[发明专利]一种用于一体化高温碱金属热管的设计方法

摘要

本发明公开了一种一体化高温碱金属热管的设计方法，步骤如下：1、根据总体要求确定所需热管的单根散热功率；2、根据热管工作条件确定工作液体；3、根据工作液体与管壳、吸液芯材料的相容性和强度要求确定管壁及吸液芯材料；4、初设热管蒸发段及冷凝段长度；5、根据声速极限确定蒸气腔直径；6、根据毛细极限设计吸液芯厚度及结构；7、核算工作液体的雷诺数是否符合要求；8、循环计算直至满足要求；9、核算热管的携带极限及沸腾极限；10、若不满足则重新设定热管蒸发段及冷凝段长度直至满足要求。本设计方法更充分考虑了高温热管的传热特性、传热极限和结构强度要求。从而本发明的方法所设计的高温热管设计参数更精确，可以更好地满足需求。

主权项

1.一种用于一体化高温碱金属热管的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：明确所设计热管的工作环境，包括工作温度、环境温度、环境湿度、单根热管所需功率和热管的结构强度；步骤2：根据热管工作的温度区间确定合适的热管工作液体：要求在热管工作时其工作液体必须处于气液两相状态，同时应该考虑物性、价格、热稳定性和有无毒性因素；其中各个热管工作液体传输因素好坏由下式决定：N为热管工作液体传输因素；σ为热管工作液体的表面张力系数；_ρ为热管工作液体密度；h_fg为热管工作液体的汽化潜热；μ为热管工作液体的动力粘度；步骤3：根据热管工作液体与热管的管壳、吸液芯材料的相容性和强度要求确定管壳及吸液芯材料：在确定热管工作液体后，在选择管壳和吸液芯材料时应首先满足相容性的要求，即热管工作液体与其接触的材料不发生化学物理反应或发生反应不会产生不凝气体或产生的气体不影响热管的运行；步骤4：核算选用管壳材料的强度并确定管壁厚度：由下式确定：式中，S为计算管壁厚度，p为设计压力，d_i为热管内径，[σ]^t为操作温度条件下的材料许用应力，φ为焊缝系数；步骤5：初设热管蒸发段和冷凝段的长度：由于热管的传热极限与蒸发段和冷凝段长度有关，将这两个参数作为输入参数进行迭代；步骤6：根据热管运行的声速极限确定蒸气腔直径的下限，由下式计算：其中，d_v为蒸气腔直径的下限；Q_max为热管轴向最大热流密度即声速极限；ρ_v，r_v，R_v，T_v分别为蒸气的密度，气体的比热容比，蒸气的气体常数，蒸气的温度；步骤7：根据毛细极限设计吸液芯厚度及结构：首先确定热管工作液体的总静压头，确定最大的毛细压力，然后确定丝网数目，最后确定吸液芯厚度；该过程分别由以下公式计算：P_g＝ρg(d_vcosφ₀+lsinφ₀)    (4)ΔP>2P_g                      (5)式中，P_g为热管工作液体的总静压头；l为热管总长；φ₀为热管倾角；ΔP为最大的毛细压力；N为丝网目数；R₁，R₂，R_C分别为毛细孔内外径和吸液芯有效毛细半径；δ为吸液芯厚度；A_w吸液芯横截面积；l_eff热管有效传热长度；K吸液芯的渗透率；σ为液态金属的表面张力；λ_eff是毛细吸液芯的有效热导率；λ_l是液态工质的热导率；λ_s为吸液芯丝网的热导率；ε为吸液芯孔隙率；m为液体动力粘度系数；步骤8：计算热管工作液体的雷诺数判断是否为层流，若不是层流则重复步骤7；步骤9：计算所设计热管的携带极限和沸腾极限要求是否超过热管的工作功率和轴向最大传热量，若没有超过则重复步骤5、6、7、8；携带极限和沸腾极限分别由下式计算：式中，l_e为热管绝热段长度；λ_eff是毛细吸液芯的有效热导率；T_v是蒸汽的温度；σ为液态金属的表面张力；h_fg是热管工作液体的汽化潜热；ρ_v是蒸汽的密度；r_i/r_v是热管内径和蒸汽腔直径之比；r_b是汽泡的汽化中心半径；Δp_c是最大毛细压力；ρ_v是气态蒸汽的密度；r_hs是毛细吸液芯的水力半径；A_V是液体流动截面积；步骤10：得出最佳的热管设计方案。