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1、传热学实验论文姓名：董亚东班级：安全卓越 1301 班学号：1303120121日期：2014.12.15对太阳能热管的了解及掌握董亚东，1303120121，安全工程卓越 1301 班摘要：热管是 20 世纪 60 年代发展起来的具有特别高的导热性能的传热元件。其结构较为简单。针对我国能源和环境所面临的巨大压力，并结合太阳能资源取之不尽、用之不竭、对环境无任何污染和西藏地区太阳能资源丰富的特点，对热管的工作原理进行分析。关键字：太阳能，高温热管ABSTRACTHeat pipe is a heat transfer element having a particularly high the
2、rmal conductivity of the 1960s to develop. Its structure is relatively simple. For the enormous pressure faced by our countrys energy and environment, and the combination of solar energy resources inexhaustible, no environmental pollution and abundant solar energy resources in Tibet regional charact
3、eristics of the working principle of the heat pipe analysis.关于太阳能热管问题的研究一国内外太阳毹资源的研究现状1.1.1 国内太阳能资源的研究现状现在世界上利用的化石能源主要有石油、煤和天然气。目前，人类使用的能源主要是化石能源由于燃烧人量的矿物燃料，已导致全球气温逐渐变暖，生态环境遭到了破坏，这已成为我们面临的重大问题随着问题的出现，新能源的利用越来越受到世界各国的关注，作为新能源之一的太阳能因其遍布地球，取之不尽，用之不竭的特性，以及对环境的无污染，成为了人类未来能源的最佳选择。我国有许多科技人员投身太阳能事业，积极向政府有关部
4、门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池也开始在地面应用。1975 年，在河南安阳召开了“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会” 。之后太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。与此同时，一些大学和科研院所也纷纷设立太阳能课题组和研究室或研究所。20 多年来，我国各种太阳能热利用技术获得不同程度的发展。国家。八五”计划安排了小型部件和材料的攻关项目，带有技术储备性质，目前还没有试验样机。 “十五”的“863计划”安捧了热发电的项目但是总体水平与国外差距很大” 。1.1.2 太阳能热管研究的背景太阳能的
5、资源虽然丰富，但能量密度很低。廉价而有效地利用太阳能成了开发太阳能的中心任务。在上世纪 70 年代，热管行业就介入了太阳能热利用的研究。1983 年第一届全国热管会议上广州能源所黄志诚和中科院工程热物理所吴文光等分别发表了太阳能热管的论文。他们的思路是：将热管接受器与复合抛物面聚光器配合收集太阳能的热量，再将收集到的热量作为吸收式冰箱的热源。不久江西科学院邵顺之提出了熟管式真空集热管的概念，在上海经济区热管会议上发表文章。北京太阳能研究所在国内率先对热管式太阳能真空集热管进行了系统的研究，将其制成太阳能热水器，成功地推向市场。浙江桐乡市美光太阳能工业有限责任公司与北京机械工业自动化研究所及上海
6、七一一研究所合作，开发成功热管式真空集热管太阳能热水器。将太阳能技术和高温热管技术结合起来进行太阳能聚焦高温热管的研究，是一个发展潜力巨大的新课题。1.1.3 太阳能热利用的发展太阳能热利用主要有以下儿种：太阳能热发电，太阳能空调，太阳能热水器，太阳能采暖，太阳能海水淡化，太阳能干燥和太阳灶等。1)太阳能热发电太阳能热发电大致可分为三种形式：塔式、槽式和碟式。槽式是目前唯一实现商业化的，塔式处于示范工程阶段，碟式处于研究示范阶段。美国 LUZ 公司 19851991 年间在美国南加州先后建成 9 座槽式太阳能发电站，总装机容量 3538 兆“71。Rocketdyne 公司在西班牙建立了一座
7、10 兆瓦和一座 20 兆瓦的示范型塔式发电站。美国亚利桑那公共服务公司将在亚利桑那州建造一个 280 兆+瓦的太阳能热发电项目，计划于 2011 年投产。据称，到 2013 年，仅在美围和西班牙开发的新项目其发电能力就可增加到 6000 兆瓦，西班牙还有13 个电站在建，并且还有超过 200 个计划项目峭。我国热发电项目还处于研究示范的阶段。2005 年在中国工程院院士张耀明的带领下，在太阳能热发电聚光集热技术、高温接收器技术等方面取得了突破性进展，并率先在南京江宁经济开发区建成国内首座 70 千瓦塔式太阳能热发电示范工程，并成功发电。走出我国多年热发电技术研究徘徊不前的局面，揭开了我国热发
8、电技术研究全新的一页。由中国科学院电工研究所承担研究的亚洲首座兆瓦级太阳能塔式热发电项目在北京延庆县落户，该项目完成后，太阳能塔式热发电实验电站年发电量将达到 270 万度。2)太阳能热水器在太阳能产业的发展中，太阳能热利用转换中最为成熟的技术无疑是太阳能热水器，相比较光伏电池、太阳能发电等，其产业化进程也领先一步。现在的太阳能热水器已经由第一代“焖晒式发展到第四代“热管式”了。2007 年，中国太阳能热水器市场销售额约为 320 亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有 20 多家；2007 年，太阳能热水器的出口额增长约为 28，6500 万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等 50
9、 多个国家和地区。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍，北美的 4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年 2030的速度递增。2关于热管问题的研究 高温热管指工作温度在 450-1000范围内多以液态碱金属作为工作介质的热管 。 目前高温热管应用研究正在不断升温，其应用已渗透到石油、化工、建材、冶金和动力等领域。从高温热管目前的应用情况看，在设备运行可靠性、使用寿命、生产能力方面尚存在一定缺陷。未来高温热管研究将侧重解决这些问题。为设计制造一种能在 600环境下稳定工作的散热设备，需针对高温热管开展相关研究，以期利用高温热管作为传热元件，用于该
10、设备的制造。 对热管的理论分析l、冷凝段的数学模型在热管中，冷凝段的凝结现象有其复杂性。目前，大多数对热管的传热分析都是以 Nusselt 竖直壁面层流膜状凝结理论为基础进行的，Nusselt 竖直壁面层流膜状凝结理论假定汽一液界面剪切应力为零。而在实际的热管中，蒸汽向上流动，凝结液沿壁面向下流动，汽一液界面闻是存在剪切应力的。因此，以 Nusselt 竖直壁面层流膜状凝结理论为基础进行分析会产生明显的误差，有必要在考虑汽一液界面剪切应力的情况下重新建立模型进行分析，假定：(1)液膜很薄，忽略液膜厚度和曲率的影响；(2)液膜流动速度很低，液膜内的流动状态为层流：(3)汽一液界面无温差，汽一液界
11、面上的温度等于饱和温度；(4)蒸汽及冷凝液的物性参数为常数，蒸汽的密度和冷凝液的密度相比可以忽略不计；(5)液膜内的热量传递只有导热，而无对流作用；(6)液膜表面光滑平整无波动；(7)动量方程和能量方程中忽略对流项和液膜惯性力的影响；(8)液膜的过冷度可以忽略不计。2.蒸发段的数据模型热管蒸发段的相变换热由池沸腾换热和液膜蒸发换热两部分组成。蒸发段的传热机理是一种液池内沸腾和液池上回流液膜的薄膜蒸发传热过程。蒸发段的换热系数口。是由池沸腾换热系数口，和液膜蒸发换热系数口 r 两部分组成的，即因为液膜厚度相对于热管半径很小，可以忽略不计。根据热管开始运行前工质的质量与运行后热管内液体和蒸汽的质量
12、之和相等即可求出液池高度。3.整体热管的数学模型热管的工作过程如图 3-18 所示，热管工作时，热管的一端加热，热管内部的液体工质汽化，蒸汽在微小压力的作用下流向冷凝段，在冷凝段放出热量冷却后又重新变成液体，液体再沿着依靠毛细力作用返回到蒸发段，如此实现整个传热传质循环。把重力热管内部分为：液池区、液膜区、和蒸汽区。而液膜区又贯穿蒸发段、冷凝段和绝热段。为了简化分析，做出如下假定：蒸汽与液体的流动都看作是稳态的一维牛顿流动；在同一热量输入下蒸汽的热流密度变化忽略不计；蒸汽视为饱和蒸汽处理；液膜中的静压差忽略不计；轴向导热和粘性扩散忽略不计；蒸汽和液膜温度为饱和温度，液膜温度取蒸汽和内壁温度的平
13、均值；忽略蒸汽重力。（1）液膜区1.连续性方程在液膜区取如图 3-19 所示的微元体，则流入微元体的质量为：流出微元体的质量：由于液膜稳态流动，液膜密度随流动方向的改变可以忽略不计，由两者相等得：整理上式得：2.液膜的动量方程微元体内的动量变化为：微元体的受力情况：据此可得动量方程：整理得：式中：3.液膜的能量方程因为气液界面的导热和对流换热相对于相变换热很小，可以忽略不计。所以能量方程只考虑相交换热，对于所取的微元体：整理得：前者适用于等热流密度的边界条件，后者适用于第一类或第三类边界条件。换热系数由以下公式确定（3）液池中的主要控制方程1.质量平衡方程：在稳态工作条件下，任一时刻流进液池的
14、质量等于从液池表面蒸发的蒸汽质量，据此可以得出：整理得：2.能量方程液池吸收的能量与其表面蒸汽带走的能量相等，因此可以得到：3.边界条件对于热管顶端对于液池表面 由液池的质量平衡方程和能量方程得：（5）整个热管的主要控制方程1.质量平衡方程热管工质的质量为液池内的液体、液膜和蒸汽的质量的总和，运行过程中保持不变；则：2.能量平衡方程热管运行过程中，加热段流入的热量与冷凝段流出的热量相等，则整个热管的热量平衡方程为：用质量平衡方程确定液池高度，用能量平衡方程确定饱和蒸汽温度。结论分别对冷凝段、蒸发段以及热管的整体对热管进行分析与计算。考虑了汽一液界面剪切应力对太阳能聚焦高温热管建立数学模型，分析
15、太阳能聚焦高温热管的传热机理。加深了对太阳能聚焦高温热管工作的理解，对太阳能聚焦高温热管的实际应用和理论分析起到了积极的作用，对太阳能聚焦高温热管的设计也有一定的指导意义。3、要进一步精确太阳能高温热管冷凝段的传热模型，使其更加符合实际情况，这对实际情况更具有指导意义。4、要发展与完善太阳能高温热管蒸发段的传热模型，从蒸发段着手进一步强化太阳能聚焦高温热管的传热。参考文献：1.罗运俊，何梓年，王常贵，太阳能利用技术，化学工业出版社，20052.孙全平，陈晓华，陈金发，太阳能热管的研制和应用，能源技术，2002，6：1101123.喜文华，魏一康，张兰英，太阳能实用工程技术，兰州大学出版社，20014.杨世铭，陶文铨，传热学第四版
