发器产生的蒸汽驱动,抽吸补偿腔内的热液体以移除热泄漏并为沸腾池供液,而加工了柱状微结构强化表面的沸腾池则是实现高热流密度散热的主要部件。首先实验研究了该环路热管在不同热负荷下的变工况运行特性和稳态运行特性;然后根据运行温度以及主要部件的质量和能量守恒计算了环路热管内部的流速分布并定量评估了引射器对移除热泄漏的贡献;最后比较了本装置与传统环路热管的传热性能。结果表明该环路热管具有良好的变工况运行特性,热负荷变化后能快速建立新的稳态。适当增加蒸发器的热负荷有利于提高沸腾池的传热极限。当蒸发器热负荷为200 W时,沸腾池的极限热负荷为550 W,对应的热流密度高达114 W·cm^-2,高于大多数传统环路热管。此外,得益于热泄漏的及时移除,本环路热管能在热泄漏占比高达28%时稳定运行。这些结果表明该环路热管有望运用于高热流密度和多热源系统的散热。     

重力热管壁温与传热特性的实验分析

使用FC-72、乙醇和水作为工质,根据热管各部分的温度变化,研究重力热管的启动、壁温波动和传热性能,分析工质对重力热管壁温和传热特性的综合影响.实验结果表明:重力热管在启动和运行过程中的壁温波动与内部工质和加热功率等因素相关,使用FC-72作为工质时,重力热管可在加热功率Q=10 W时平稳启动,以乙醇为工质时虽在启动中有温度波动但当加热功率升高时波动消失,而充有水的重力热管在小功率启动时温度波动较大,且存在温度波动的功率范围较广.所以FC-72或乙醇为工质时热管壁温稳定性较好;而以水作为工质时热管整体传热性能较好,冷凝热阻较小.同时蒸发段的轴向温度均匀性受工质类型和加热功率影响,在加热功率较小时,以FC-72为工质的热管蒸发段轴向均温性较差.     

不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能研究

吸液芯结构对超薄平板热管的传热性能有很大影响.为对比不同结构吸液芯的超薄平板热管传热性能,研制了4种吸液芯的超薄平板热管并进行传热性能实验.结果发现:120～200目烧结芯超薄平板热管的热阻最低,在稳定工作时蒸发端温度最低,启动时间最短;在相近孔隙率下,烧结芯热管比丝网芯热管的传热性能好,粉末烧结结构比网状结构更利于改善毛细力和强化沸腾.     

复合吸液芯微细直径热管的传热性能分析

对3种复合吸液芯微细直径热管(外径2 mm)进行了理论分析和实验研究,3种吸液芯分别为铜粉丝网复合吸液芯(SMCP)、泡沫铜丝网复合吸液芯(SMCF)和复合丝网吸液芯(MSM);结合毛细极限理论分析了这3种热管的极限传热功率,并分析其在不同充液率下的极限传热功率、轴向温度分布和蒸发冷凝热阻特性.结果表明:SMCP、SMCF和MSM热管的最佳充液率分别为110%、95%和90%,此时其极限传热功率均为7 W,与理论计算值接近;3种热管的轴向温差随着加热功率的增大而增大,其轴向温差最大值分别为4.22、4.20和4.90℃;随着加热功率的增大,蒸发热阻逐渐增大;充液率较低时,冷凝热阻变化幅度不大,充液率较高时,SMCP热管的冷凝热阻出现较大幅度波动,而SMCF和MSM热管的冷凝热阻相对稳定;当3种热管的充液率为各自最佳充液率且加热功率为7 W时,其蒸发热阻分别为0.437、0.493和0.591℃/W,冷凝热阻分别为0.167、0.106和0.110℃/W.     

组合式吸液芯高温热管热阻和瞬时传热性能分析

根据碟式太阳能热管接收器的工作情况,开发设计了加工简便、成本较低的组合式吸液芯高温热管.对该热管建立了热阻模型,通过试验验证热阻模型的可靠性,并从温度、热阻和当量导热系数3方面与三角沟槽/金属丝网吸液芯热管进行比较,分析了热管瞬时传热性能.在相同的冷却工况下,与三角沟槽/金属丝网吸液芯热管相比,组合式吸液芯热阻稳定且较小,当量导热系数较大.因此,组合式吸液芯高温热管较三角沟槽/金属丝网吸液芯热管传热性能优良,可较好地应用于碟式太阳能接收器.     

纳米流体及分散剂对重力热管性能影响试验

为了研究纳米流体及分散剂对重力热管性能的影响,对各热管的启动性能(启动时间和启动温度)以及传热性能(稳定运行时管壁温度分布和总热阻的大小)进行了测试.结果表明:纳米颗粒的添加及其物理性质对热管的启动时间有影响,添加纳米流体的热管,启动时间较传统去离子水热管明显缩短1.3~3.2 min;分散剂的添加对热管的传热性能也有影响,在高热流密度工况下,以十二烷基硫酸钠(SDS)为分散剂的热管性能明显优于以阿拉伯树胶(AG)为分散剂的纳米流体热管;添加分散剂的纳米流体热管热阻较去离子水热管降低26.4%~63.9%.     

纤维复合沟槽吸液芯微热管的传热性能实验

为了进一步提高微热管的传热性能,提出了一种新型的纤维复合沟槽毛细吸液芯结构,对外径为8 mm、内部气体通道直径为4.5 mm的纤维复合沟槽的烧结式微热管(GF)进行了实验研究,其中填充纤维的长度分别为2和5mm(对应的微热管分别记作GF2和GF5),并将GF与铜粉复合沟槽微热管(GA)进行对比.结果发现GF的传热性能更好:GF2和GF5吸液芯的平均孔隙率分别可达71.6％和76.3％,并能实现孔隙率的区域化分布;GF2的极限传热功率高达140W以上,输入功率为20 ～ 70W时,蒸发段、冷凝段热阻和总热阻都较低,分别稳定在0.04、0.03和0.07℃/W附近,具有很高的热传导率;输入功率为70W以上时,冷凝段及总热阻都有明显上升趋势,但总热阻仍比GA的低;热管蒸发段温度与蒸发段热阻关系较密切,而总热阻的变化趋势则与冷凝段的基本相同.     

不同倾角下平板型环路热管的实验研究

为了解决电子元器件的高效散热问题,自行设计了一套平板型环路热管,从减小平板型环路热管背向漏热及改善系统内部流动性能方面,对蒸发器结构及管线布局进行改善,重点讨论了0°、30°、45°、60°、90°倾角时平板型环路热管的启动性能、运行特性及传热特性。结果发现:与0°倾角相比,有倾角存在时系统有更低的启动功率,在相同功率范围内,蒸发器运行温度更低,运行过程更加稳定,但对于倾角之间的各种情况,系统的运行特性差距很小;在传热性能方面,系统热阻都随功率的增加而减小,最后趋于平稳;在相同功率范围内,0°倾角时系统热阻略高于有倾角时的情况,而对于各倾角之间的情况,仅在功率很低(20W以内)时系统热阻差较大,但随着功率的增大,系统热阻变化基本一致。     

150～170K乙烯环路热管实验研究

为满足光学系统的热控要求,对拟采用的环路热管(LHP)进行了包括不同安装姿态下的启动、热响应和稳态传热特性在内的实验研究,以乙烯为工质,采用孔径为30～50mm的铜粉烧结毛细芯.三种姿态分别为:整体水平(姿态A),蒸发器和补偿器与水平面倾斜45°且保持蒸发器在补偿器上方(姿态B),以及蒸发器和补偿器与水平面倾斜45°且保持补偿器在蒸发器之上(姿态C).研究结果表明:LHP在三种姿态下均可在无次环路辅助的条件下实现超临界启动,但在姿态C下为逆向启动;姿态C下的LHP热响应速度快于姿态A和B;姿态C下LHP为逆向运行且温度出现反复波动,波动的幅度随热负荷变大而减小;姿态A和B下的LHP能正常运行,虽然传热温差随热负荷变化趋势不同,但是在10 W和20 W热负荷下运行的传热温差均小于15 K,能够满足应用需求.     

热管余热回收装置传热特性的模拟研究

为分析热管余热回收装置的运行特性,利用计算流体力学软件对装置进行了数值模拟,对热管换热器在不同结构形式(改变管排数、改变管间距)和不同入口参数(改变烟气的进口速度)时的换热过程进行模拟,获得不同情况下预热空气的温度,得出余热回收装置的最佳运行条件.模拟结果表明4排热管布置时换热效果优于5排,烟气进口速度增大时换热效果也会增强.     

新型重力热管换热器传热性能的实验研究

基于常规重力热管换热器难以安装翅片结构以强化管外换热,提出一种新型结构形式的重力热管换热器,该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成。并建立实验测试平台,进行一系列对比实验,重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响。研究结果表明:加热功率对热管的运行性能有重要影响;当工质充液率约为20%时,热管换热器具有最小运行热阻;在最佳充液率为20%和加热功率为360 W时,运行热阻随倾角的增加有减小趋势,但当加热功率较大时,倾角对热管换热器的运行热阻影响不大;随着冷凝端风速的增加,热管换热器的运行热阻不断减小。     

土壤源热泵地下U型埋管换热器传热模拟研究

介绍了几种常见土壤源热泵U型埋管换热器传热模型,建立了单U型垂直埋管换热器的非稳态传热模型.采用隐式有限差分法对冬季运行工况进行数值模拟,得到了U型埋管出口水温的变化规律及土壤温度场的分布规律.     

Poleward heat transport by the atmospheric heat engine

The atmospheric heat transport on Earth from the Equator to the poles is largely carried out by the mid-latitude storms. However, there is no satisfactory theory to describe this fundamental feature of the Earth's climate. Previous studies have characterized the poleward heat transport as a diffusion by eddies of specified horizontal length and velocity scales, but there is little agreement as to what those scales should be. Here we propose instead to regard the baroclinic zone--the zone of strong temperature gradients and active eddies--as a heat engine which generates eddy kinetic energy by transporting heat from a warmer to a colder region. This view leads to a new velocity scale, which we have tested along with previously proposed length and velocity scales, using numerical climate simulations in which the eddy properties have been varied by changing forcing and boundary conditions. The experiments show that the eddy velocity varies in accordance with the new scale, while the size of the eddies varies with the well-known Rhines beta-scale. Our results not only give new insight into atmospheric eddy heat transport, but also allow simple estimates of the intensities of mid-latitude storms, which have hitherto only been possible with expensive general circulation models.     

地源热泵埋管换热器传热模型的研究进展

分析了国内外地源热泵埋管换热器的传热模型,指出了目前尚存在的问题,提出建立考虑地下水运动影响的更完善的传热模型,这对地源热泵技术在我国南方富水土壤地区的有效推广和应用有着极为重要的意义.     

新型重力热管换热器传热特性的数值模拟

提出新型结构形式的重力热管换热器,通过合理简化,建立单根竖直管道的稳态传热物理模型,分别对冷凝段、绝热段和蒸发段建立相应的稳态传热数学模型,应用等热流密度边界条件并通过工程方程求解器(EES)进行了数值计算.计算结果表明:运行热阻计算值总体波动不大,计算结果不能很好地反应充液率对运行热阻的影响;液膜厚度随加热功率增大而增加;液池高度随充液率的增加而增加;充液率较小时,较低加热功率对应的液池高度大于较高加热功率对应的液池高度,充液率较大时,小加热功率对应的液池高度反而低于大加热功率对应的液池高度.     

采集凝固热热泵系统连续取热的参数条件分析

针对环境水源现状,提出采集凝固热热泵系统为建筑物供热的新思路.凝固换热器是该系统的关键设备之一,在介绍凝固换热器原理的基础上,对连续提取凝固热的参数条件及流动阻力问题进行了分析,所得结论将为该热泵系统的研究提供有益参考.     

管式换热器在混合气体余热回收中的传热优化

为了研究高温混合气体在管式换热器中的传热特性,基于k-ε湍流模型、传热理论和Maxwell-Stefan扩散理论建立三维稳态数值模型,分析物质扩散条件对换热器温度场分布的影响。对换热器进行参数化分析,如冷热流体入口温度、速度,并从?的角度探究换热器的热传递效率。研究发现,物质扩散改变了混合气体中各组分的分布,使在传热中占主导地位的氢气发生回流扩散,反复换热,消耗高温流体热量,降低了换热器的传热性能,与未考虑物质扩散因素相比,等效传热系数从16.564 W/(m~2·K)降为15.955 W/(m~2·K),且在一定的工况参数范围内,换热器的效率在10%～30%之间,冷却效果明显。     

地源热泵中U型埋管传热过程的数值模拟

以钻孔壁为界将U型埋管的换热区域划分为钻孔内外两部分,并分别采用稳态与非稳态传热来分析求解,两区域模型间通过钻孔壁温耦合连接,以构成完整的埋管传热模型.对于钻孔以外部分,采用变热流圆柱源模型来求解钻孔瞬时壁温.钻孔以内部分,在考虑埋管流体温度的沿程变化及U型管2支间热干扰的基础上,基于能量平衡建立了钻孔内U型埋管的稳态传热模型.用所建U型埋管传热模型对地源热泵系统的运行特性进行了动态模拟,得出了埋管出口流体温度、钻孔瞬时壁温、单位埋管吸热量及热泵COP随运行时间的变化规律.所建埋管模型可为地源热泵系统的动态模拟、优化设计及其改进提供参考.