热二极管工作原理

虽然不同类型的热二极管结构有所区别，但都包括蒸发段、绝热段,冷凝段三个部分。热二极管工作原理是通过工质在蒸发段受热蒸发汽化,在重力场、加速压差的作用下流向冷凝段,并在冷凝段放出热量凝结为液体。冷凝液体依靠重力作用流回蒸发段,然后再继续蒸发、冷凝,如此三种式热二极管结构实现热量从蒸发段到冷凝段的传递和工质在管内的循环。

对于热虹吸管和分离式热管,由于冷凝液从冷凝段返回蒸发段是依靠重力作用实现的,故这两种热二极管的蒸发段必须置于冷凝段下方,所以它们都是单向(由下向上)传热的热二极管。而张仁元教授等学者提出的两相双向热二极管概念,则能够通过改变绝热段倾角来改变传热方向。另外,两相双向热二极管内蒸汽和冷凝回流液相互是不接触的,没有汽液交界面的剪切现象,所以不存在携带传热极限。表1对这三种热二极管主要特征进行了比较。

热二极管的特点

1)热二极管在进入正常工作状态前存在一个启动阶段.此阶段的加热段温度表现为突然跃升和急剧下降,而冷凝段温度则几乎不变.整个启动约在3min内完成,启动性能令人满意.

2)热二极管正常工作时具有良好的等温性,能够在小温差下传递大量的热.同时也是衡量工作性能优劣的指标之一.

3)热二极管壁面温度随着输入功率的增加而呈现升高趋势.当加热段温度出现明显跃升时,可认为已达到了热二极管的传热极限.此时输出功率不会随着输入功率的增加而提高.

热二极管传热分析

蒸发段传热分析

热二极管蒸发段内主要进行的是管内对流沸腾换热,其内部传热过程包括两相流动和相变传热。

B.Jiao和L.M.Qiu]等人指出闭式热虹吸管蒸发段液池内存在自然对流蒸发与核态沸腾蒸发两种换热模式。在低热流密度时主要是前者,高热流密度时则以核态沸腾蒸发为主。G.F.Tang和D.Liu等学者则讨论了分离式热管蒸发段的传热特征,并指出分离式热管蒸发段是一均匀受热管,管内呈汽液两相流动。两相双向热二极管蒸发段的换热模式类似于分离式热管。但由于其工作时处于倾斜状态,管内工质流型、换热强度均与热虹吸管和分离式热管有所区别。

当充液率大于30%时,热二极管蒸发段内主要进行的是核态沸腾换热。

冷凝段传热分析

热二极管冷凝段内,假定饱和蒸汽没有不凝性气体,竖直管内主要进行的是汽液混流的凝结换热过程。对于高度不大、热流密度较低、工质能够浸润管内壁面的情况下,可以认为冷凝段的传热方式是饱和蒸汽的层流膜状凝结换热,可采用Nusselt竖壁层流膜状凝结理论来计算冷凝段平均换热系数。

影响热二极管传热因素

影响重力式热二极管传热能力的因素很多,其中包括倾斜角度、工质充液率、工质的物理性质等。

倾斜角度的影响

热二极管在一定倾斜角度下工作时,其传热效率高低一般与工质液体冲刷运动的频率和冲刷距离有关。冲刷频率越高,冲刷距离越远,则传热效率越高。