Neues Modell verbessert die Phasenübergangsanalyse in Wärmerohren

Aug 02, 2023

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. YU Dali von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat zusammen mit Forschern der City University of Hong Kong ein transientes 3D-Modell der rechnerischen Fluiddynamik zur Untersuchung der Flüssigkeit entwickelt -Dampfströmung und Wärmeübertragung für ein Wasserwärmerohr unter verschiedenen ungleichmäßigen Belastungen.

Die Studie wurde in Annals of Nuclear Energy veröffentlicht.

Wärmerohre sind hocheffiziente Wärmeübertragungsvorrichtungen, die den Phasenübergang eines Arbeitsmediums nutzen, um eine Wärmeübertragung mit hohem Fluss zu erreichen. Im Vergleich zu herkömmlichen Metallen ist die Wärmeübertragungseffizienz von Heatpipes zehn- oder sogar hundertmal höher. Infolgedessen haben Wärmerohre in verschiedenen Bereichen Anwendung gefunden, die eine Wärmeübertragung mit hoher Dichte erfordern, einschließlich des Wärmeexports aus dem Kern kleiner Festkörperreaktoren, Strahlungsstrahlern, Divertoren von Fusionsreaktoren und fortschrittlichen elektronischen Komponenten.

In dieser Studie entwickelten die Forscher das 3D-Transienten-Heatpipe-Modell mithilfe der FLUENT-Software. Das Modell wurde validiert, indem seine Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen wurden, die sowohl unter gleichmäßigen als auch unter ungleichmäßigen Heizbedingungen erhalten wurden. Der Vergleich ergab eine Fehlerquote von bis zu 4,73 %.

Mit diesem Modell wurden erstmals mithilfe numerischer Methoden die Umfangsströmungseigenschaften des Wärmerohrs im Dochtbereich unter ungleichmäßigen Heizbedingungen beobachtet.

Darüber hinaus untersuchten die Forscher, wie sich die Länge des adiabatischen Abschnitts, die Heizleistung und der Heizbereich auf die thermisch-hydraulischen Eigenschaften des Wärmerohrs bei unterschiedlicher Belastung auswirken.

Sie fanden heraus, dass das Wärmerohr viel schneller startete, wenn die Heizleistung erhöht oder die Länge des adiabatischen Abschnitts verringert wurde. Sie bewiesen, dass eine Verringerung des Umfangsheizbereichs die Startzeit nicht veränderte.

Darüber hinaus führte eine ungleichmäßige Heizleistung in horizontaler Richtung dazu, dass sich die Stelle an der Wand mit der höchsten Temperatur in Richtung der Stelle mit der höchsten Leistung neigte. Wenn das Wärmerohr hingegen gleichmäßig erhitzt wurde, war die Temperatur an der Wand am niedrigsten.

„Unsere Ergebnisse liefern wertvolle theoretische Unterstützung und analytische Werkzeuge für die weitere Forschung und Entwicklung hochkarätiger Wärmerohre“, sagte Prof. YU Dali.

Diese Arbeit wurde vom HFIPS Director's Fund und dem CityU Grant unterstützt.

Schematische Darstellung und Berechnungsergebnisse von Heatpipes. (Bild von LIU Jian)