潛熱傳遞

環路型脈動熱管在大功率穩態運行時，顯熱量傳遞占總傳熱量的比例遠超過相變傳熱量所占的比例，但是潛熱傳遞決定了運行的驅動力、循環流動的速度以及脈動熱管壁面的溫度波動；冷卻段熱沉的過冷度決定壁面溫度波動的振幅。

基本介紹

• 中文名：潛熱傳遞
• 外文名：Latent heat transfer
• 作用：熱量傳遞形式的描述歸納
• 套用：脈動熱管傳熱
• 學科：熱力學

概念

隨著傳輸功率的增大，循環流動的速度增加，毛細滯後阻力、摩擦阻力等都相應地增加，因此，所需要的驅動力也要增加。這樣，潛熱傳熱量與總傳熱量之比也要增加，而且管徑小時，增加的幅度要更大。流速增加。過冷工質流過加熱段的頻率要增加，以適應以顯熱為主、潛熱為輔的熱量增加傳輸需要。管徑增加，流速增加更加迅速，因此．壁面溫度波動的頻率幅度增大。

潛熱傳遞

外圍護結構的潛熱傳遞初探

通過對採用集中空調的高層建築兩個房間的對比測量，發現夏季外圍護結構不僅傳遞顯熱，而且傳遞潛熱，並因此消耗空調能量。同時發現冬季外圍護結構也同樣不僅傳遞顯熱，而且傳遞潛熱。為此得出結論，外圍護結構的建築節能不僅要考慮隔熱，而且要考慮隔濕。

夏季測試結果：A房間風機盤管出風溫度明顯低於B房間風機盤管出風溫度，平均溫差0.78℃，在近兩個月的測量期間，溫差最小為0.4℃，最大為1.6℃；溫差的變化與室外氣象條件有關。觀察A房間外牆密封薄膜，薄膜外側有細小露珠。

冬季測試結果：A房間的露點溫度明顯高於B房間的露點溫度。觀察A房間外牆密封薄膜，與夏季觀察結果相反，薄膜內側有細小露珠。

通過對A，B兩房間的夏季和冬季測量結果，得到以下結論：

（1）夏季外圍護結構的潛熱由室外向室內傳遞；

（2）冬季外圍護結構的潛熱由室內向室外傳遞。

高功率脈動熱管的運行機制

研究背景

脈動熱管PHP(Pulsating Heat Pipe)是一種新型熱管，結構必須是採用毛細管，這樣才能在管路中形成串接的汽塞和液塞，其運行機制與傳統熱管完全不同。

國內外對於脈動熱管已經有了一些研究，主要是一些概念性實驗和探討性的理論分析。例如，Akachi等建立了自激振動的物理模型；Sameer Khandekar等採用Matlab軟體，用人工神經網路的方法對於脈動熱管進行了分析；一些研究者進行了可視化實驗，對脈動熱管的流型等進行了觀測；Faghri等建立了具有開端管路的薄液膜蒸發、厚液膜冷卻模型；Wong T.N.等建立了模型，但忽略了蒸汽塞和管壁面間的液膜，沒有考慮表面張力的影響。總之，對於脈動熱管的一些關鍵問題，例如，如何最佳化設計、如何確定傳輸極限、溫度的波動問題等，還沒有得到解決。

研究的目的是，導出環路型脈動熱管物理機制的模型框架。首先是通過觀察到的環路型脈動熱管穩態運行實驗現象結果，對最常出現的額定工況建立物理和數學模型；然後是考察脈動熱管運行的物理機制，包括傳熱中顯熱和潛熱所占的份額及其對PHP運行的影響、脈動熱管的壁面溫度波動的原因等。這對於脈動熱管的設計具有重要意義。

理論分析

環路型脈動熱管穩態運行時，一部分液塞處於加熱段時，一部分熱量以顯熱的形式傳遞給液塞；當加熱段的液塞移動到冷卻段時，在加熱段吸收的顯熱傳遞給冷卻段的壁面，再到熱沉。由於液塞在毛細管中運動的速度較快，因此顯熱的貢獻也可能是很重要的。研究的模型考慮大功率運行的額定工況，並且得到了總傳熱量中的相變傳熱部分和顯熱傳熱部分二者的比例。

（1）物理模型

從對環路型脈動熱管可視化實驗的觀察結果來看，較大功率穩態工作時，汽、液塞處於穩定循環流動狀態。假設：1)加熱段和冷卻段中的瞬態過程可以忽略；2)蒸汽和液體處於相應的飽和狀態；3)蒸汽的狀態可由理想氣體的狀態方程描述；4)脈動熱管的壁溫波動是由於液塞的顯熱傳遞引起。

（2）數學模型

蒸發段和冷卻段間由於傳熱引起的驅動壓差ΔP_q和摩擦阻力引起的壓差ΔP_f、毛細滯後阻力引起的壓差ΔP_c和重力引起的壓差ΔP_g平衡。

取脈動熱管穩態運行時的一個具有代表性的單元體，包括一段加熱段、一段絕熱段和一段冷卻段。單元體的加熱段出口和冷卻段入口的液體的容積流量占總容積流量的比例相等。

結果和討論

（1）充液率和加熱段出口工質溫度的影響

當加熱段出口即冷卻段入口的工質的溫度增加時，潛熱傳遞所占總傳熱量的比例降低。顯熱傳熱量要靠溫差和熱容來的大小來實現。加熱段出口工質的溫度增加，意味著顯熱傳遞所占的比例增大，在總傳熱量不變的情況下，只要相變傳熱引起的加熱段出口和冷卻段入口的蒸汽密度差足夠克服毛細滯後阻力、摩擦阻力等，汽、液塞工質能夠循環流動起來，潛熱傳熱量所占的比例當然要降低。

圖 1 潛熱傳熱量與總傳熱量之比

當充液量增加時，一方面相變傳熱的面積減小；另一方面顯熱傳熱面積所占的比例增大，因而引起潛熱傳熱所占的比例減小，如圖1所示。

對於溫度波動頻率的影響，隨著加熱段出口工質溫度的增加，在傳輸功率一定的情況下，工質循環流動不需要更高的流速。由於顯熱傳輸占總傳熱量的比例是絕大部分，因此循環流速相應地要降低，這樣脈動熱管的溫度波動頻率相相應地降低。充液率較大時，顯熱傳熱量占總傳熱量的比例更大。在傳輸功率一定時，這就需要循環流速進一步降低，因此，充液率增加，溫度波動的頻率減小，如圖2所示。

圖 2 脈動熱管的加熱段出口工質溫度對壁溫波動頻率的影響

（2）管徑和傳熱量的影響

如圖3所示，隨著傳輸功率的增大，循環流動的速度增加，毛細滯後阻力、摩擦阻力等都相應地增加，因此，所需要的驅動力也要增加。這樣，潛熱傳熱量與總傳熱量之比也要增加，而且管徑小時，增加的幅度要更大。流速增加，過冷工質流過加熱段的頻率要增加，以適應以顯熱為主、潛熱為輔的熱量增加傳輸需要。管徑增加，流速增加更加迅速，因此，壁面溫度波動的頻率幅度增大。

圖 3 不同管徑時潛熱傳熱量與總傳熱量之比

（3）冷卻段長度和單元體長度的影響

隨著單元體長度的增加，在充液率不變的情況下，相應的工質的絕對量增加；另一方面，工質的循環流動所走過的路程也增加，兩方面的原因使脈動熱管運行時需要更大的驅動力，因此，相變傳熱量所占的比例要大大增加。對於參變數冷卻段長度，其改變主要是降低了冷卻段出口的蒸汽的壓力，加熱段出口的蒸汽壓力不變，則總的驅動力壓差增加較多，傳熱量保持不變，則循環流動的速度不需要改變很多，這樣需減小相變潛熱傳熱的相對量，即增大熱阻來實現。隨著單元體長度的增加，從冷卻段出口到加熱段入口的距離加大，因此脈動熱管壁面的溫度波動的周期增大，即脈動的頻率減小。冷卻段的長度在一定範圍內改變時，工質的循環流速變化不大，因此脈動熱管的溫度波動頻率變化不大。實驗表明，溫度波動頻率的分析結果與實驗值基本吻合。