CN104119839B - 一种用于脉动热管相变传热的混合工质及其确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于脉动热管相变传热的混合工质的确定方法，包含五个基本条件：1、两种工质不互溶或部分互溶，混合后仍能分层；2：所述工质一的沸点高于工质二5～80℃；3：所述工质一的密度为工质二的20～98％；4：所述工质一的比热容为工质二的1.1～10倍；5：所述工质一的相变潜热为工质二的1.1～10倍。由此确定混合工质中高沸点和低沸点工质的质量分数分别为5％～95％和95％～5％，优选为30％～70％和70％～30％。混合工质的使用拓展了脉动热管的工作温度，有效克服了脉动热管的蒸发段热流密度低时无法启动运行以及蒸发段热流密度高时因达到传热极限而导致工质会被烧干的两种失效形式。

Description

一种用于脉动热管相变传热的混合工质及其确定方法

技术领域

本发明涉及相变热管传热领域技术，具体涉及一种用于脉动热管相变传热的混合工质及其确定方法。

背景技术

相变热管作为一种高效传热技术，在航空航天、工业及民用领域均有较为广泛的应用。传统的相变热管较之于金属银、铜、铝等普通方式的传热介质，其传热能力即可达数百甚至上千倍。脉动热管是上世纪90年代提出的一种新型高效的相变热管，脉动热管按照其封装形式，可以分为回路型(Looped)和非回路型(Unlooped)两种，是将一根毛细管抽真空，然后部分充注工质(如水、氟利昂、乙醇等)，在管内就会形成间歇的气塞和液塞，根据需要将毛细管弯成蛇形结构而形成。

脉动热管从吸热到放热过程，按照其各部分吸热与放热可以分为蒸发段、绝热段和冷凝段三部分，其工作原理为：蒸发段管内液体工质受热气化，气体工质吸热膨胀，集热端压力升高推动工质脉动涌向冷凝段，冷凝段工质冷凝，气体工质放热，压力降低，由于管内气塞和液塞分布不均匀导致脉动热管沿程的压力分布不均匀，管内工质会形成有脉动的循环，将热量从蒸发段传递到冷凝端，从而实现高效的热量传递。脉动热管传热过程中，蒸发段工质的相变提供工质脉动传热的动力，冷凝段既包含相变传热又包含对流传热。脉动热管传热的实质是以工质相变提供脉动动力、以显热换热为主要换热方式的传热。

但是，当前脉动热管传热技术有两种失效形式：

当蒸发段热流密度较低时，蒸发段温度低，致使蒸发段无法形成使工质相变的有效过热，工质不会沸腾，此时热管的传热方式是导热和微弱的自然对流，传热能力低，热管高效传热能力无法发挥和体现而失效，

当蒸发段热流密度过高时因达到传热极限工质会被烧干而失效，这种失效方式主要出现在当工质采用一元工质的情形。因为当热管内充灌的工质为一元工质时，工质相变温度固定且相变温度只与工质的饱和蒸汽压有关。当蒸发段热流密度较高时由于热管的工作温度与工质的相变温度相差较大，便会在蒸发段形成较高的过热温度，工质在蒸发段剧烈沸腾，工质很可能被产生的蒸气直接冲入冷凝段而无法回流到蒸发段而造成热管蒸发段烧干，蒸发段热量无法通过相变传递出去而导致传热恶化，甚至因为蒸发温度急剧上升出现热管烧毁的现象。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种用于脉动热管相变传热的混合工质及其确定方法，通过确定由低沸点工质和高沸点工质组成的混合工质，拓展了脉动热管的工作温度，避免了脉动热管的蒸发段热流密度低时无法启动运行和蒸发段热流密度高时达到传热极限而出现的工质会被烧干的失效形式的出现。

本发明采用的技术方案具体为：一种用于脉动热管相变传热的混合工质，由工质一和工质二按比例均匀混合组成，所述工质一为高沸点工质，所述工质二为低沸点工质，所述高沸点工质的质量分数为5％～95％，所述低沸点工质的质量分数为95％～5％。

所述高沸点工质质量分数为30％～70％，所述低沸点工质质量分数为70％～30％。

所述高沸点工质为水(H₂O)。

所述低沸点工质为HFC-32(二氟甲烷)、HFC-123(三氟二氯乙烷)HFC-245fa、(1,1,1,3,3-五氟丙烷)、HFC-134a(1,1,1,2-四氟丙烷)HFC-245fa、(1,1,1,3,3-五氟丙烷)或者FC-72(全氟己烷)中的一种。

所述高沸点工质为水银(Hg)。

所述低沸点工质为钠(Na)、铷(Rb)或者锂(Li)中的一种。

一种用于脉动热管相变传热的混合工质的确定方法，作为高沸点工质的工质一和低沸点工质的工质二根据如下条件确定：

条件1：所述工质一和工质二不互溶或者部分互溶，且所述工质一和工质二均匀混合后仍能分层；

条件2：所述工质一的沸点高于工质二5～80℃；

条件3：所述工质一的密度为工质二的20～98％；

条件4：所述工质一的比热容为工质二的1.1～10倍；

条件5：所述工质一的相变潜热为工质二的1.1～10倍。

混合工质的确定是在脉动热管的原有工质的基础上，引入另一种辅助工质，具体确定方法为：

若所述原有工质的脉动热管易发生工质烧干的失效形式，则将所述辅助工质作为工质一，所述原有工质为工质二；

若所述原有工质的脉动热管易发生无法启动的失效形式，则将所述原有工质作为工质一，所述辅助工质为工质二。

本发明产生的有益效果是：根据本发明的混合工质确定出的混合工质，拓展了脉动热管的工作温度(例如，较之于水的沸点为100℃而言，混合工质对应的热管工作温度范围在30～150℃之间)，克服了脉动热管的蒸发段热流密度低时无法启动运行和蒸发段热流密度高时工质被烧干的失效形式，优化了脉动热管的工作性能和寿命周期。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

一种用于脉动热管相变传热的由高沸点工质和低沸点工质两种工质组成的混合工质确定方法，两种工质需要满足的五个基本条件包括：

1、两种工质不互溶或部分互溶，混合后仍能分层；

2：所述工质一的沸点高于工质二5～80℃；

3：所述工质一的密度低于工质二，为工质二密度的20～98％；

4：所述工质一的比热容大于工质二，为工质二的1.1～10倍；

5：所述工质一的相变潜热大于工质二，为工质二的1.1～10倍。

根据前述5个基本条件，在原有脉动热管工质的基础上引入一种辅助工质，如果应用原工质的脉动热管容易发生无法启动或者启动温差过大失效，则需要引入一种低沸点工质。在脉动热管原有工质的基础上，引入另一种辅助工质。辅助工质可以是工质一(高沸点工质)，可以是工质二(低沸点工质)，辅助工质作为工质一(高沸点工质)的确定原则是，应用原工质的脉动热管容易发生烧干失效，辅助工质作为工质二(高沸点工质)的确定原则是，应用原工质的脉动热管容易发生无法启动，启动温差过大失效。

工质一和工质二质量比例的确定原则是根据脉动热管的失效形式。如果脉动热管失效形式主要是烧干失效，则工质一的质量分数取接近最大值的端值；如果失效形式主要为启动温度高，则工质二的质量分数取接近最大值的端值。

如高沸点工质为水时，对应的低沸点工质可以是HFC-32(二氟甲烷)、HFC-123(三氟二氯乙烷)、HFC-245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)、HFC-134a(1,1,1,2-四氟丙烷)、HFC-245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)或者FC-72(全氟己烷)中的一种；当高沸点工质为汞时，对应的低沸点工质可以是钠(Na)、铷(Rb)或者锂(Li)中的一种。

上述高沸点工质为水的时候对应的两种工质的物理性能具体如表1所示：

表1 高沸点工质为水时对应的高低沸点工质性能参数

以确定出的由水和HFC-245fa组合成的混合工质为例，在高沸点工质质量分数为30％～70％、低沸点工质质量分数为70％～30％的范围内，在脉动热管充入质量分数均为50％的水和HFC-245fa，充注完成后，大部分的低沸点工质由于密度高(HFC-245fa)会积聚于脉动热管的底部(蒸发段)，而高沸点工质由于密度低(水)则会积聚于低沸点工质上方，当充注完成工质后的脉动热管用于传热时，积聚于蒸发段的低沸点工质首先吸热沸腾，然后低沸点工质的气泡穿过高沸点工质层时冷凝并将热量传递给高沸点工质同时推动高沸点工质向冷凝段脉动。高沸点工质在冷凝段被冷却温度降低。此时，脉动热管传热的实质是：低沸点工质相变提供脉动热管脉动传热的基本动力而高沸点工质脉动对流传热(散热)。可以看出，混合工质充分发挥了低沸点工质潜热小易沸腾和高沸点比热大对流传热系数高的优点，一方面脉动热管实现了比纯水温度低的启动温度，而且由于HFC-245fa的饱和蒸汽压力大于水，使脉动热管的运行压力与工质为单一的水相比大大增加，脉动热管的工作温度范围增加，具有了比纯水更高的烧干温度。

实验测试数据，脉动热管工作温度范围在30～150℃之间，可见通过分析脉动热管传热传质机理，确定出的混合工质可以在很大程度上有效规避包括蒸发段无法启动和工质烧干的两种失效形式。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于脉动热管相变传热的混合工质的确定方法，其特征在于，在脉动热管的原有工质的基础上，引入另一种辅助工质，且该辅助工质具体确定方法为：

若原有工质的脉动热管为易发生工质烧干的失效形式，则将辅助工质作为工质一，原有工质为工质二；

若原有工质的脉动热管为易发生无法启动的失效形式，则将原有工质作为工质一，辅助工质为工质二；

其中，作为高沸点工质的工质一和作为低沸点工质的工质二根据如下条件确定：

条件1：工质一和工质二不互溶或者部分互溶，且工质一和工质二均匀混合后仍能分层；

条件2：工质一的沸点高于工质二5～80℃；

条件3：工质一的密度为工质二的20～98％；

条件4：工质一的比热容为工质二的1.1～10倍；以及

条件5：工质一的相变潜热为工质二的1.1～10倍。