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非相变热管制作成功了(续二)

晨怡热管 海鸥能源有限公司 http://www.hai-oenergy.net 李居强 2008-12-22 13:07:37

非相变热管制作成功了

非相变热管制作成功了(续)

非相变热管制作成功了(续一)

再看看这几幅热成像

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单相对流导热状态

这是三幅环形单相导热器件的导热状态热成像图
加热模式为煤气喷烧器
第一图是以相对与冷却量较小的加热量加热,并使其工作在脉冲导热状态时的环温度和导热量。(从自上而下的冷却水的温度变化可以做出直观的判断)
请注意:其加热点上的最高温度为153.4摄氏度。

第二、三幅是急剧加大导热密度后,其环平均温度有所提升,并进入单相导热状态后的热成像。此时,在导热量增加的同时,(从冷却水温流经器件温度由40.4增至45.3度与从41.9增至48.8度便可以直观地做出判断)加热点上的最高温度却从原来的154度降到103度,可见其环温度更趋一致,热阻明显地大大降低了。

在这个实验中如果调节冷却水量也可以使各种加热量保持在同样的导热状态下。

这个实验再次证明了单相高导热机制的存在和可控性。其并不是不可捉摸的,而是具有规律可循的。其大密度导热,向下导热以及相应均温性完全是事实,而不是臆想或把戏。


从图中水温的提升情况也可以得知其导热量的状况:
这个玻璃缸的水溶量是10升左右,该器件在35.09-38.14的约三分钟时间内(见各图下方的成像时刻)将水温从37.8加热到了39度(观察玻璃缸上的温度测温点数据)或从40.4增加到41.9度(观察上端的冷却水出口温度测试点数据),即使扣除加热器部分热从水面加热的影响,其加热速度或加热量也是相当可观的。

关于非相变或单相流体高导热机制的几个基本问题

5,工作状态的进入
从前面的一系列的讨论和相关的热成像图片人们应该能够了解单相高导热器件的工作状态了。如果总结一下,那就是:单相高导热器件在工作的起始阶段必然会经过对流、相变、脉冲导热阶段,然后进入单相导热状态。只不过,在某些状态下可能并没有经过后两阶段,而直接进入单相高导热状态。这与相变热管的明显的启动状态是存在很大差别的。

6,什么是单相高导热状态?
单相高导热状态实际上是一个很宽泛的导热机制范畴,其具有很明显的相对性,所以在讨论其高导热状态时也必须相对而论。

*局部大密度加热:

在热管的导热局限中,无法承受局部大密度加热是热管无法提高导热量的一个瓶颈。所以,突破这个瓶颈就能获得更大的导热密度。

解决这个问题,单相高导热器件采取了与热管相反的机制。

热管采用的是尽量增加蒸发量和回流速度的解决思路。即认为,只要能最大限度将热带走,加热局部就不会过热。然而这个思路没有办法解决毛细力与局部热压作用力的矛盾。即当局部热压超出毛细力后,即使其有很多通道或很大的面积,液态工质也不可能被吸引到加热点的中心区,因此加热中心的热崩溃总会发生。即便加大充液率,也只能在一定的程度上得以改善。只要沸腾轻易发生,气泡必然发生,局部干涸现象也就不可避免。而热管不沸腾就不能启动导热。不沸腾不能工作,而沸腾必然引起局部干涸,而毛细力只能在低密度加热状态下改善回流状态,这就是热管的一个互为因果的死结。

单相高导热器件对此采取了相反的抑制沸腾发生的思路。而在封闭体系中抑制沸腾的最有效的办法就是提高体系内压力。只要形成适当的动态温压机制,体系内工质的沸点就会随着外部热流密度的增高而提高,致使沸腾现象被抑制或被限制在可以接受的范畴内。这样局部干涸就很难或不会发生。不仅如此,大密度的热还能因此而转换为以压力为基本性状的能量,并由工质的流动和压力的方式向冷凝区域传递。由于这样的传递动力是由加热和冷却状态决定的,因此,其也就必然会形成对流和膨缩状态的自动平衡。而不像热管那样气化速度只受到加热状态的影响。冷凝段对蒸发段的蒸发状态没有明显的抑制作用。加大冷却量反而加剧了加热段的干涸现象。
也正是抑制沸腾和对流量由热的输入和输出状态自动平衡这两个重要的因素,才在这方面形成单相高导热器件在比热管更好的导热性能。这个机制的形成还大大简化了导热器件的内部结构,使热管口径的微型化成为可能。

关于非相变或单相流体高导热机制的几个基本问题

*大密度向下导热

现在的热管和脉动热管都很难向下导热或向下大密度导热。

也许有人不同意上述的看法,认为烧结热管就能向下导热,或者脉动热管也可以向下导热。是的,它们都有一定程度的向下导热能力,但导热密度十分有限。与单相高导热器件相比其向下导热距离和密度都差距很大。

为什么?

也许先分析一下热的向下传导存在什么局限,或许能使我们从另一个角度发现向下导热的机制。

目前,热无法或很难在物质的自然热运动中向下传导的一个根本原因就是地球重力作用的影响。
这种影响一方面来自热对流体物质结构(或体积)的改变;另一方面来自不同流体结构(或体积)物质之间重力作用的差异。

正是这个原因,常态下,流体受热后必然向上运动,热也就无法自然向下传导。

所以,要想使流体不将或少将热向上传导就必须:
1,使热不能或尽量小地影响流体物质结构变化。
2,如果影响发生,则尽量使受影响的流体物质结构变化差异处在相对小的范围内。

这就是说:1,热致变化要小;2,变化差异要小。这也就是膨胀率要小,膨胀差异要小。

当实现这两点以后,重力作用的影响也就自然被降低至很小或相对小的程度。热的向下传导也就比较容易实现了。

而在自然状态下,或者在热管或脉动热管中,是无法实现上述要求的。也就是说其膨缩程度和膨缩差异是无法得到有效控制的。

虽然烧结热管可以通过毛细力实现液态工质的反重力爬升,但能力十分有限。当热作用达到一定的程度后,毛细力将失去作用,液气对流也就停止。
虽然脉冲热管可以通过温差形成的压力差使环管中的另一侧液体向下运动而将热向下传导。但,当热作用形成的膨胀差异达到一定的程度后,重力作用就越来越明显,最后也将导致这样的两侧温差对流停止。

这都是差异造成重力作用加强的结果。

单相高导热器件正是针对这样的现象进行精心的相对性设置。首先利用封闭体系相对动态地控制了工质膨缩程度;然后是相对动态地控制了工质的膨缩差异程度。从而最大程度地降低了重力作用的影响。于是,只要利用相对小的热作用力就能使热有效地向下传导。

单相高导热器件的向下导热,并非人们想象的只有单一模式,而是具有复杂的形态。从目前实验数据看其最少有以下形态:

1,温压差对流
2,压力差传递

温压差对流大家比较容易理解就是利用环路一侧的更高的膨胀力和另一侧更大的收缩力形成环路热对流。使热向下传导。

压力差传递就比较复杂。但道理也不难理解。这就是在环路中任意一点的压力都是朝环的相对背反的方向传导,而不是只朝一个方向传导。但是由于重力作用的差异,工质流动方向的差异,以及加热点和冷却点间距离的差异,往往造成压力传递上的差异。而大家都知道,封闭体系中压力与温度有关,当环路中出现局部压力差异时温度也就出现差异。于是有意识地控制压力差异点就能控制环路温度状态。从而控制热的向下传导状态。这样的热传递状况虽然会受到对流的影响,但与对流却没有直接的关系。因为压力传递和工质流动没有直接关系,只与工质流动时的温度有关。

这些都在已经贴出的热成像图中体现出来。

在这里,控制膨胀率实际上和上面谈到的控制沸腾是一回事儿。所以,大密度向下导热也就顺理成章。

那么控制膨胀差异和什么是一回事儿呢?

关于非相变或单相流体高导热机制的几个基本问题

*如何看待均温性

所谓控制膨胀差异实际上就是控制均温性。在封闭体系中只有控制了工质膨胀差异才能真正实现体系在各种导热状态下的均温性。

在热管特性评价中所谓的均温性实际上就是热阻大小的直观式评价标示。也就是说均温性越好,说明器件导热热阻越小。
然而热管的热阻和常态流体和固体的导热热阻并不相同。其热阻值并不是一成不变的,而是随封闭体系中工质的热运动形态变化而改变的。任何一支热管制作出来后,其最低热阻值都只能处在一定的工作状态或工作温度范围。超出此范围,热阻就会出现明显的差异。

在此论坛精灵曾经用电力学中的欧姆定律阐释过自己对热力学中的温度、热流密度和热阻的看法。认为温度、热流密度、热阻三者之间的关系类似电压、电流、电阻三者之间的关系。而热管规格与导线规格类似。也可以用上诉三个相互关系值确定其适用范围。
即,可以区分出相对高温,但小热流密度;相对低温,但大热流密度;一定温度和一定热流密度相适配的热管规格或特性,从而确定其适用范围。而不是一概强调绝对低热阻。因为那不现实。

另外,所有认真研究过热管特性的人都会发现,热管的均热性实际上都存在一个用内部条件无论如何都无法改变的差异值。也就是一个无法用解决内部工作条件而确定的热阻值。那就是地表工作状态中的重力作用影响。同一根热管只要置放的角度不同,其均温性或导热热阻就会出现差异。

再者,如果认真分析均温性与热阻之间的关系时,我们还发现均温性和热阻只在一定的概念范畴上重合。而不是同一概念。温度差异、特别是固定的温度差异并不是平时认定的热阻概念。因为如上所述,其与器件内部导热状况无关而与外部影响有关。即它不能用“热欧盟定律”来测算和衡量。也就是说温差与热流密度不存在常态的线性关系。

了解以上所述,也许我们就可以对热管或导热器件的均温性有一个更明确的认识。

单相高导热器件就是根据这样的认识来决定器件的均温特性的。即不追求绝对温差值而只追求相对温差值。即追求相对热流密度下的最小温差值;追求相对工作条件下的最小温差值。

在此,温差或均温性与热阻的概念就被在某种程度上分离开来了。热阻与热流密度和温度相关。而温差除此以外,还与导热方位和外力影响相关。

比如:在一个存在上下导热状态的导热体系中环均温性就存在热阻和导热方位温差两个组成因素。第一个体现为随热流密度变化而变化的特性。第二个体现为随导热方位变化而变化的特性。第二个一般上是相对稳定的温差。而第一个则是相对动态的温差。第一个称为热阻。第二个称为什么呢?或者暂时称为重力温差吧。因为其主要受重力作用影响。

热管、包括脉冲热管的相变机制能够实现以热阻为特征的均温性,而无法实现以重力温差为特征的相对均温性。所以,其只能在向上导热状态下保持良好的均温性。

单相高导热器件则不同。虽然其在以热阻为特征的绝对均温性上相对热管稍差,但其在以重力温差为特征的相对均温性方面却大大优于热管。即使是在热阻特征均温性上,当工作在大密度或超大密度工作状态时其相对均温性也大大优于热管。这在应用技术领域是具有重要意义的。

总而言之,在考虑均温性时,或者说对单相高导热器件的均温性进行设置和评价时并不单纯从绝对均温性或从绝对导热热阻角度角度分析考虑。而是从相对热阻温差和相对重力温差两个方面进行设置和评价。值得强调的是最终只取二者的最佳适配值,即强调工作条件下的最低导热热阻和导热方位温差。

责任编辑: banye 参与评论
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