熱管換熱器結構優化研究

高賀軒

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

1 重力式熱管工作原理

重力式熱管又稱為兩項閉式熱虹吸管，是熱管換熱器的主要部件。工作時熱流體從外部流過熱管的蒸發段，使蒸發段內的液體工質受熱蒸發為氣體。在壓力差的作用下，含有潛熱的氣體工質迅速運動到熱管的冷凝段。冷凝段外部冷流體流過，氣體工質放出潛熱后凝結。最后在吸液芯毛細吸收力的作用下重新回到蒸發段，完成一次熱量傳遞過程。

2 熱管換熱結構優化

為提高熱管的換熱性能，目前最常采用的是擴展表面的方式。既：在光管上增加翅片。擴展面與光管相比不但增大了傳熱面積，而且打斷了其邊界層的連續發展，提高了擾流程度，增加了傳熱系數，從而能夠強化傳熱[1]。但是，該方法提高換熱性能有限,需要借助于其他方法。Lozza等試驗研究了平直翅片，波紋翅片及百葉窗翅片，結果表明：換熱器性能在不同翅片條件下差別較大[2]。

筆者希望借助改變翅片的傾斜角，將原來熱管的平直翅片改變為帶有傾斜角的翅片。使流體流過均勻傾角波紋狀翅片的傾角改變處時，打斷流體原有的邊界層，提高擾流度，進而提高換熱性能。帶有傾斜角翅片熱管模型圖如下圖所示：

圖2-1 帶有傾斜角翅片熱管模型圖

3 數值模擬

3.1 模型建立。管外徑d0=32mm，管內徑di=26 mm，翅片高度h=15 mm，翅片厚度δ=1.2 mm，翅片間距S=4mm，翅片角度15度。

設熱管呈等邊三角形的排列形式，各管的管間距為800mm。取兩根熱管作為研究對象，對熱管的模型進行模擬。考慮到熱管換熱器的周期性和對稱性，取最小的重復單元作為計算區域。根據計算區域簡化情況對邊界類型進行設置。網格劃分情況及邊界條件設置示意圖如圖2所示

3.2 邊界條件。入口流體為空氣，入口溫度為20℃，入口速度為3m/s，翅片材料為鋼。熱管的傳熱量受外部溫度場的影響，同一熱管換熱器中，各排熱管的換熱量不同。為了使模擬過程簡單化，筆者假設模擬區域內兩根熱管傳熱量相同，即氣態工質冷凝放熱時向管壁的放熱量相同，取其值為2000W，可確定該條件下熱管內管壁的定熱流密度為24390W/m2。

圖3-1 網格劃分情況及邊界條件設置示意圖

3.3 模擬結果。冷流體經熱管加熱后的溫度及流體的壓力降是衡量熱管換熱器性能的重要指標，也是研究的重點。因此，將著重關注冷流體的出口溫度及壓力降低情況。

由模擬結果可知，20℃的冷流體經傾角為15度的波紋翅片熱管換熱后，溫度變化區間為30℃至47℃，冷流體出口的平均溫度為36℃，共換熱129.4W。

流體經傾角為15度的波紋翅片熱管換熱后，壓力變化降低區間為30.4pa至32pa。通過軟件計算得到冷流體出口的平均壓力降為31pa。

4 結構優化后數據對比

采用上節中的方法，同樣對常規翅片熱管進行研究。采用同樣的模型建立方法及邊界條件。20℃的冷流體經常規翅片熱管換熱后，溫度變化區間為27℃至47℃，冷流體出口的平均溫度為32℃，經計算換熱量為97.1W。

流體經常規翅片熱管換熱后，壓力變化降低區間為-17.18pa至-17.42pa。通過軟件計算得到冷流體出口的平均壓力降為17.3pa。

常規翅片熱管中，冷流體經冷凝段后共吸收熱量97.1W。經傾角為15度的波紋翅片熱管后，冷流體經冷凝段后共吸收熱量129.4W。熱管結構優化后，冷流體吸收熱量顯著提高。熱管吸熱量增加32.3W，熱管的換熱性能提升高達33.3%。但由于翅片傾斜角的改變，冷流體的阻力會相應增加。流體出口的平均壓力降由17.3pa增加到31pa。可見阻力增加13.7pa，阻力增加高達79%。

5 結論

將常規翅片熱管改變為帶有15度傾斜角的熱管后，經研究換熱性能增強。換熱性能提升達到33.3%。但同時使熱管的阻力顯著提高，阻力提高高達79%。

換熱器的主要目的是提高換熱性能，當冷流體的壓力降允許有較大范圍的降幅時，可以采用改變熱管翅片角度的方法，提高熱管的換熱性能。