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摘 要

脉动热管自20世纪90年代被日本学者Akachi提出以来，因其结构简单、传热性能突出、环境适应性强等优点迅速成为研究热点，目前的研究主要集中在如何提高其传热能力上，而脉动热管由于其诸多优点应有更广阔的应用空间。旨在拓展其应用空间，本文提出了一种脉动热管热电转化装置的设计方案，能够将脉动热管两端的热势差先转化为工质运动的动能再通过液态金属工质切割磁力线而产生电能。同时，本文提出了一套脉动热管内部工质动力学求解的理论，将脉动热管运行看作热机循环，并将其类比卡诺循环，引入流速系数进行修正，对脉动热管热电转化的热能到动能、动能到电能转化环节进行了理论论证和量化计算。最后，本文提出了将本方案扩大应用的探索性思考。

关键词：脉动热管、热机、卡诺循环、流速系数、热电转化

Design and theoretical analysis of the thermoelectric conversion device of the pulsating heat pipe

Abstract

Since the pulsating heat pipe was raised by Japanese scholars Akachi in 1990s, it has quickly became a hot research point due to its simple structure,outstanding heat transfer performance and high environmental adaptability .At present, the research mainly focuses on how to improve its heat transfer capability, while the pulsating heat pipe has a wider application space due to its many merits.Aim to expand the scope of its application, this paper proposes a pulsating heat pipe thermoelectric conversion device design that can switch the thermal potential difference of two ends in pulsating heat pipe to the kinetic energy of the working fluid firstly and turn the kinetic energy to electric energy through the liquid metal’s cutting magnetic line of force.At the same time,this page puts forward a set of theory to solve the internal working fluid dynamics that regards the pulsating heat pipe as a heat engine cycle and the analogy of Carnot cycle through the introduction of velocity coefficient. Towards both the course of thermal energy to kinetic energy conversion and kinetic energy to electrical energy conversion of pulsating heat pipe thermoelectric conversion,the paper conducts theoretical demonstration and quantitative calculation . At last, this paper presents the exploration thinking of expanding application of this program.

Key Words: pulsating heat pipe；heat engine；Carnot cycle；velocity coefficient；

thermoelectric conversion

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 脉动热管简介 1

1.2.1 脉动热管研究背景 2

1.2.2 脉动热管研究现状 2

1.3 脉动热管热电转化装置 3

1.3.1 脉动热管热电转化的理论基础 3

1.3.2 脉动热管热电转化的研究现状 4

1.4 研究意义 5

1.5 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 6

第二章 、脉动热管及其工作原理介绍 7

2.1脉动热管工作原理和结构特征 7

2.2 脉动热管已有理论模型 8

2.2.1 “弹簧-质量-阻尼系统”模型 8

2.2.2 质量、动量和能量控制方程模型 9

2.2.3 半经验实验关联式 10

2.3 实验研究方法 10

2.4 回路脉动热管稳定运行理论模型 14

第三章 脉动热管热电转化系统设计 16

3.1 热电转化基本原理 16

3.2 系统基本组成 16

3.2.1外磁场 17

3.2.2 脉动热管 18

3.2.3高、低温热源 20

3.2.4联接及电输出部件 21

3.3 本章小结 21

第四章 脉动热管热动转化理论分析 23

4.1脉动热管热力转换理论模型 23

4.2 流速系数β 25

4.3、汞水脉动热管流速计算及校核 28

4.3.1、流速计算 28

4.3.2、流速校核 30

4.4 汞水脉动热管热电转换系统设计参数的确定 32

4.5 本章小节 32

第五章 装置发电电动势的理论分析 35

5.1 电路设计基本要求 35

5.2 单个发电单元模型建立及计算 36

5.3 装置整体发电量计算 37

5.3.1 发电单元集成设计 37

5.3.2总电势的计算 38

5.4 本章小结 38

第六章 结论及展望 39

6.1 结论 39

6.2 展望 40

参考文献 41

致谢 46

第一章 绪论

1.1 研究背景

脉动热管是Akachi^[1]于上世纪90年代初提出的一种新型热管。其原型可追溯至Kurzwe和Ling^[2]提出的用于增强传热效果的梦之管的毛细管束。脉动热管通道很细，在表面张力作用下，通道中形成很多封闭的液塞和气塞。在热力作用下，气、液塞在加热段和冷却段之间做一种不稳定的、方向随机的脉动流动，实现热传递，并因此具有很高的散热能力。已经在微电子冷却、余热回收、干燥、太阳能集热和制冷空调等领域^[3]展现出良好的应用前景。自1959年美国对磁流体发电的原理性实验获得成功后，世界各国相继对磁流体发电技术进行了研究^[4]。磁流体发电具有效率高、污染小等优点^[5]。将脉动热管与液态金属流体发电此两者结合起来，将具有不可估量的研究意义。从热力学的角度而言，通过热能驱动产生电能意味着能源的品位被提升了^[6]。也丰富了电能产生的方式方法。

1.2 脉动热管简介

自上世纪40年代热管专利发明以来，历经60年代Cotter理论的建立，为热管研究提供了强大的理论奠基，几十年来热管技术愈发成熟，其应用领域也十分广泛。而脉动热管为上世纪末新兴技术，其虽然不是常规热管，工作原理确和传统热管有一定的相似之处，均是利用工质显热传热和相变潜热传热的性能。脉动热管虽然获得了较为广泛的应用，但其巨大的技术价值仍未获得充分发展。

近年来，国内外学者对脉动热管开展了多方面的研究，发现热管内工质的汽-液两相运动及热、质传递行为异常复杂，带有明显的随机特征，总体上对其认还处于不断深入阶段，仍有一系列问题有待研究解决。本文作者首先介绍了脉动热管的基本工作原理和结构特征，在此基础上总结了近年来国内外在脉动热管实验和理论方面的研究成果和最新进展，并对应用研究方面的情况作了一定介绍，最后简要就其应用推广和发展趋势进行了展望，以期能够为其它研究者提供参考和借鉴。

1.2.1 脉动热管研究背景

脉动热管具有结构简单、成本低廉、传热性能突出及环境适应性强的优点。自上世纪90年代初期其问世以来，迅速成为热工领域研究热点，并在高热流密度导热、电子元器件冷却等方面获得了较为普遍的工程应用^[7]。现阶段的研究除了进一步完善物理及数学模型、深入揭示其运行机理、以及通过各种可视化实验探究传热性能影响因素^[8],还包括进一步拓展这一新兴技术的应用空间^[9]

1.2.2 脉动热管研究现状

自上世纪40年代热管专利发明以来，历经60年代Cotter理论的建立，为热管研究提供了强大的理论奠基，几十年来热管技术愈发成熟，其应用领域也十分广泛。而脉动热管为上世纪末新兴技术，其虽然不是常规热管，工作原理确和传统热管有一定的相似之处，均是利用工质显热传热和相变潜热传热的性能。脉动热管虽然获得了较为广泛的应用，但其巨大的技术价值仍未获得充分发展。

目前学者们的理论研究主要集中在建立新的物理、数学模型或完善已有的理论模型。现有的理论模型主要分以下六类:Hosoda[10]等忽略表面张力的影响和管壁与气塞之间的液膜建立的“单弹簧-质量-阻尼系统”动力学模型。Wong[11]等模拟局部加热，如在蒸发段给气塞施加突然的脉动压力建立的“多弹簧-质量-阻尼系统”理论模型。③对确定的气、液塞建立的质量、动量、能量方程的控制容积法[12]。④Khanderkar和崔晓玉等[13]建立的神经网络数学模型。⑤基于无量纲分析的半经验方程。⑥两相流动模型。实验研究主要集中在研究充液率、倾角、管径、工质种类等对传热效率的影响[14]以及启动特性等[15]。实验研究方面，在充液率为50%的情况下，随加热功率增大，脉动热管内工质流动先后经历塞状、环状流[16]。

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