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研究生:吳喜翔
研究生(外文):Hsi-Hsiang Wu
論文名稱:高溫鈉熱管之製造與測試
論文名稱(外文):Manufacturing and Test of a Sodium High Temperature Heat Pipe
指導教授:康尚文
口試委員:蔡孟昌陳育堂
口試日期:2017-07-21
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:機械與機電工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:51
中文關鍵詞:高溫熱管不鏽鋼鈉熱管不鏽鋼網
外文關鍵詞:high temperature heat pipemetal sodiumstainless mesh
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熱管在中高溫能量傳遞與儲存系統扮演著非常關鍵的角色,應用領域包括太陽能集熱系統與廢熱回收等,本研究製造高溫熱管,應用於聚焦式太陽能史特靈引擎發電系統。管材和不鏽鋼網分別由Inconel 600 及 316 不鏽鋼製成,工作流體為金屬鈉,熱管長度、外徑、內徑和管壁厚分別為420 mm、13 mm、9 mm和2 mm,充填率為10% (2.86 g)。高溫熱管以-15°, 0°, 45° and 90°傾斜角度進行啟動與熱性能測試,冷凝端維持在27°C之室溫。輸入功率設定為790 W,蒸發端溫度可達為800°C,實驗結果顯示有穿網垂直擺放之熱管性能較佳,其最低熱組值為0.18 ℃/W。
Heat pipe play an important role in middle – high temperature energy transfer system and storage system. It can be applied to the areas such as solar energy storage system and waste heat recovery. High temperature heat pipes with 420mm in length, 9mm in diameter and 2mm in tube thickness have been developed and tested. The device was made of Inconel 600 equipped with a 316 stainless-steel 100 mesh wick. The working fluid was metal sodium with a filling ratio of 10% (2.86g). Heat pipes start-up and thermal characteristics were investigated at different orientations with slopes of -15°, 0°, 45° and 90° while heat sink temperatures were kept at 27°C air environment. The evaporator temperature of 800°C was achieved when the input power was set at 790W. It has been found that the lowest value of the heat pipes thermal resistance was 0.18 °C/W when the inclination angle was at 90o.
中文摘要....................................................................................................................... II
英文摘要...................................................................................................................... III
目錄............................................................................................................................... V
圖目錄......................................................................................................................... VII
表目錄......................................................................................................................... IX
第一章 緒論.................................................................................................................. 1
1.1 研究動機 ....................................................................................................... 1
1.2 研究背景 ....................................................................................................... 4
1.2.1 熱管文獻回顧 ................................................................................... 4
1.3 研究目的 ..................................................................................................... 12
第二章 熱管簡介........................................................................................................ 13
2.1 熱管構造與工作原理 ................................................................................. 13
2.2 高溫熱管設計 ............................................................................................. 15
2.3 熱管限制 ..................................................................................................... 16
2.4 性能評估 ..................................................................................................... 18
第三章 實驗製程與方法............................................................................................ 19
3.1 高溫熱管設計理念 ..................................................................................... 19
3.1.1 金屬容器選擇 ................................................................................. 19
3.1.2 工作流體之選擇 ............................................................................. 22
3.1.3 真空純化充填機制 ......................................................................... 24
3.2 高溫熱管製程 ............................................................................................. 25
3.2.1 穿網 ................................................................................................. 25
3.2.2 管帽製造、焊接與氦氣測漏 ......................................................... 26
3.2.3 超音波清洗 ..................................................................................... 26
3.2.4 燒乾除氣 ......................................................................................... 28
3.2.5 工作流體充填 ................................................................................. 28
3.2.6 脫氣封口 ......................................................................................... 29
3.3 熱管測試設備 ............................................................................................. 30
3.3.1 實驗設備 ......................................................................................... 31
3.3.2 熱管性能測試 ................................................................................. 34
3.3.3 實驗步驟 ......................................................................................... 36
第四章 實驗結果與討論............................................................................................ 38
4.1 電源供應器輸入之瓦數 .............................................................................. 38
4.2 空管與熱管測試30 分鐘溫度比較 ............................................................ 39
4.3 不同角度下熱管溫度與時間之測試 .......................................................... 42
4.4 充填量對熱阻之影響 .................................................................................. 46
第五章 總結與未來建議............................................................................................ 48
5.1 總結 ............................................................................................................. 48
5.2 未來建議 ..................................................................................................... 49
參考文獻..................................................................................................................... 50
圖目錄
圖1.1 高溫金屬鈉熱管實驗照片 ............................................................. 4
圖1.2 不同瓦數之溫度分佈 ...................................................................... 4
圖1.3 應用於機翼前緣之熱管冷卻的工作原理 ........................................... 5
圖1.4 實際實驗測試圖 ............................................................................. 5
圖1.5 黏性極限時的溫度分佈 ................................................................. 5
圖1.6 毛細極限時的溫度分佈 ................................................................. 6
圖1.7 瓦數設定為1188W 時溫度分布 ................................................... 7
圖1.8 再不銅瓦數加熱溫度分布 .............................................................. 7
圖1.9 在石英燈輻射加熱時各測點的溫度 .............................................. 8
圖1.10 超高溫鋰熱管的聲速極限 ........................................................... 8
圖1.11 序號1 熱管啟動過程溫度分佈曲線 ........................................... 9
圖1.12 序號4 熱管啟動過程溫度分佈曲線 ........................................... 9
圖1.13 不同輸入功率的啟動曲線 ......................................................... 10
圖1.14 不同傾角的熱管啟動溫度分佈 ................................................. 10
圖1.15 復合式毛細結構示意圖 ............................................................. 11
圖1.16 高溫熱管啟動過程管壁溫升曲線圖 ......................................... 11
圖2.1 熱管構造示意圖 ........................................................................... 14
圖2.2 常見的熱管毛細結構示意圖 ....................................................... 16
圖3.1 非蒸餾灌鈉法充填設備 ............................................................... 24
圖3.2 高溫熱管不鏽鋼網目結構製作示意圖 ....................................... 25
圖3.3 不鏽鋼管帽製造與焊接 ............................................................... 26
圖3.4 使用超音波清洗機示意圖 ........................................................... 26
圖3.5 清洗流程示意圖 ........................................................................... 27
圖3.6 去除水氣示意圖 ........................................................................... 28
圖3.7 不透明金屬鈉氧化層 ................................................................... 28
圖3.8 上封蓋焊接 ................................................................................... 28
圖3.9 工作流體抽氣封入示意圖 ........................................................... 29
圖3.10 高溫熱管實驗測試照片與示意圖 ............................................. 31
圖3.11 電源供應器 ................................................................................. 32
圖3.12 高溫加熱爐 ................................................................................. 33
圖3.13 數據擷取器 ................................................................................. 33
圖3.14 電流勾表 ..................................................................................... 33
圖3.15 熱管架設完成 ............................................................................. 37
圖4.1 電源供應器輸入之瓦數關係圖 .................................................... 38
圖4.2 空管90°測試之溫度關係圖 .......................................................... 40
圖4.3 虹吸90°測試之啟動溫度關係圖 .................................................. 40
圖4.4 熱管90°測試之啟動溫度關係圖 .................................................. 41
圖4.5 熱管擺放位置圖 ............................................................................ 42
圖4.6 熱管90°測試溫度與時間關係圖 .................................................. 43
圖4.7 熱管45°測試溫度與時間關係圖 .................................................. 43
圖4.8 熱管0°測試溫度與時間關係圖 ................................................... 44
圖4.9 熱管-15°測試溫度與時間關係圖 ................................................ 44
圖4.10 熱管固定790W 加熱之溫度時間關係圖 .................................. 46
圖4.11 不同角度加熱至800°C 之熱阻關係圖 ..................................... 47
表目錄
表1.1 作動溫度與主要的作動流體 ......................................................... 3
表1.2 金屬鈉的典型特性 ......................................................................... 3
表1.3 金屬鈉高溫熱管實驗參數 ............................................................. 9
表3.1 高溫合金的性能 ........................................................................... 21
表3.2 高溫合金力學性能 ....................................................................... 21
表3.3 線膨脹係數(10-6/°C) ................................................................. 22
表3.4 鈉、鉀、銫及鈉鉀做為工作流體的性質(工作流體) ................ 23
表3.5 相容性試驗的一般結果 ............................................................... 23
表3.6 真空區域劃分 ............................................................................... 24
表3.7 金屬網熱管尺寸 ........................................................................... 25
表3.8 實驗參數條件 ............................................................................... 35
表4.1 空管與熱管30 分鐘各點溫度量測 ............................................. 41
表4.2 不同角度熱管各點溫度量測 ....................................................... 45
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[14] Source: http://www.thermacore.com/
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