一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统，其根据确定的工作温度区间，选择满足

【技术实现步骤摘要】
一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统
本专利技术涉及一种高效传热技术，具体涉及一种基于热压转换效应的在普通热管基础上发展起来的具有封闭循环回路的被动式传热技术。
技术介绍
随着现代高新技术的发展，新能源技术、节能减排、先进制造技术及新兴科学技术的快速发展使传热传质学不断面临着全新的挑战与难关，解决高热流密度散热与高效热传输问题已经突显出其重要性。许多设备单位面积上的热负荷越来越高，如：大型计算机、功率电子器件、电力设备、光电子元件的散热，反应堆传热，航天器、航空发动机和燃气轮机的热防护，大功率微型动力机械、兆瓦级磁控管、微小型燃气轮机的传热等等，而在这些承受高热负荷的场合，又常常要求器件安装紧凑，冷却温度要求严格，这对散热技术和设备提出很高的要求，散热问题也成为制约此类行业发展的瓶颈。现有技术中，有一些较先进的主动式传热技术，包括喷雾冷却、冲击射流冷却、微通道流动相变冷却技术等。由于主动式冷却技术皆需要配置外加驱动装置，在系统复杂度、可靠性、运行成本和便利性方面存在不利因素。微通道液体强制对流冷却方式的冷却能力很强，热阻很小，且不受重力和方向的影响，但由于流动通道的尺寸微小，系统存在压降大、温度梯度大、易结垢、堵塞等问题，另外该技术对各种微泵的性能要求极高。热管是一种常用的被动式(自驱动式)高效传热技术，传统热管因相变和回流的内在机制要求，受到方位和长度的限制，受重力和加速度的影响大，在应用中，结构设计的自由度较低，难以做成较为复杂的系统。而脉动式热管的工作范围较窄，存在起动困难、难以适应热负荷变动等问题，应用范围有限。已知现有热管，尝试使工质达到超临界状态，通过压力波形式进行传热，虽然传热性能好，但是对壳体的耐压要求高，且无法利用潜热。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有热管存在的各种弊端，提供一种基于热压转换效应的传热方法及传热系统，可以实现比普通热管更强更快的热传递，且结构设计自由，受重力过载的影响小。为实现本专利技术的目的，采用的技术方案是：一种基于热压转换效应的传热方法，其包括以下步骤:步骤1，提供一种传热系统，所述传热系统具有加热端和冷却端，加热端和冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路；步骤2，确定一工作温度区间T，根据所述工作温度区间T来选择导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动，作为优选，使且使所述导热工质在所述温度区间T内处于气液两相共存状态；步骤3，向所述封闭循环回路内充装所述导热工质，充装所述导热工质的质量由公式m＝ρ1V1+ρg(V-V1)确定，其中，m为导热工质充装质量，单位为kg；T1为工作温度，在进行所述充装质量计算时，取工作温度区间T的最高温度和最低温度的平均值作为T1的温度，单位为℃，V为封闭循环回路总容积，单位为m3，V1为所述工作温度T1下，所述封闭循环回路内导热工质的液态体积，以使工作时液相能够沿回路流动，或气相部分占比以不阻断液相沿回路流动为准，具体V1选取为V1＝(60％～99％)V，单位为m3，使内部液态工质维持60％～99％的状态，作为优选，使V1＝(75％～90％)V，ρ1为在所述工作温度T1时饱和液态工质的密度，单位为kg/m3，ρg为在所述工作温度T1时饱和气态工质的密度，单位kg/m3；步骤4，将所述加热端与热源紧密接触，将所述冷却端与冷源接触或对环境散热，所述加热端的液态导热工质受热产生热膨胀，形成压力波，压力波对液态工质产生挤压作用，驱动液态工质循环流动，流至冷却端散热后再流动至加热端,如此循环,使热压转换效应持续维持。本专利技术的技术方案基于热压转换效应实现高效的热传递，由于热压转换效应的发生需要满足特定的条件，如果系统是开放的、或是封闭循环回路的刚性不足，压力波将无法在流体回路内反复传播，热压效应不能引起热化效果，因此也不能形成传热能力。而本专利技术采用封闭循环回路结构，且形成封闭循环回路的部件为刚性部件，足够承受导热工质的工作压力，以便液体导热工质产生的压力波能反复传播形成热化效应。而本专利技术采用封闭循环回路结构，且形成封闭循环回路的部件为刚性部件，其对压力波传递影响小，不会出现压力波传递受阻的情况。如果对加热端持续加热，液体可能远离饱和状态进入过热状态，就会脱离高效热压转换状态，只有在工作温度区间，液态导热工质占整个封闭循环回路总体积的60％～99％的范围内，热压转换效应才会得以持续。本专利技术根据实际的工作温度区间选用合适的导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：即要求所采用的导热工质在较小的温度变化下能产生较大的压力差,温差形成的压力差足以驱动流体克服回路的流动阻力而流动。在系统形成封闭循环回路时，加热端的热压波对流体有挤压作用，在回路内形成压力梯度，可以驱动液体做循环流动，加热部位的液体被带走，从而避免因长期驻留形成过热汽化，同时，补充过来的液体接近饱和，可以很快进入高效的热压转换状态。如此循环往复，持续的热压转换效应得以维持。越大，压力梯度越大，自循环效果越好，热压转换超强传热现象也越明显。同样，由于气相能对压力波产生很强的衰减作用，如果回路内液体占比不大，气相空间较多，也不会形成热化效果，本专利技术为了使导热工质在工作温度区间时，内部液态导热工质维持60％～99％的状态，从而使液态导热工质基本处于满液状态，在根据计算公式进行计算时，选取V1＝(60％～99％)V，保证热压转换传热系统正常工作。在液态工质占比所选的范围内，液态工质体积占比越高，热压转换超强传热现象越明显。在工作温度下，各种常见的无机液体、有机液体、制冷剂和液态金属均可以作为导热工质，可以是单一导热工质，也可以是互溶的混合导热工质，根据工作温度、工作场合进行选用；在选用混合导热工质时，充装质量的计算公式中，ρ1和ρg为混合导热工质在所述工作温度T1时，饱和液态混合工质的密度和饱和气态混合工质的密度；优选的，所述导热工质选自水、丙酮、甲醇、乙醇、制冷剂(R134a，R410A等)、氨、导热姆、NaK合金、钾、钠、锂中的其中一种。优选的，当所述工作温度区间在-40℃到100℃范围内时，选取的导热工质为R134a。优选的，当所述工作温度区间在80℃到360℃范围内时，选取的导热工质为水。为实现本专利技术的目的，还提供一种基于热压转换效应的传热系统，用于实现所述的传热方法，传热系统包括与热源接触的加热端、与冷源接触或对环境散热的冷却端；所述加热端和所述冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路。优选的，所述刚性部件的材料为金属材料，选自铜、铜合金、铝、铝合金、钛合金、镍基高温合金、钢中的任意一种。优选的，所述加热端或冷却端分别做成蛇形管形式、管排形式、板状通道形式中的任意一种。优选的，所述连接通道选自椭圆式通道、弯曲式通道、吹胀式通道中的任一种。优选的，所述封闭循环回路可以是单通道回路，也可以是多通道并联的回路。本专利技术采用的封闭循环回路结构对压力波传递影响小，不会出现压力波传递受阻的情况。优选的，由于液体的热膨胀特性，为了适应不同温度条件下的传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热压转换效应的传热方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤1，提供一种传热系统，所述传热系统具有加热端和冷却端，加热端和冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路；步骤2，确定一工作温度区间T，根据所述工作温度区间T来选择导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：

【技术特征摘要】
1.一种基于热压转换效应的传热方法，其特征在于，包括以下步骤:步骤1，提供一种传热系统，所述传热系统具有加热端和冷却端，加热端和冷却端之间由至少两条连接通道连通，所述加热端、冷却端和连接通道均为刚性部件，且共同形成一个封闭循环回路；步骤2，确定一工作温度区间T，根据所述工作温度区间T来选择导热工质，使所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：且使所述导热工质在所述温度区间T内处于气液两相共存状态；步骤3，向所述封闭循环回路内充装所述导热工质，充装所述导热工质的质量由公式m＝ρ1V1+ρg(V-V1)确定，其中，m为导热工质充装质量，单位为kg，T1为工作温度，在进行所述充装质量计算时，取工作温度区间T的最高温度和最低温度的平均值作为T1的温度，单位为℃，V为封闭循环回路总容积，单位为m3，V1为所述工作温度T1下，所述封闭循环回路内导热工质的液态体积，V1选取为V1＝(60％～99％)V，单位为m3，ρ1为在所述工作温度T1时饱和液态工质的密度，单位为kg/m3，ρg为在所述工作温度T1时饱和气态工质的密度，单位为kg/m3；步骤4，将所述加热端与热源紧密接触，将所述冷却端与冷源接触或对环境散热，所述加热端的液态导热工质受热产生热膨胀，形成压力波，压力波对液态工质产生挤压作用，驱动液态工质循环流动，流至冷却端散热后再流动至加热端,如此循环,使热压转换效应持续维持。2.如权利要求1所述的传热方法，其特征在于，步骤2中，所述导热工质在所述工作温度区间内对应的工质压力P的变化满足：3...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜玉雁，李铁，李玉华，袁达忠，李志刚，王涛，唐大伟，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11