陳紹杰 楊 峻

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

兩種不同結(jié)構(gòu)的回路型重力熱管性能比較

陳紹杰 楊 峻

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

將回路型熱管和重力熱管的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了回路型重力熱管。通過(guò)試驗(yàn)的方法分析兩種不同結(jié)構(gòu)的回路型重力熱管的傳熱性能，結(jié)果表明：A型回路型重力熱管的傳熱性能優(yōu)于B型，不同的傾斜方向?qū)煞N回路型重力熱管幾乎沒(méi)有影響。通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了齒形翅片對(duì)回路型重力熱管的影響，結(jié)果表明：齒形翅片可以有效強(qiáng)化自然對(duì)流傳熱，增加回路型重力熱管的傳熱功率。

回路型重力熱管 齒形翅片 傳熱性能 傾斜方向

熱管是一種依靠工質(zhì)的相變來(lái)傳遞熱量的高效傳熱元件。熱管具有等溫性好、熱流密度大及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此在加熱、恒溫、冷卻、均熱、熱交換及熱控制方面都有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用[2]。重力熱管是管內(nèi)沒(méi)有吸液芯結(jié)構(gòu)的熱管，其最主要的特點(diǎn)是冷凝液的回流依靠自身重力而不是吸液芯所產(chǎn)生的毛細(xì)力。因此，重力熱管不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低廉而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠[3]?；芈沸椭亓峁艿墓ぷ髟砼c單管型熱管基本相同，但由于蒸汽和液體具有各自的流道，因此蒸發(fā)段和冷凝段的熱阻大幅降低，熱流密度得以提高。

孫志堅(jiān)建立了回路型重力熱管散熱器蒸發(fā)段傳熱特性的理論計(jì)算模型，詳細(xì)分析了控制方程、邊界條件及物性參數(shù)等的確定方法以及這些確定條件在軟件中的實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)裝置研究了回路型重力熱管的傳熱特性，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的4種不同結(jié)構(gòu)形式的回路型重力熱管散熱器均可以滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)服務(wù)器的散熱需求[4]。閔旭偉研究了重力輔助回路熱管蒸發(fā)腔的沸騰極限和換熱性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了冷凝溫度、加熱功率及功率密度等參數(shù)對(duì)總熱阻、熱源表面溫度的影響規(guī)律，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了最優(yōu)的充液高度確定方法[5]。金育義等認(rèn)為，隨著蒸發(fā)段和冷凝段高度差的增大，回路型重力熱管的傳熱能力提高，高度差的增大可使自然循環(huán)推動(dòng)力提高，循環(huán)流量增大，進(jìn)而傳熱能力增強(qiáng)[6]。Pal A等研制了一臺(tái)適用于桌面式電腦的重力輔助回路熱管散熱器，該熱管散熱器以水作為工質(zhì)，具有良好的冷卻性能[7]。Furberg R等研究了蒸發(fā)管段尺寸對(duì)回路型重力熱管整體性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大通道更有利于其傳熱性能的增加[8]。徐永田對(duì)重力輔助回路熱管蒸發(fā)器的傳熱進(jìn)行了強(qiáng)化，制作了納米多孔表面，當(dāng)熱流密度為10W/cm2時(shí)，光滑表面蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為1.19W/(cm2·K)[9]。鄧林采用銅-R22制作回路型重力熱管，測(cè)試了熱流密度為1～5kW/m2、蒸發(fā)段溫度為30～60℃時(shí)的蒸發(fā)段傳熱特性，結(jié)果表明，采用汽化潛熱較小的R22作為工質(zhì)能較好地實(shí)現(xiàn)低熱流密度的啟動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，熱流密度、蒸發(fā)段傾角和充液率對(duì)熱管的傳熱性能沒(méi)有明顯影響[10]。

在此，筆者將重力熱管與回路型熱管的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)形式的回路型重力熱管，并對(duì)兩者的性能進(jìn)行了研究與比較。

1 研究對(duì)象

通過(guò)改變熱管的結(jié)構(gòu)形式可以達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的，因此，筆者設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)形式的回路型重力熱管，如圖1所示。兩種結(jié)構(gòu)的回路型重力熱管的蒸發(fā)段相同，而冷凝段的結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。回路型重力熱管的蒸發(fā)段充有工作介質(zhì)，當(dāng)熱量加于蒸發(fā)段時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)的工質(zhì)吸熱蒸發(fā)，蒸汽從蒸汽上升管流向冷凝段，在冷凝段冷凝為液體釋放出凝結(jié)潛熱，冷凝后的液體通過(guò)液體下降管在重力的輔助作用下回流到蒸發(fā)段。如此循環(huán)往復(fù)，完成熱量的輸送。

圖1 兩種不同結(jié)構(gòu)形式的回路型重力熱管

2 試驗(yàn)研究

通過(guò)試驗(yàn)比較兩種不同結(jié)構(gòu)形式的回路型重力熱管的傳熱性能，并研究?jī)A斜方向?qū)煞N回路型重力熱管的影響。

2.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

加熱系統(tǒng)采用電加熱絲對(duì)蒸發(fā)段進(jìn)行加熱。采用電能表記錄電加熱絲所消耗的電能。溫度采集系統(tǒng)采用K型熱電偶，其中蒸發(fā)段布置3對(duì)熱電偶、絕熱段兩對(duì)、冷凝段5對(duì)。為了減小熱損失、確保加熱功率測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)試驗(yàn)裝置的蒸發(fā)段和蒸汽上升管采取了保溫措施。

試驗(yàn)過(guò)程中，首先調(diào)節(jié)溫度控制系統(tǒng)使蒸發(fā)段溫度保持在恒定值，然后每隔相同時(shí)間記錄電能表所消耗的電能以及各個(gè)熱電偶處的溫度值。

2.2 兩種回路型重力熱管的性能比較

當(dāng)蒸發(fā)段溫度控制在80℃時(shí)，兩種回路型重力熱管的壁面溫度如圖3所示。其中測(cè)溫點(diǎn)0代表環(huán)境溫度，1～3為蒸發(fā)段溫度，4、10為絕熱段溫度，5～9為冷凝段溫度?？梢钥闯?，當(dāng)兩種熱管蒸發(fā)段的溫度基本相同時(shí)，B型熱管冷凝段的壁面溫度明顯低于A型。

圖3 兩種回路型重力熱管的壁面溫度

以蒸發(fā)段表面積為基準(zhǔn)，兩種回路型重力熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)如圖4所示。可以看出，A型熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)為55.62W/(m2·K)，B型熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)為42.57W/(m2·K)。因此，A型熱管的傳熱效果比B型熱管的好。

圖4 兩種回路型重力熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)

2.3 傾斜方向?qū)芈沸椭亓峁艿挠绊?/p>

由于回路型重力熱管的冷凝液依靠重力作用回流到蒸發(fā)段，所以熱管的傾斜方向會(huì)對(duì)熱管的傳熱性能產(chǎn)生影響。為此，筆者研究了在小傾角(4°)下，兩種回路型重力熱管在不同傾斜方向(圖5)下的傳熱性能。

圖5 熱管傾斜方向示意圖

不同傾斜方向下兩種回路型重力熱管的功率如圖6所示。可以看出，A型回路型重力熱管在不同傾斜方向下的平均功率分別為548、536W，相差2.2%；B型回路型重力熱管在不同傾斜方向下的平均功率分別為431、416W，相差3.5%。所以，在小傾角下傾斜方向?qū)煞N回路型重力熱管的傳輸功率幾乎沒(méi)有影響。

圖6 不同傾斜方向下的熱管功率

3 翅片結(jié)構(gòu)對(duì)回路型重力熱管的影響

帶有翅片的傳熱表面能夠在原表面與周?chē)橘|(zhì)之間建立起一個(gè)強(qiáng)化傳熱機(jī)制，因而廣泛應(yīng)用于各類(lèi)裝置的強(qiáng)化傳熱過(guò)程，在熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中扮演著重要角色，有關(guān)它的優(yōu)化設(shè)計(jì)也一直被設(shè)計(jì)者所重視[9]。合理的翅片結(jié)構(gòu)有利于回路型重力熱管傳熱性能的提高、換熱效果的增強(qiáng)。

翅片有多種類(lèi)型，依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和設(shè)計(jì)要求不同而異。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，基于CFD的數(shù)值仿真已經(jīng)廣泛應(yīng)用于對(duì)各類(lèi)翅片性能的研究中。在單向流體的自然對(duì)流換熱中，換熱強(qiáng)度與邊界層的厚度成反比，齒形翅片管與整體形翅片管相比，能使流動(dòng)與傳熱邊界層進(jìn)一步減薄，從而達(dá)到進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱效果的目的，因此具有更廣泛的應(yīng)用前景。本節(jié)中筆者通過(guò)數(shù)值模擬的方法比較齒形翅片和圓盤(pán)翅片傳熱性能的差異。齒形翅片管與圓盤(pán)翅片管如圖7所示。

圖7 齒形翅片管與圓盤(pán)翅片管

3.1 物理模型

回路型重力熱管冷凝段為螺旋翅片管，翅片與基管都為碳鋼。為了簡(jiǎn)化計(jì)算將翅片簡(jiǎn)化為矩形環(huán)肋。

為了便于計(jì)算，對(duì)翅片管的三維幾何模型做了如下假設(shè)：

a. 流體為不可壓縮常物性氣體，流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)；

b. 翅片材料均勻，各向同物性；

c. 考慮到由溫差引起的浮升力作用，在計(jì)算中引入了Boussinesq假設(shè)[11]，假設(shè)認(rèn)為流體的粘性耗散可以忽略不計(jì)，除動(dòng)量方程的浮力項(xiàng)外，連續(xù)性方程和能量方程中的密度視為常量；

d. 忽略熱輻射的影響，忽略翅片與基管間的熱阻；

e. 忽略冷凝熱阻的影響，管內(nèi)壁溫度與管內(nèi)蒸汽溫度相同。

3.2 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格的生成采用CFD前處理軟件ICEM CFD來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種結(jié)構(gòu)形式的翅片管網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 兩種翅片結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

3.3 求解器與邊界條件設(shè)置

選用層流模型，大空間為壓力進(jìn)口，翅片管內(nèi)壁為定壁溫條件，翅片與空氣的接觸面為自然對(duì)流換熱耦合計(jì)算面，固體邊界為無(wú)滑移邊界條件。

3.4 數(shù)值分析結(jié)果

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬兩種不同結(jié)構(gòu)形式的翅片管的傳熱特性，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯X形翅片的總傳熱系數(shù)、翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、翅片表面努塞爾數(shù)Nu和翅片表面熱通量均高于圓盤(pán)翅片。因此，齒形翅片可以有效強(qiáng)化自然對(duì)流傳熱，增加回路型重力熱管的傳熱功率。

表1 兩種翅片管傳熱性能比較

4 結(jié)論

4.1 在相同的試驗(yàn)條件下，A型回路型重力熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)為55.62W/(m2·K)，B型熱管的平均對(duì)流傳熱系數(shù)為42.57W/(m2·K)。A型熱管的傳熱效果較B型要好，但B型熱管的壁面溫度更低。

4.2 在小傾角(4°)作用下，不同的傾斜方向?qū)芈沸椭亓峁艿膫鬏敼β蕩缀鯖](méi)有影響。

4.3 相較于圓盤(pán)翅片，齒形翅片可以有效強(qiáng)化自然對(duì)流傳熱，增加回路型重力熱管的傳熱功率。

[1] 莊駿,張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2] 胡亞范.熱管技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用[J].物理與工程,2002,12(3):42～44.

[3] 莊駿,徐通明,石壽椿.熱管與熱管換熱器[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1989.

[4] 孫志堅(jiān).電子器件回路型熱管散熱器的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[5] 閔旭偉.改進(jìn)型重力輔助回路熱管特性研究[D].杭州:浙江大學(xué),2012.

[6] 金育義,臧潤(rùn)請(qǐng),顧永明.分離式熱管在不同高度差下傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].應(yīng)用能源技術(shù),2009,(4):45～47.

[7] Pal A,Joshi Y K,Beitelmal M H,et al.Design and Performance Evaluation of a Compact Thermosyphon[J].IEEE Transactions on Components & Packaging Technologies,2003,25(4):601～607.

[8] Furberg R,Khodabandeh R,Palm B,et al.Experimental Investigation of an Evaporator Enhanced with a Micro-porous Structure in a Two-phase Thermosyphon Loop[J].The Science News-Letter,2008,55(15):238.

[9] 徐永田.先進(jìn)熱虹吸管系統(tǒng)中具有新穎強(qiáng)化傳熱表面蒸發(fā)器的實(shí)驗(yàn)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2008.

[10] 鄧林.分離式熱管蒸發(fā)段流動(dòng)和傳熱的研究[D].天津:天津大學(xué),2007.

[11] Gray D D,Giorgini A.The Validity of the Boussinesq Approximation for Liquids and Gases[J].International Journal of Heat & Mass Transfer,1976,19(5):545～551.

PerformanceComparisonofLoopThermosyphonwithTwoDifferentStructures

CHEN Shao-jie, YANG Jun
(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

Having advantages of the loop thermosyphon and those of gravity heat pipe combined to design a loop thermsyphone was implemented. Basing on the experiments, the heat transfer performance of loop thermosyphons with different structures was analyzed to show that, the heat transfer performance of type A loop thermosyphon outperforms that of the type B; and different tilt directions have little effect on the two loop thermosyphons. Simulating tooth-shaped fin’s influence on the loop thermosyphon shows that, the tooth-shaped fin can effectively enhance the natural convection heat transfer and increase the heat transfer power of the loop thermosyphon.

loop thermosyphon, tooth-shaped fin, heat transfer performance, direction of tilt

陳紹杰(1990-)，碩士研究生，從事新型高效傳質(zhì)傳熱設(shè)備的研究。

聯(lián)系人楊峻(1965-)，副教授，從事節(jié)能裝備技術(shù)與高效傳質(zhì)傳熱設(shè)備的研究，yangjun@njtech.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)02-0131-05

2016-03-17)