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摘 要

热管是一种高效的传热元件，它内部的流动介质通过相变来传递热量，热阻很小，因此相对于同等尺寸的固体金属导热体，热管的传热效率都要高数倍至近千倍不等。在太阳能装置中，采用了大量的重力热管。太阳能吸收器中，重力热管中的液态流动介质依靠重力形成气液循环，因重力热管具有传热效率高、结构紧凑、流体阻力损失小等优点，重力热管被大量的运用于各种类型的太阳能装置中。

本文首先介绍了热管的基本工作原理和重力热管研究现状，分析了重力热管的内部传热过程，对重力热管冷凝段液膜换热和蒸发段液膜、液池换热两种情况进行了简要分析，列举了几种影响重力热管传热性能的因素，分析了重力热管干涸极限、携带极限、沸腾极限的产生机理。然后通过钢-水重力热管的实验平台，测量了 和 两种热管在不同加热功率（150W～450W）、不同倾角（0°～50°）、不同充液率（20%、40％、60％、80％、100％、120％）条件下的传热性能，并对实验结果进行了分析。

关键词：重力热管，传热效率，倾角，充液率

Abstract

Heat pipe is a highly efficient heat transfer element with little thermal resistance, which transfers heat through phase transformation by its internal flow medium. Therefore, compared with solid metal heat conductors of the same size, the heat transfer efficiency of heat pipe is several times to nearly one thousand times higher. In the solar energy device, a large number of gravity heat pipes are used. In solar energy absorber, the liquid flow medium in gravity heat pipe relies on gravity to form gas-liquid circulation. Because gravity heat pipe has the advantages of high heat transfer efficiency, compact structure and low fluid resistance loss, gravity heat pipe is widely used in various types of solar energy devices.

Firstly, this paper introduces the basic working principle of heat pipe and the research status of gravity heat pipe. The internal heat transfer process of gravity heat pipe is analyzed. The heat transfer of liquid film in condensation section and evaporation section of gravity heat pipe is briefly analyzed. Several factors affecting the heat transfer performance of gravity heat pipe are listed. The mechanism of drying out limit, carrying limit and boiling limit of gravity heat pipe is analyzed. Then, through the experimental platform of steel-water gravity heat pipe, the heat transfer performances of 和 heat pipes under different heating power (150W-450W), different inclination angle (0°-50°), different liquid filling rates (20%, 40%, 60%, 80%, 100%, 120%) were measured, and the experimental results were analyzed.

KEY WORDS: gravity heat-pipe; heat transfer efficiency; angle of lean; filling rate

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2热管的基本工作原理 2

1.3热管的分类与基本特点 2

1.4重力热管的研究现状 3

1.4.1重力热管理论分析研究 3

1.4.2重力热管实验研究 4

1.5本文的研究内容 5

第二章 重力热管传热理论 6

2.1冷凝段传热过程 6

2.2绝热段传热过程 7

2.3蒸发段传热过程 7

2.3.1蒸发段液膜传热过程 7

2.3.2蒸发段液池传热过程 8

2.4影响重力热管传热性的因素 9

2.4.1倾角对重力热管传热性能的影响 9

2.4.2充液率对重力热管传热性能的影响 10

2.5重力热管的传热极限 10

2.5.1携带极限 11

2.5.2沸腾极限 11

2.5.3干涸极限 11

第三章 重力热管设计与制造 12

3.1重力热管的设计 12

3.2重力热管制造 12

3.2.1部件清洗 13

3.2.2充液 13

第四章 碳钢-水重力热管的实验研究 14

4.1实验装置 14

4.1.1加热系统 14

4.1.2冷却系统 15

4.1.3温度测量系统 15

4.1.4实验段 15

4.2实验内容 16

4.3实验数据处理 16

4.4实验结果分析 17

4.4.1加热功率对热管传热性能的影响 17

4.4.2倾角对传热性能的影响 19

4.4.3充液率对传热性能的影响 21

4.5本章小结 22

第五章 结论 23

参考文献 24

致 谢 25

第一章 绪论

引言

在21世纪中叶，全球能源危机正在悄悄地来临，开发新的能源或者提高节能减排技术是现行应对能源危机最有效的方法。人类对能源的利用代表着人类文明的进步，而开发利用能源的水平代表这一个国家的科技水平。中国仍是发展中国家，能源资源十分匮乏短缺，而且对能源的利用水平不高。在世界范围内，我国一直是一次能源大国，我国一次能源消费占全球的 23%左右，除此之外，我国的工业废热回收率只有仅仅的33%左右^[1]，通过这一个数据可以看见我国的节能之路还很长远。因此研究和设计高效的换热设备成为了研究能源利用领域里的热点课题。能源危机越来越近，人类开放的新能源——太阳能，作为最具潜力的新能源也已经运用到各个领域的各种产热设备上。在太阳能装置中，采用了大量的重力热管，太阳能吸收器中，重力热管是液态流动介质依靠重力形成气液循环的热管。因重力热管具有传热效率高、结构紧凑、流体阻力损失小等优点，重力热管被大量的运用于各种类型的太阳能装置中。

热管是一种高效的传热元件，它内部的流动介质进行相变从而达到热量传递的目的，而整个循环过程又是通过气相和液相的密度之差完成的。根据实验测量，热管的导热性能是要比所有已经被发现的金属都要高。液体在完全封闭的真空管内蒸发，然后冷凝，这是一种相似于冰箱压缩机制冷的过程，主要是利用了毛细作用的原理。1944年，俄亥俄州的一家企业提出了热管这一模型^[2]，然而，如何利用与开发热管这一新兴产物却一直未能得到解决。

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