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一种钠热管的设计
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摘要:根据设计参数,设计了一种钠热管,并对该钠热管的毛细极限、传递的最大功率、雷诺数、沸腾极限、携带极限、充灌量、不凝气体量及不凝气体对热管换热量的影响等进行了验算。结果表明:该钠热管的毛细极限、传递的最大功率、沸腾极限、携带极限均满足设计要求。雷诺数为151.28<2300,流动为层流。充灌量和不凝气体量分别为14.8g3.4×10-12g,不凝气体对热管的传热量几乎没有影响。

关键词:钠热管;设计;验算

热管的传热量和表观导热系数,是最优良金属导热体的1001000[1],因此广泛应用在空间技术、电子电器、能源动力、化工、轻工、冶金等领域。本文依据文献[1-6]的方法,根据设计要求,设计了一种钠热管,并对其相关参数进行了验算。这将为钠热管在工程中的加工及应用提供强有力的技术指导。

0 设计要求

设计初始假定工作温度1500K,取热管的外管径为25.4mm,热管的放置角度取70°,蒸发段位于冷凝段之上,管长取0.4m,蒸发段和冷凝段各取0.2m,设计传热的最大功率为215W

1 壳体材料

选用与钠相容的镍为壳体材料,取壁厚为1.65mm

2 热管的声速限

钠热管在1500K时,物理性质为

=3.577kJ/kg=2.425kg/m3=3.117×10-5Ns/m2=658 kg/m3

=1.2410-4 Ns/m2=33W/(mK)=8.2×10-2N/m

代入上如数据得到=1.21×10-4m

即只要蒸汽腔大于1.21×10-4m,即不会出现声速极限。

3 吸液芯的选择计算

根据热管的工作状况,决定选用镍制卷制丝网吸液芯进行设计。

3.1吸液芯所需克服的液柱静压头为

=2470N/m2

3.2选取丝网数目

根据文献,可取,所以,可求得=3.3×10-5m

查表得到,对多层丝网可取,因此,求得=15152m-1,这相当与英制385目,取标准390目,换算成公制为=15354 m-1

3.3最大毛细力

,得==3.26×10-5m

丝网差生的最大毛细压力为

=5031 N/m2

3.4吸液芯的渗透率

查表得卷绕丝网渗透率为,而

代入数据后,有=0.588=1.04×10-11m2

3.5吸液芯截面积

=9.23×10-5m2

吸液芯的厚度

=1.4×10-3m

3.6吸液芯的层数

已知丝径=3.26×10-5m,而每层网厚为,故层数=21.4

取整为22层,故实际网厚=1.43×10-3m

实际蒸汽腔直径为=-=1.8cm

4 验算

4.1毛细极限和计算传递的最大功率

吸液芯实际厚度下的毛细极限为

=9.43×10-5m2

蒸汽摩擦系数

=1.39×10-3N/(m2W)

液体摩擦系数

=53.7 N/(m2W)

所以,=238.45 W >215 W

4.2核算雷诺数

=151.28<2300,流动为层流。

4.3核算沸腾极限

=40.8W/(mK)

所以,=37.13kW>215 W

4.4核算携带极限

对于丝网吸液芯,有=1.63×10-5m

所以,=71.09kW

4.5热管的充灌量

=14.8 g

4.6真空度为时,不凝气体量

=1500K=10- 6torr

=3.4×10-12g

4.7不凝气体对热管换热量的影响

热管的周长和蒸汽腔的横截面积为

=7.98×10-2m

=2.54×10-4m

在最大传热负荷215W时,所需的冷凝段总长度可以计算如下:

蒸发段的蒸汽温度=冷凝段的蒸汽温度=1500K,假定管壳和浸满液体芯的组合传热系数为568W/m2K

5 结论

根据设计参数,设计了一种钠热管,并对该钠热管的毛细极限、传递的最大功率、雷诺数、沸腾极限、携带极限、充灌量、不凝气体量及不凝气体对热管换热量的影响等进行了验算。验算结果表明:该钠热管的毛细极限、传递的最大功率、沸腾极限、携带极限均满足设计要求。雷诺数为151.28<2300,流动为层流。充灌量和不凝气体量分别为14.8g3.4×10-12g,不凝气体对热管的传热量几乎没有影响。

参考文献

[1]S.W.纪著,姜章焰译.热管理论与实用[M].北京:科学出版社,1981,9.

[2]李婷寒,华诚生.热管设计与应用[M].北京:化学工业出版社,1987,8.

[3]郎逵,乔中复,尚国森.热管技术与应用[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,1984,9.

[4]P. D.邓恩, D. A. 雷伊著,周海云译. 热管[M].国防工业出版社,1982,2.

[5]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000,6.

[6]马同泽,侯增祺,吴文銧.热管[M].北京:科学出版社,1985,2(第二版).

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