《093483周峰 关于两相闭式热虹吸管热工性能参数的研究进展.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《093483周峰 关于两相闭式热虹吸管热工性能参数的研究进展.doc（10页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、中国工程热物理学会 传热传质学学术会议论文 编号：093483关于两相闭式热虹吸管热工性能参数的研究进展周峰，马国远（传热强化与过程节能教育部重点实验室，北京工业大学，北京 100124）（Tel:010-67391613，Email: zhoufeng）摘要：两相闭式热虹吸管作为一种高效相变传热元件，广泛应用于诸多领域。对影响两相闭式热虹吸管性能的相关参数的研究进展做了总结，概括分析充液量、倾角、风速、工质等参数各自对热虹吸管温度变化、热阻、传热系数、效率和传热量的影响，为今后相关技术的应用提供参考。关键词：两相闭式热虹吸管，参数分析，热工性能0引言热虹吸管是一种高效传热元件，在小温差下可以
2、传递较大的热量。在实际应用中，热虹吸管的有效热传导率超过铜的200500倍1,2。其历史可以追溯到1836年出现的Perkins管，此后被应用于透平叶片、面包烤炉以及汽车发动机的冷却。然而重力热管的名称是在20世纪60年代有吸液芯的常规热管问世之后才赋予的，也只是在这之后，特别是20世纪70年代末世界性能源紧张引发对节能新技术的迫切需要之后，才引起人们重新审视其原理、制造工艺和推广应用，并结合实际对此作了专门研究3。图1两相闭式热虹吸管结构及工作原理图Fig. 1 Structure and working principle of two-phase closed thermosyphon两
3、相闭式热虹吸管又称重力热管，简称热虹吸管，其结构及工作原理如图1所示。与普通热管一样，热虹吸管利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力，但与普通热管不同的是热虹吸管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金(2008)，北京工业大学博士创新计划项目(bcx-2009-049)吸液芯的毛细力，而是依靠冷凝液自身的重力4。影响两相闭式热虹吸管传热性能的因素有很多，如热虹吸管的几何尺寸、倾斜角度、充液量、工质的热物性参数和工作温度等，其中充液量和倾斜角度是最主要的因素。目前，关于上述因素对热虹吸管传热性能影响的研究都偏重于试验研究，从试验中得
4、到规律曲线，并对试验中观察到的流动、沸腾等现象做出分析解释，用纯理论分析的方法还很少能够得到符合实际的结论。热虹吸管内的汽-液相变现象包括工质的蒸发、沸腾和冷凝，是一个涉及诸多影响因素的复杂换热过程，虽然对其喷涌现象5和冷凝段携带极限6进行了相关研究，但迄今还难以给出统一明确的模型描述和理论关系。目前已有人尝试从非线性混沌学的角度来剖析和理解热虹吸管内部传热的基本机理7。为了提高热虹吸管的热力学性能，在其应用和设计修正方面，科研工作者做了大量的试验和理论研究工作。研究者们针对两相闭式热虹吸管的充液量、倾角、风速、工质物性等相关因素对传热性能的影响开展了大量的研究工作，本文将对这些工作进行综述性
5、的介绍。1充液量的影响Streltsov以经典的Nusselt竖壁膜状冷凝理论为基础，建立模型，计算出含有最低限度概念的充液量，得到热虹吸管充液量与热流量之间的关系式8。 (1)式中，为充液量，kg；为冷凝段长度，m；为绝热段长度，m；为蒸发段长度，m；为液体工质黏度，Ns/m2；为液体工质密度，kg/m3；为热管内直径，m；为汽化潜热，kJ/kg；为重力加速度，N/kg；为热流量，kJ/s。由该公式可知热虹吸管充液量与几何尺寸、工质物性有关，与热流量的立方根成正比。但该模型与实际情况有较大差距，它仅基于热虹吸管处于竖直位置的工作情况，没考虑倾斜位置的工作情况，最主要仅考虑保证热虹吸管内不出现
6、干涸情况来确定充液量，而没考虑热虹吸管内一定高度的液池影响。因此计算所得的充液量偏小。两相闭式热虹吸管中充液量过大既会引起不稳定传热，又会影响其传热效果，关于最佳充液量许多研究者做了大量的试验研究。日本的H. Imura9等认为最恰当的充液量是使管内汽液混合物的高度等于或略大于加热段的高度，这样可使热虹吸管有最好的工作状态，认为最佳充注率约为1/51/3，充液率定义为液体工质容积与蒸发段容积之比。当冷凝段和绝热段长度之和远大于加热段长度时，其最佳充液率为9： (2)式中，为蒸发段充液率；为冷凝段长度，m；为绝热段长度，m；为蒸发段长度，m；为液体工质黏度，Ns/m2；为液体工质密度，kg/m3
7、；为重力加速度，N/kg；为热管半径，m；为热管直径，m；为冷凝段热流量，kJ/s；为气体工质密度，kg/m3。Harada等(如文献9所述)认为最佳充液率为蒸发段容积的0.250.30。伊朗的S. H. Noie10试验研究了输入热流量(100 W900 W)、工质充注率(30%90%, 工质容积与蒸发段容积之比)、长径比(7.45, 9.8, 11.8, 蒸发段长度与内径之比)三个参数对竖直两相闭式热虹吸管稳态传热特性的影响，采用长980 mm外径32 mm壁厚3.5 mm的铜制热虹吸管，得到长径比为11.8、7.45和9.8时，最佳充注率分别为60%、90%和30%。 图2 热二极管特性
8、与充液量的关系 (K. Negishi11)Fig. 2 Plot of thermal diode angle against fill ratio (K. Negishi 11) 图3 传热极限与充液量的关系 (K. T. Feldman, Jr.12)Fig. 3 Influence of liquid fill on heat transport limit of thermosyphon (K. T. Feldman 12)根据K. Negishi等11对乙醇和水两种工质的试验研究结果，用水做工质时，最佳充液率为25%60%；用乙醇做工质时，最佳充液率为40%75%（图2），充液率定
9、义为液体工质容积与蒸发段容积之比。试验所用热虹吸管由外径15 mm的标准铜管制成，长330 mm，壁厚1 mm，冷凝段和蒸发段分别采用水套进行冷却和加热，冷凝段水温为25 ，蒸发段水温为85 。美国的K. T. Feldman, Jr.12对21英尺长直径3/4英寸的钢制热虹吸管进行了试验研究，工作温度在20 80 之间，充注率在0.0230.29范围内，分别采用R113、甲醇和水作为工质。传热量随着充注率的增大不断增加，达到峰值后，有所降低，得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18%22%（图3）。这是因为，最初蒸发段液体是通过自然对流吸热，蒸汽冷凝形成液膜沿管壁流下。液膜的厚度随着热流密度的
10、增加而增加，蒸发段液池内液体的质量逐渐减少。蒸发段出口的蒸汽流动面积降低，导致蒸汽速度增加。逆流的液体和蒸汽之间相对速度的增加造成了冷凝回流的不稳定。液体的液滴被蒸汽带走，使得流回蒸发段的冷凝液减少。随着热流密度的不断增加，热虹吸管达到了传热极限，蒸发段的液体喷溅成为雾状。在充注率低于15%时可以观察到上述现象，而在大充注率高热流密度下会出现拥堵。这使得热虹吸管的传热机理从两相蒸发冷凝变成强制对流流动，导致在充液率较大时会出现传热极限的降低。2倾角的影响 (a) Evaporation heat transfer coefficient (b) Condensation heat transf
11、er coefficient图4 传热系数与倾角的关系 (Quan Liao13)Fig. 4 Heat transfer coefficient vs. Inclined angle (Quan Liao 13)关于倾斜角度对两相闭式热虹吸管性能影响的研究，目前还没有成熟的理论，主要是采用可视化研究。对于一定的充液率，当倾斜角度较小时，传热量随倾角的增大迅速上升，当超过某一倾角后，传热量的变化就比较平坦。美国的Quan Liao等13对3D内翅片的碳钢-水热管进行了试验研究。工作温度在40 95 之间，热流密度在5.0 kW/m240 kW/m2之间，倾角在2 90 范围内。热管外径27 m
12、m，壁厚3 mm，蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为700 mm、100 mm和750 mm。结果发现，在倾角小于13 时，倾角对3D内翅片热管的传热性能有很重要的影响，但是当倾角增加超过13 时，影响就不明显了（图4）。而根据约旦的Salem A. Said等14的试验研究，在30 、60 、90 倾角下，水热虹吸管的整体传热系数比普通热管分别增加了55%、25%、70%。 (a) ethanol (b) water图5 热虹吸管传热性能与倾角的关系 (K. Negishi11)Fig. 5 Heat transfer performance vs. inclination (K. Negis
13、hi 11)日本的K. Negishi等11对水和乙醇两种不同工质的热虹吸管进行了试验研究，热虹吸管由外径15 mm的标准铜管制成，长330 mm，壁厚1 mm。试验结果有所不同，这是由于工质的物理性质使得重力对其在传热流动过程中的效果产生差异所致；同时在不同的传热功率条件下，由于热虹吸管内的压力不同，使产生最大传热量的角度发生变化，其结果是向大的倾角略有偏移。总的来说，如图5所示，为了获得较高的传热量，工质为水时，倾角必须在20 40 范围内；工质为乙醇时，必须使倾角大于5 。3风速的影响风速对热回收效率有显著影响。风速降低会增加热回收率，但对于给定的热回收单元，这不会增加热回收的总量。为了
14、获得低速下所需的热回收量，需要增加换热器的大小，但这会增加初投资。低速的主要优点在于通过通风系统的压损较低，因为流动阻力与速度的平方成正比。在自然通风建筑中，由于压损是需要考虑的主要问题之一，因此，低速可以用来回收余热，同时可以使用一个相对大的热回收单元提供足够的风量。相反，低速下，室外环境瞬态特性的影响增加，有时，甚至没有热回收效果，而这种情况通常发生在室内压头不能克服外部气流静压的情形下。根据伊朗S. H. Noie15对气-气热虹吸管换热器热工性能的试验和理论研究，可以看到，在每一个试验工况下热虹吸管的整体效率均高于37%，当冷凝段和蒸发段风速相等时，整体效率最小，因此应避免蒸发段和冷凝
15、段迎面风速相等，并且随着蒸发段入口风速降低到0.5 m/s，换热器的整体效率可以增加到65%（图6）。试验所用换热器蒸发段和冷凝段的长度均为600 mm，中心绝热段的长度为100 mm。换热器由90根装有板式翅片的铜制热虹吸管构成，分为6排。蒸发段温度在100 250 范围内，冷凝段入口温度保持25。工质采用蒸馏水，充注率为蒸发段长度的60%，蒸发段入口风速在0.5 m/s5.5 m/s范围内，冷凝段风速固定为3 m/s。图6 热虹吸管换热器效率与蒸发段风速的关系 (S. H. Noie15)Fig. 6 Variation of overall effectiveness of thermo
16、syphon heat exchanger at different evaporator air flow velocities (S. H. Noie 15) 图7 风速对热回收效率的影响 (S. B. Riffat16)Fig. 7 Effect of air velocity on the heat recovery effectiveness. (S. B. Riffat 16)图8 风速对压损系数的影响 (S. B. Riffat16)Fig. 8 Effect of air velocity on the pressure loss coefficient. (S. B. Rif
17、fat 16)英国的S. B. Riffat16在一个水平隔开的两区舱内测试了三种用于自然通风建筑的热管热回收单元的性能。热管工作温度为-40 100 ，工质采用甲醇，风速范围在0.3 m/s5.3 m/s之间，涵盖了实际中自然通风(0.5 m/s1 m/s)和强制通风(2 m/s4 m/s)的风速范围。研究表明，效率随着风速的增加而降低，翅片形状和热管布置方式对效率也有影响（图7），在低速自然通风情况下，压损系数随着风速的增加而降低，但总压损随风速增加（图8）。众所周知，当基于平均风速和水力直径的雷诺数大于200,000时，穿过风道的压力损失系数为常数。对于文献16中所使用的风道，要求平均风
18、速大于10 m/s。当雷诺数小于该临界值时，压力损失系数与雷诺数有关。从图8可以看到，压力损失系数随着平均风速的增加而降低，特别是在低速情况下，变化比较明显。因此，在低海拔的自然通风建筑物中，不考虑风和太阳的影响，设计的平均风速应当低于1 m/s，这样可以保证热回收系统正常工作。4工质的影响工质的物性对热虹吸管轴向传热能力的影响很大，如果把工质物性对热虹吸管传热能力的影响归纳为一个数群，则可以用准则数M来表示，准则数M定义如下17： (3)式中，为准则数，kW/m2；为液体的表面张力，N/m；为液体密度，kg/m3；为汽化潜热，kJ/kg；为液体动力黏度，Ns/m2。由上式可见，热虹吸管传热能
19、力的大小与工质的表面张力、汽化潜热、粘度和密度等物性参数有关，工质的准则数越高，则传热能力越好。研究人员对丙酮、甲醇、水、氨、R600a、R407C、R134a、R113等一系列工质进行了试验研究18-24。认为甲醇、乙醇和丙酮三种工质中，最佳工质是丙酮25。Mehmet Esen26试验研究了R134a、R407C和R22三种工质在热虹吸管真空管太阳能集热器中的热工性能。得到的最高温度为175 ，烘烤时间大约为2770分钟。从表1的试验结果可以看到，虽然R22和R134a的太阳辐射强度和外部环境温度较高，但是R407C表征出了更好的性能，烘烤时间最短。这可能是因为R407C的沸点较低，潜热较
20、高。表1 不同工质的热管太阳能烘烤系统 (Mehmet Esen 26)Table 1 Cooking trials in solar cooker for different working fluids (Mehmet Esen 26)瑞典皇家理工学院的Peter Rohlin27对非共沸制冷剂R22、R142b、R32、R134a以及R22和R142b、R32和R134a的混合物在水平管的流动沸腾传热系数进行了试验研究。试验装置如图9所示，在铜制环路热虹吸管内进行。蒸发段10 m长，有15 mm和9 mm两种内径，壁厚均为2 mm。 图9 试验装置示意图 (Peter Rohlin27)
21、Fig.9 Schematic view of the experimental apparatus (Peter Rohlin 27)图10 R32/R134a传热系数与蒸汽分数的关系 (Peter Rohlin27)Fig.10 Local heat transfer coefficient vs. vapor quality for R32/R134a (Peter Rohlin 27)结果表明，对所有工质在6 kW/m2时沿蒸发段的传热系数几乎为常数，R32的传热系数整体水平最高，在R32和R134a的混合物中，R32所占的比例越多，混合物表征出来的传热系数水平越高（图10）。在15
22、mm和9 mm管径的所有试验中都会发现，蒸汽质量接近0.5时，得到的传热系数比预期值稍微偏低。这可能与距离测点下游300 mm处的U行弯头的影响有关。 图11纯质制冷剂试验与理论关系式的结果比较 (Peter Rohlin27)Fig.11 Comparison of the experimental data with the correlation modeled in this work. Pure refrigerants. (Peter Rohlin 27)图12混合工质试验与纯质制冷剂推导的修正Jung关系式的比较 (Peter Rohlin27)Fig.12 Comparison
23、 of the experimental data for mixtures with the correlation modeled for pure refrigerants extended to mixtures by a modified Jungs correlation. (Peter Rohlin 27)试验给出了单质和混合制冷剂传热系数的试验值与理论值的比较，如图11、12所示。通过Dittus和Boelter方程计算单质制冷剂的传热系数；运用Froude数的F因子来修正Jung方程，计算混合制冷剂的传热系数。这样使不完全湿润与传热系数的影响关联起来。 图13 不同制冷剂外部
24、环境温度、平均水温、太阳辐射和集热效率的日变化 (Mehmet Esen28)Fig.13 Daily variations of ambient temperature, average water temperature, solar radiation and collection efficiency for different refrigerants (Mehmet Esen 28)图14不同制冷剂太阳辐射强度、外部环境温度和平均水温的日变化 (Mehmet Esen28)Fig.14 Daily variations of solar radiation, ambient tem
25、perature and average water temperature for different refrigerants. (Mehmet Esen 28)根据Mehmet Esen28对R134a、R407C和R410A三种工质在热虹吸管太阳能集热器中热工性能的试验研究发现，样机工作性能良好，不存在启动困难。在无负荷运行时，与其他制冷剂相比，R410A的平均温度最高，集热效率最高（图13）。图14给出了标准当地一天内三种不同制冷剂的外部环境温度、水温和测得的太阳辐射强度的变化趋势。第一次回收热水是上午11点，第二次是下午2点。回收热水后，都加入了5升25 的冷水。如图17所示，R4
26、10A在第一次回收时水温达到46 ，第二次达到58 ，之后达到51 ，表征出了最高的效率。5结论两相闭式热虹吸管作为一种高效相变传热元件，在地面散热和余热回收方面得到了广泛的应用。通过对影响两相闭式热虹吸管热工性能相关因素研究的综述性的介绍，探讨了各因素对其性能的影响规律和趋势，得到了如下结论：(1) 传热量随着充液量的增大不断增加，达到峰值后，有所降低。给出了最佳充液量的理论计算公式，试验得到了热虹吸管最佳充液量的范围为1/51/3。(2) 当倾斜角度较小时，传热量随倾角的增大迅速上升，当超过某一倾角后，传热量的变化就比较平坦。最佳倾角范围为5 40 。(3) 热虹吸管效率随着风速的增加而降
27、低，在低速自然通风情况下，压损系数随着风速的增加而降低，但总压损随风速增加而增加。风速降低会增加热回收率，但对于给定的热回收单元，不会增加回收的能量。(4) 工质的物性参数对热虹吸管热工性能影响很大，准则数越高，表征的热虹吸管的传热能力越好。研究发现，丙酮、R407C、R32和R410A等工质表征的热工性能较好。参考文献1 P. D. Dunn, D. A. Reay. Heat Pipes, third edition. Pergamon Press, 19942 刁彦华, 王秋良, 赵耀华. 低温热管传热性能的实验研究. 工程热物理学报, 2008.11, 29(11): 1898-190
28、0Diao Yeanhua, Wang Qiuliang, Zhao Yaohua. Experimental investigation on the heat transfer characteristic of a cryogenic thermosyphon. Journal of Engineering Thermophysics, 2008.11, 29(11): 1898-19003 唐志伟, 马重芳, 蒋章焰. 关于工业热管的回顾与展望. 北京工业大学学报, 2002, 28(4): 466-471Tang Zhiwei, Ma Chongfang, Jiang Zhangya
29、n, Retrospect and prospect about industrial heat pipes. Journal of Beiing Polytechnic University, 2002, 28(4): 466-4714 庄骏, 张红. 热管技术及其工程应用. 北京: 化学工业出版社, 2000: 67Zhuang Jun, Zhang Hong, Heat pipe technology and engineering application. Beijing: Chemical Industry Press, Beijing, 2000: 675 唐志伟, 高丽丽. 重力
30、热管喷涌不稳定性调控判据. 工程热物理学报, 2009.2, 30(2): 270-272Tang Zhiwei, Gao Lili. Gravity Heat Pipe Spewing Instability Regulation Criterion. Journal of Engineering Thermophysics, 2009.2, 30(2): 270-2726 焦波, 邱利民, 张洋. 重力热管冷凝段携带极限的理论研究. 工程热物理学报, 2008.6, 29(6): 1028-1030Jiao Bo, Qiu Limin, Zhang Yang. Theoretical In
31、vestigation on the Flooding Limit in Condenser of a Two-Phase Closed Thermosyphon. Journal of Engineering Thermophysics, 2008.6, 29(6): 1028-10307 陈彦泽. 两相闭式热虹吸传热过程及其非线性特征研究: 博士论文. 大连: 大连理工大学, 2005Chen Yanze. Nonlinear attribute and heat transfer oscillating characteristics in two phase closed thermo
32、syphon: Ph.D. thesis. Dalian: Dalian University of Technology, 20058 罗清海, 汤广发, 龚光彩, 等. 热虹吸管散热器的传热分析. 煤气与热力, 2004.5, 24(5): 249Luo Qinghai, Tang Guangfa, Gong Guangcai, et al. Heat transfer analysis on thermosyphon radiator. Gas and Heat, 2004, 24(5): 2499 Imura H, Sasaguchi K, Kozai H, et al. Critic
33、al heat flux in a two-phase thermosyphon. Int J Heat Mass Transfer, 1983, 26(8): 1181-118810 S. H. Noie. Heat transfer characteristics of a two-phase closed thermosyphon. Applied Thermal Engineering, 2005, 25: 495-50611 Negishi K, Sawada T. Heat transfer performance of an inclined two-phase closed t
34、hermosyphon. Int J Heat Mass Transfer, 1983, 26(28): 1207-121312 Feldman Jr K T, Sreinivasan R. Investigation of heat transfer limits in two-phase closed thermosyphon. Proc 5th Int Heat Pipe Conf. 198413 Quan Liao, Tien-Chen Jen, Qinghua Chen, Longjian Li, Wenzhi Cui. Heat transfer performance in 3D
35、 internally finned heat pipe. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50: 1231-123714 Salem A. Said, Bilal A. Akash. Experimental Performance of a Heat Pipe. Int. Comm. HeatMass Transfer, 1999, 26(5): 679-6815 S. H. Noie. Investigation of thermal performance of an air-to-air thermosyp
36、hon heat exchanger using e-NTU method. Applied Thermal Engineering, 2006, 26: 559-56716 S. B. Riffat, G. Gan. Determination of Effectiveness of Heat-Pipe Heat Recovery for Naturally-Ventilated Buildings. Applied Thermal Engineering, 1998, 18(34): 12l-13017 David Reay, Peter Kew. Heat Pipes. Fifth ed
37、ition. USA: Elsevier, 2006: 8218 于涛. 重力热管的制造及传热性能测试: 硕士论文. 山东: 山东大学, 2008Yu Tao, Production process and performance testing of thermosyphon: Master thesis. Shandong: Shandong University, 200819 S. H. Noie-Baghban, G. R. Majideian. Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger (HPHE) for surgery
38、 rooms in hospitals. Applied Thermal Engineering, 2000, 20: 1271-128220 李英娜. 应用于空调系统热管换热器的研究: 硕士论文. 上海: 东华大学, 2005Li Yingna, Study of heat pipe heat exchanger applied in air-conditioning system: Master thesis. Shanghai: Donghua University, 200521 赵安林. R600a在重力热管散热器中的工作实验研究: 硕士论文. 重庆: 重庆大学, 2002Zhao
39、Anlin, Experimental investigation of thermosyphon radiator for refrigerant R600a: Master thesis. Chongqing: Chongqing University, 200222 R. Sindhuja, A. R. Balakrishnan, S. Srinivasa Murthy. Critical heat flux of R407C in upflow boiling in a vertical pipe. Applied Thermal Engineering, 2008, 28: 1058
40、-106523 H. Hagens, F. L. A. Ganzevles, C. W. M. van der Geld, M. H. M. Grooten. Air heat exchangers with long heat pipes: Experiments and predictions. Applied Thermal Engineering, 2007, 27: 2426-243424 S. V. Konev, J. L. Wang, C. J. Tu. Characteristics of A Heat Exchanger Based On A Collector Heat P
41、ipe. Heat Recovery Systems & CHP, 1995, 15(5): 493-50225 吴治娟. CPU重力热管使用不同天然工质时的传热特性实验研究: 硕士论文. 重庆: 重庆大学, 2002Wu Zhijuan, Experimental study on heat transfer characteristics of thermosyphon under different natural working fluid: Master thesis. Chongqing: Chongqing University, 200226 Mehmet Esen. Ther
42、mal performance of a solar cooker integrated vacuum-tube collector with heat pipes containing different refrigerants. Solar Energy, 2004, 76: 751-75727 Peter Rohlin. Heat transfer coefficients of zeotropic refrigerant mixtures and their pure components in horizontal flow boiling-an experimental study. Proceedings of the ASME, 1997, 3728 Mehmet Esen, Hikmet Esen. Experimental investigation of a two-phase closed thermosyphon solar water heater. Solar Energy, 2005, 79: 459-461
