熱二極體熱管

熱二極體熱管（即 熱二極體）是指一種只允許熱流向一個方向流動，而不允許向相反的方向流動的熱管。熱二極體工作原理是通過工質在蒸發段受熱蒸發汽化,在重力場、加速壓差的作用下流向冷凝段,並在冷凝段放出熱量凝結為液體。冷凝液體依靠重力作用流回蒸發段,然後再繼續蒸發、冷凝,如此實現熱量從蒸發段到冷凝段的傳遞和工質在管內的循環。詳細介紹了熱二極體的工作原理、特點、傳熱分析、影響傳熱的因素以及其套用。

基本介紹

• 中文名：熱二極體熱管
• 外文名：Heat pipe thermal diode
• 簡稱：熱二極體
• 英文簡稱：thermal diode
• 領域：能源
• 學科：熱力學

熱二極體工作原理

雖然不同類型的熱二極體結構有所區別，但都包括蒸發段、絕熱段,冷凝段三個部分。
熱二極體工作原理是通過工質在蒸發段受熱蒸發汽化,在重力場、加速壓差的作用下流向冷凝段,並在冷凝段放出熱量凝結為液體。冷凝液體依靠重力作用流回蒸發段,然後再繼續蒸發、冷凝,如此三種式熱二極體結構實現熱量從蒸發段到冷凝段的傳遞和工質在管內的循環。

對於熱虹吸管和分離式熱管,由於冷凝液從冷凝段返回蒸發段是依靠重力作用實現的,故這兩種熱二極體的蒸發段必須置於冷凝段下方,所以它們都是單向(由下向上)傳熱的熱二極體。而張仁元教授等學者提出的兩相雙向熱二極體概念,則能夠通過改變絕熱段傾角來改變傳熱方向。另外,兩相雙向熱二極體內蒸汽和冷凝回流液相互是不接觸的,沒有汽液交界面的剪下現象,所以不存在攜帶傳熱極限。表1對這三種熱二極體主要特徵進行了比較。

熱二極體類型	傳熱方式	傳熱方向	攜帶極限	套用範圍
熱虹吸管	相變	單向	有	一般
分離式熱管	相變	單向	無	較廣
兩相雙向熱二極體	相變	雙向	無	最廣

熱二極體的特點

1)熱二極體在進入正常工作狀態前存在一個啟動階段.此階段的加熱段溫度表現為突然躍升和急劇下降,而冷凝段溫度則幾乎不變.整個啟動約在3min內完成,啟動性能令人滿意.

2)熱二極體正常工作時具有良好的等溫性,能夠在小溫差下傳遞大量的熱.同時也是衡量工作性能優劣的指標之一.

3)熱二極體壁面溫度隨著輸入功率的增加而呈現升高趨勢.當加熱段溫度出現明顯躍升時,可認為已達到了熱二極體的傳熱極限.此時輸出功率不會隨著輸入功率的增加而提高.

熱二極體傳熱分析

蒸發段傳熱分析

熱二極體蒸發段內主要進行的是管內對流沸騰換熱,其內部傳熱過程包括兩相流動和相變傳熱。

B.Jiao和L.M.Qiu]等人指出閉式熱虹吸管蒸發段液池記憶體在自然對流蒸發與核態沸騰蒸發兩種換熱模式。在低熱流密度時主要是前者,高熱流密度時則以核態沸騰蒸發為主。G.F.Tang和D.Liu等學者則討論了分離式熱管蒸發段的傳熱特徵,並指出分離式熱管蒸發段是一均勻受熱管,管內呈汽液兩相流動。兩相雙向熱二極體蒸發段的換熱模式類似於分離式熱管。但由於其工作時處於傾斜狀態,管內工質流型、換熱強度均與熱虹吸管和分離式熱管有所區別。

當充液率大於30%時,熱二極體蒸發段內主要進行的是核態沸騰換熱。

冷凝段傳熱分析

熱二極體冷凝段內,假定飽和蒸汽沒有不凝性氣體,豎直管內主要進行的是汽液混流的凝結換熱過程。對於高度不大、熱流密度較低、工質能夠浸潤管內壁面的情況下,可以認為冷凝段的傳熱方式是飽和蒸汽的層流膜狀凝結換熱,可採用Nusselt豎壁層流膜狀凝結理論來計算冷凝段平均換熱係數。

影響熱二極體傳熱因素

影響重力式熱二極體傳熱能力的因素很多,其中包括傾斜角度、工質充液率、工質的物理性質等。

傾斜角度的影響

熱二極體在一定傾斜角度下工作時,其傳熱效率高低一般與工質液體沖刷運動的頻率和沖刷距離有關。沖刷頻率越高,沖刷距離越遠,則傳熱效率越高。

朱玉琴和Kanji分別通過實驗得出相同結論:分離式熱管和熱虹吸管換熱係數先隨傾角的增大而增加,在傾角為16～18°時達到最大值,19°以後有所下降。廣東工業大學張仁元教授等人則認為,兩相雙向熱二極體加熱段傾角在熱二極體導通後對傳熱影響相當小,它主要影響達到穩定導熱所需的絕熱段傾角大小。

工質充液率的影響

重力式熱二極體工質充液率的大小,也會很大程度影響其傳熱性能。充液率過大,汽液混和物容易進入冷凝段,加大冷凝段熱阻,降低系統傳熱性能;充液量過小,則容易出現極度乾涸現象,引起傳熱惡化。

T.Payakaruk等人對一根內徑為7.5mm,工質為R123的熱虹吸管進行了實驗。結果表明,在一定傾角範圍,充液率為50%時傳熱效果最好。天津大學王一平等人對銅-R22的分離式熱管實驗研究表明,其合理充液率為80%～100%。文獻則認為充液率大小隻對熱二極體達到導通狀態所需的絕熱段傾角大小有影響。充液量越小,要達到導通狀態的絕熱段傾角就越大。

工質物理性質的影響

工質的熱物理性質,如汽化潛熱、熱穩定性、導熱率、汽液相粘度等都會影響熱二極體的傳熱性能。

江蘇理工大學魏琪等人對純水工質和水-甲醇混合工質的熱虹吸管進行了對比實驗。結果表明,混合工質熱管的壁溫高於純工質熱管的壁溫。Mehmet Esen等國外學者通過實驗,研究了R-134a、R407C、R410A這三種不同工質對兩相閉式熱虹吸管太陽能熱水器傳熱性能的影響。結果表明,分別充注這三種工質的裝置最高集熱效率依次為48.72%,49.43%和50.84%。R410A之所以表現出較好的傳熱性能,主要因為其具有較高的汽化潛熱和熱導率,以及較低的粘性係數。

熱二極體的套用

由於熱二極體具有結構簡單、傳熱效率高等特點,其在國民經濟建設各領域都得到了一定程度的套用。

熱二極體與建築一體化

矩形迴路式兩相雙向熱二極體概念最早由K.Chen提出。W.Chun等國外學者則把這一概念與建築一體化相結合。兩根矩形熱二極體分別安置於集熱板和輻射散熱板之間,其中作為蒸發段的水平部分焊接在塗有黑色塗層的集熱板上,而作為冷凝段的水平部分則焊接在冷凝散熱平板上。水平管和傾斜管用可旋轉的聯軸節連線,以實現垂直方向上的高低位置調節。
白天,調節蒸發段低於冷凝段,通過工質吸收室外熱量汽化,並在冷凝段凝結放熱,把熱量從室外帶至室內,使得室內溫暖舒適;晚上,調節蒸發段高於冷凝段,由於室內溫度高於室外,熱二極體處於反向截止狀態,可阻斷室內熱能向外散失,使得室內不至於太冷,從而達到保溫目的。該系統的優點是結構簡單、控制方便、可實現雙向傳熱或截止傳熱。

熱二極體太陽灶

Khalifa等人研製了一種新型的分離式熱管太陽灶。該裝置由1m²的平板集熱器、銅-丙酮分離式熱管和一個與之相連的烹調箱組成。熱二極體蒸發段置於有三層玻璃的平板集熱器內,黑色銅皮緊壓在蒸發段上以增大吸熱面積。集熱器底部填充有15mm厚玻璃棉以作隔熱層。外壁絕熱的烹調箱內設定有一淺油池,熱二極體冷凝段沉浸其中。工作原理是工質在蒸發段內吸熱汽化,經上升管進入冷凝段凝結放熱,並通過油池(傳熱介質)傳遞熱量給炊具。經測試,該太陽灶總能量利用率可達到19%。

該裝置優點是結構簡單,安裝方便,且不需對太陽進行跟蹤,相對於傳統式太陽灶可省去手動調節的麻煩。但缺點是冷凝段換熱面積較小,且由於熱管內蒸汽與冷凝回流液運動方向相反,存在攜帶現象,會造成傳熱能力的削弱。

熱二極體太陽能熱水器

太陽能熱二極體熱水器系統由平板集熱器和置於集熱器背部的儲水箱組成。集熱器採光面積為1.8m²,主要部件包括單層低鐵玻璃、帶選擇性吸收塗層翅片板的熱二極體,以及耐熱保溫棉。熱水箱是一個直徑為40cm的圓柱形容器,熱二極體冷凝段沉浸其中。工質通過在蒸發段吸收太陽輻射能汽化後,在冷凝段凝結放出熱量,從而加熱儲水箱內的水。系統在不同的蒸發段和水箱溫差下的工作效率:當溫差為18℃、20℃、27℃時,工作效率分別為0.39、0.51、0.60。該系統優點是集熱效率較高,瞬時效率最高可達63%;結構簡單,無運動部件;具有較好的防凍性能。缺點是啟動時間較長,工質流動阻力較大。

展望

由於熱二極體具有結構簡單,熱流可控,傳熱能力大等優點,吸引了國內外眾多專家學者對其開展相關研究,不過現階段無論是在理論研究還是在套用推廣方面都還存在較大不足。這主要體現在:

①熱二極體內部存在兩相流和相變傳熱,換熱機理相對複雜,不少涉及傳熱換熱問題尚待解決;

②目前為止還沒有一套完整的理論公式可用於設計計算,主要還是通過具體實驗來測定相關工作參數;

③新產品的生產成本比較高,工藝技術還不成熟,市場化套用還有一定難度。

不過隨著人們對熱二極體的進一步深入研究,無論是在與新能源的相結合上,還是在傳統的石油化工餘熱回收領域中,其利用價值將會得到進一步體現,從而更具廣闊發展前景。