两种不同结构的回路型重力热管性能比较

陈绍杰 杨 峻

(南京工业大学机械与动力工程学院)

两种不同结构的回路型重力热管性能比较

陈绍杰 杨 峻

(南京工业大学机械与动力工程学院)

将回路型热管和重力热管的优点相结合，设计了回路型重力热管。通过试验的方法分析两种不同结构的回路型重力热管的传热性能，结果表明：A型回路型重力热管的传热性能优于B型，不同的倾斜方向对两种回路型重力热管几乎没有影响。通过数值模拟的方法研究了齿形翅片对回路型重力热管的影响，结果表明：齿形翅片可以有效强化自然对流传热，增加回路型重力热管的传热功率。

回路型重力热管 齿形翅片 传热性能 倾斜方向

热管是一种依靠工质的相变来传递热量的高效传热元件。热管具有等温性好、热流密度大及结构简单等优点[1]，因此在加热、恒温、冷却、均热、热交换及热控制方面都有着相当广泛的应用[2]。重力热管是管内没有吸液芯结构的热管，其最主要的特点是冷凝液的回流依靠自身重力而不是吸液芯所产生的毛细力。因此，重力热管不仅结构简单、制造方便、成本低廉而且传热性能优良、工作可靠[3]。回路型重力热管的工作原理与单管型热管基本相同，但由于蒸汽和液体具有各自的流道，因此蒸发段和冷凝段的热阻大幅降低，热流密度得以提高。

孙志坚建立了回路型重力热管散热器蒸发段传热特性的理论计算模型，详细分析了控制方程、边界条件及物性参数等的确定方法以及这些确定条件在软件中的实现方法，通过建立实验装置研究了回路型重力热管的传热特性，结果表明，设计的4种不同结构形式的回路型重力热管散热器均可以满足计算机服务器的散热需求[4]。闵旭伟研究了重力辅助回路热管蒸发腔的沸腾极限和换热性能，通过实验得到了冷凝温度、加热功率及功率密度等参数对总热阻、热源表面温度的影响规律，并根据实验结果分析了最优的充液高度确定方法[5]。金育义等认为，随着蒸发段和冷凝段高度差的增大，回路型重力热管的传热能力提高，高度差的增大可使自然循环推动力提高，循环流量增大，进而传热能力增强[6]。Pal A等研制了一台适用于桌面式电脑的重力辅助回路热管散热器，该热管散热器以水作为工质，具有良好的冷却性能[7]。Furberg R等研究了蒸发管段尺寸对回路型重力热管整体性能的影响，实验结果表明，大通道更有利于其传热性能的增加[8]。徐永田对重力辅助回路热管蒸发器的传热进行了强化，制作了纳米多孔表面，当热流密度为10W/cm2时，光滑表面蒸发器的传热系数为1.19W/(cm2·K)[9]。邓林采用铜-R22制作回路型重力热管，测试了热流密度为1～5kW/m2、蒸发段温度为30～60℃时的蒸发段传热特性，结果表明，采用汽化潜热较小的R22作为工质能较好地实现低热流密度的启动，在实验参数范围内，热流密度、蒸发段倾角和充液率对热管的传热性能没有明显影响[10]。

在此，笔者将重力热管与回路型热管的优点有机结合，设计了两种结构形式的回路型重力热管，并对两者的性能进行了研究与比较。

1 研究对象

通过改变热管的结构形式可以达到强化传热的目的，因此，笔者设计了两种不同结构形式的回路型重力热管，如图1所示。两种结构的回路型重力热管的蒸发段相同，而冷凝段的结构有所区别。回路型重力热管的蒸发段充有工作介质，当热量加于蒸发段时，蒸发段内的工质吸热蒸发，蒸汽从蒸汽上升管流向冷凝段，在冷凝段冷凝为液体释放出凝结潜热，冷凝后的液体通过液体下降管在重力的辅助作用下回流到蒸发段。如此循环往复，完成热量的输送。

图1 两种不同结构形式的回路型重力热管

2 试验研究

通过试验比较两种不同结构形式的回路型重力热管的传热性能，并研究倾斜方向对两种回路型重力热管的影响。

2.1 试验装置简介

试验装置简图如图2所示。

图2 试验装置简图

加热系统采用电加热丝对蒸发段进行加热。采用电能表记录电加热丝所消耗的电能。温度采集系统采用K型热电偶，其中蒸发段布置3对热电偶、绝热段两对、冷凝段5对。为了减小热损失、确保加热功率测量的准确性，对试验装置的蒸发段和蒸汽上升管采取了保温措施。

试验过程中，首先调节温度控制系统使蒸发段温度保持在恒定值，然后每隔相同时间记录电能表所消耗的电能以及各个热电偶处的温度值。

2.2 两种回路型重力热管的性能比较

当蒸发段温度控制在80℃时，两种回路型重力热管的壁面温度如图3所示。其中测温点0代表环境温度，1～3为蒸发段温度，4、10为绝热段温度，5～9为冷凝段温度。可以看出，当两种热管蒸发段的温度基本相同时，B型热管冷凝段的壁面温度明显低于A型。

图3 两种回路型重力热管的壁面温度

以蒸发段表面积为基准，两种回路型重力热管的平均对流传热系数如图4所示。可以看出，A型热管的平均对流传热系数为55.62W/(m2·K)，B型热管的平均对流传热系数为42.57W/(m2·K)。因此，A型热管的传热效果比B型热管的好。

图4 两种回路型重力热管的平均对流传热系数

2.3 倾斜方向对回路型重力热管的影响

由于回路型重力热管的冷凝液依靠重力作用回流到蒸发段，所以热管的倾斜方向会对热管的传热性能产生影响。为此，笔者研究了在小倾角(4°)下，两种回路型重力热管在不同倾斜方向(图5)下的传热性能。

图5 热管倾斜方向示意图

不同倾斜方向下两种回路型重力热管的功率如图6所示。可以看出，A型回路型重力热管在不同倾斜方向下的平均功率分别为548、536W，相差2.2%；B型回路型重力热管在不同倾斜方向下的平均功率分别为431、416W，相差3.5%。所以，在小倾角下倾斜方向对两种回路型重力热管的传输功率几乎没有影响。

图6 不同倾斜方向下的热管功率

3 翅片结构对回路型重力热管的影响

带有翅片的传热表面能够在原表面与周围介质之间建立起一个强化传热机制，因而广泛应用于各类装置的强化传热过程，在热系统的设计中扮演着重要角色，有关它的优化设计也一直被设计者所重视[9]。合理的翅片结构有利于回路型重力热管传热性能的提高、换热效果的增强。

翅片有多种类型，依据应用场合和设计要求不同而异。近年来，随着计算机的发展，基于CFD的数值仿真已经广泛应用于对各类翅片性能的研究中。在单向流体的自然对流换热中，换热强度与边界层的厚度成反比，齿形翅片管与整体形翅片管相比，能使流动与传热边界层进一步减薄，从而达到进一步强化传热效果的目的，因此具有更广泛的应用前景。本节中笔者通过数值模拟的方法比较齿形翅片和圆盘翅片传热性能的差异。齿形翅片管与圆盘翅片管如图7所示。

图7 齿形翅片管与圆盘翅片管

3.1 物理模型

回路型重力热管冷凝段为螺旋翅片管，翅片与基管都为碳钢。为了简化计算将翅片简化为矩形环肋。

为了便于计算，对翅片管的三维几何模型做了如下假设：

a. 流体为不可压缩常物性气体，流动状态为稳态；

b. 翅片材料均匀，各向同物性；

c. 考虑到由温差引起的浮升力作用，在计算中引入了Boussinesq假设[11]，假设认为流体的粘性耗散可以忽略不计，除动量方程的浮力项外，连续性方程和能量方程中的密度视为常量；

d. 忽略热辐射的影响，忽略翅片与基管间的热阻；

e. 忽略冷凝热阻的影响，管内壁温度与管内蒸汽温度相同。

3.2 网格模型

网格的生成采用CFD前处理软件ICEM CFD来实现。两种结构形式的翅片管网格模型如图8所示。

图8 两种翅片结构的网格模型

3.3 求解器与边界条件设置

选用层流模型，大空间为压力进口，翅片管内壁为定壁温条件，翅片与空气的接触面为自然对流换热耦合计算面，固体边界为无滑移边界条件。

3.4 数值分析结果

通过计算机模拟两种不同结构形式的翅片管的传热特性，结果见表1。可以看出，齿形翅片的总传热系数、翅片表面传热系数、翅片表面努塞尔数Nu和翅片表面热通量均高于圆盘翅片。因此，齿形翅片可以有效强化自然对流传热，增加回路型重力热管的传热功率。

表1 两种翅片管传热性能比较

4 结论

4.1 在相同的试验条件下，A型回路型重力热管的平均对流传热系数为55.62W/(m2·K)，B型热管的平均对流传热系数为42.57W/(m2·K)。A型热管的传热效果较B型要好，但B型热管的壁面温度更低。

4.2 在小倾角(4°)作用下，不同的倾斜方向对回路型重力热管的传输功率几乎没有影响。

4.3 相较于圆盘翅片，齿形翅片可以有效强化自然对流传热，增加回路型重力热管的传热功率。

[1] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000.

[2] 胡亚范.热管技术及其在工程中的应用[J].物理与工程,2002,12(3):42～44.

[3] 庄骏,徐通明,石寿椿.热管与热管换热器[M].上海:上海交通大学出版社,1989.

[4] 孙志坚.电子器件回路型热管散热器的数值模拟与试验研究[D].杭州:浙江大学,2007.

[5] 闵旭伟.改进型重力辅助回路热管特性研究[D].杭州:浙江大学,2012.

[6] 金育义,臧润请,顾永明.分离式热管在不同高度差下传热性能的实验研究[J].应用能源技术,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.先进热虹吸管系统中具有新颖强化传热表面蒸发器的实验研究[D].济南:山东大学,2008.

[10] 邓林.分离式热管蒸发段流动和传热的研究[D].天津:天津大学,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

陈绍杰(1990-)，硕士研究生，从事新型高效传质传热设备的研究。

联系人杨峻(1965-)，副教授，从事节能装备技术与高效传质传热设备的研究，yangjun@njtech.edu.cn。

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0254-6094(2017)02-0131-05

2016-03-17)