兩種不同結構的回路型重力熱管性能比較

陳紹杰 楊 峻

(南京工業大學機械與動力工程學院)

兩種不同結構的回路型重力熱管性能比較

陳紹杰 楊 峻

(南京工業大學機械與動力工程學院)

將回路型熱管和重力熱管的優點相結合，設計了回路型重力熱管。通過試驗的方法分析兩種不同結構的回路型重力熱管的傳熱性能，結果表明：A型回路型重力熱管的傳熱性能優于B型，不同的傾斜方向對兩種回路型重力熱管幾乎沒有影響。通過數值模擬的方法研究了齒形翅片對回路型重力熱管的影響，結果表明：齒形翅片可以有效強化自然對流傳熱，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的相變來傳遞熱量的高效傳熱元件。熱管具有等溫性好、熱流密度大及結構簡單等優點[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廣泛的應用[2]。重力熱管是管內沒有吸液芯結構的熱管，其最主要的特點是冷凝液的回流依靠自身重力而不是吸液芯所產生的毛細力。因此，重力熱管不僅結構簡單、制造方便、成本低廉而且傳熱性能優良、工作可靠[3]。回路型重力熱管的工作原理與單管型熱管基本相同，但由于蒸汽和液體具有各自的流道，因此蒸發段和冷凝段的熱阻大幅降低，熱流密度得以提高。

孫志堅建立了回路型重力熱管散熱器蒸發段傳熱特性的理論計算模型，詳細分析了控制方程、邊界條件及物性參數等的確定方法以及這些確定條件在軟件中的實現方法，通過建立實驗裝置研究了回路型重力熱管的傳熱特性，結果表明，設計的4種不同結構形式的回路型重力熱管散熱器均可以滿足計算機服務器的散熱需求[4]。閔旭偉研究了重力輔助回路熱管蒸發腔的沸騰極限和換熱性能，通過實驗得到了冷凝溫度、加熱功率及功率密度等參數對總熱阻、熱源表面溫度的影響規律，并根據實驗結果分析了最優的充液高度確定方法[5]。金育義等認為，隨著蒸發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推動力提高，循環流量增大，進而傳熱能力增強[6]。Pal A等研制了一臺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，具有良好的冷卻性能[7]。Furberg R等研究了蒸發管段尺寸對回路型重力熱管整體性能的影響，實驗結果表明，大通道更有利于其傳熱性能的增加[8]。徐永田對重力輔助回路熱管蒸發器的傳熱進行了強化，制作了納米多孔表面，當熱流密度為10W/cm2時，光滑表面蒸發器的傳熱系數為1.19W/(cm2·K)[9]。鄧林采用銅-R22制作回路型重力熱管，測試了熱流密度為1～5kW/m2、蒸發段溫度為30～60℃時的蒸發段傳熱特性，結果表明，采用汽化潛熱較小的R22作為工質能較好地實現低熱流密度的啟動，在實驗參數范圍內，熱流密度、蒸發段傾角和充液率對熱管的傳熱性能沒有明顯影響[10]。

在此，筆者將重力熱管與回路型熱管的優點有機結合，設計了兩種結構形式的回路型重力熱管，并對兩者的性能進行了研究與比較。

1 研究對象

通過改變熱管的結構形式可以達到強化傳熱的目的，因此，筆者設計了兩種不同結構形式的回路型重力熱管，如圖1所示。兩種結構的回路型重力熱管的蒸發段相同，而冷凝段的結構有所區別。回路型重力熱管的蒸發段充有工作介質，當熱量加于蒸發段時，蒸發段內的工質吸熱蒸發，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潛熱，冷凝后的液體通過液體下降管在重力的輔助作用下回流到蒸發段。如此循環往復，完成熱量的輸送。

圖1 兩種不同結構形式的回路型重力熱管

2 試驗研究

通過試驗比較兩種不同結構形式的回路型重力熱管的傳熱性能，并研究傾斜方向對兩種回路型重力熱管的影響。

2.1 試驗裝置簡介

試驗裝置簡圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置簡圖

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

試驗過程中，首先調節溫度控制系統使蒸發段溫度保持在恒定值，然后每隔相同時間記錄電能表所消耗的電能以及各個熱電偶處的溫度值。

2.2 兩種回路型重力熱管的性能比較

當蒸發段溫度控制在80℃時，兩種回路型重力熱管的壁面溫度如圖3所示。其中測溫點0代表環境溫度，1～3為蒸發段溫度，4、10為絕熱段溫度，5～9為冷凝段溫度。可以看出，當兩種熱管蒸發段的溫度基本相同時，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

以蒸發段表面積為基準，兩種回路型重力熱管的平均對流傳熱系數如圖4所示。可以看出，A型熱管的平均對流傳熱系數為55.62W/(m2·K)，B型熱管的平均對流傳熱系數為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流傳熱系數

2.3 傾斜方向對回路型重力熱管的影響

由于回路型重力熱管的冷凝液依靠重力作用回流到蒸發段，所以熱管的傾斜方向會對熱管的傳熱性能產生影響。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對兩種回路型重力熱管的傳輸功率幾乎沒有影響。

圖6 不同傾斜方向下的熱管功率

3 翅片結構對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圍介質之間建立起一個強化傳熱機制，因而廣泛應用于各類裝置的強化傳熱過程，在熱系統的設計中扮演著重要角色，有關它的優化設計也一直被設計者所重視[9]。合理的翅片結構有利于回路型重力熱管傳熱性能的提高、換熱效果的增強。

翅片有多種類型，依據應用場合和設計要求不同而異。近年來，隨著計算機的發展，基于CFD的數值仿真已經廣泛應用于對各類翅片性能的研究中。在單向流體的自然對流換熱中，換熱強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，能使流動與傳熱邊界層進一步減薄，從而達到進一步強化傳熱效果的目的，因此具有更廣泛的應用前景。本節中筆者通過數值模擬的方法比較齒形翅片和圓盤翅片傳熱性能的差異。齒形翅片管與圓盤翅片管如圖7所示。

圖7 齒形翅片管與圓盤翅片管

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。為了簡化計算將翅片簡化為矩形環肋。

為了便于計算，對翅片管的三維幾何模型做了如下假設：

a. 流體為不可壓縮常物性氣體，流動狀態為穩態；

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，在計算中引入了Boussinesq假設[11]，假設認為流體的粘性耗散可以忽略不計，除動量方程的浮力項外，連續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，管內壁溫度與管內蒸汽溫度相同。

3.2 網格模型

網格的生成采用CFD前處理軟件ICEM CFD來實現。兩種結構形式的翅片管網格模型如圖8所示。

圖8 兩種翅片結構的網格模型

3.3 求解器與邊界條件設置

選用層流模型，大空間為壓力進口，翅片管內壁為定壁溫條件，翅片與空氣的接觸面為自然對流換熱耦合計算面，固體邊界為無滑移邊界條件。

3.4 數值分析結果

通過計算機模擬兩種不同結構形式的翅片管的傳熱特性，結果見表1。可以看出，齒形翅片的總傳熱系數、翅片表面傳熱系數、翅片表面努塞爾數Nu和翅片表面熱通量均高于圓盤翅片。因此，齒形翅片可以有效強化自然對流傳熱，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 結論

4.1 在相同的試驗條件下，A型回路型重力熱管的平均對流傳熱系數為55.62W/(m2·K)，B型熱管的平均對流傳熱系數為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，不同的傾斜方向對回路型重力熱管的傳輸功率幾乎沒有影響。

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

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

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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，從事新型高效傳質傳熱設備的研究。

聯系人楊峻(1965-)，副教授，從事節能裝備技術與高效傳質傳熱設備的研究，yangjun@njtech.edu.cn。

TQ051.21

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0254-6094(2017)02-0131-05

2016-03-17)