093483周峰 关于两相闭式热虹吸管热工性能参数的研究进展.docx

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093483周峰关于两相闭式热虹吸管热工性能参数的研究进展

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200~500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.1Structureandworkingprincipleoftwo-phaseclosedthermosyphon

两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，N·s/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.Imura[9]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1/5~1/3，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，N·s/m2；为液体工质密度，kg/m3；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0.25~0.30。

伊朗的S.H.Noie[10]试验研究了输入热流量（100W~900W）、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980mm外径32mm壁厚3.5mm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热二极管特性与充液量的关系（K.Negishi[11]）

Fig.2Plotofthermaldiodeangleagainstfillratio（K.Negishi[11]）

图3传热极限与充液量的关系（K.T.Feldman,Jr.[12]）

Fig.3Influenceofliquidfillonheattransportlimitofthermosyphon（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15mm的标准铜管制成，长330mm，壁厚1mm，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0.023~0.29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）Evaporationheattransfercoefficient（b）Condensationheattransfercoefficient

图4传热系数与倾角的关系（QuanLiao[13]）

Fig.4Heattransfercoefficientvs.Inclinedangle（QuanLiao[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QuanLiao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5.0kW/m2~40kW/m2之间，倾角在2°~90°范围内。

热管外径27mm，壁厚3mm，蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为700mm、100mm和750mm。

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SalemA.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.Negishi[11]）

Fig.5Heattransferperformancevs.inclination（K.Negishi[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15mm的标准铜管制成，长330mm，壁厚1mm。

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20º~40º范围内；工质为乙醇时，必须使倾角大于5º。

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.Noie[15]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段迎面风速相等，并且随着蒸发段入口风速降低到0.5m/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600mm，中心绝热段的长度为100mm。

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0.5m/s~5.5m/s范围内，冷凝段风速固定为3m/s。

图6热虹吸管换热器效率与蒸发段风速的关系（S.H.Noie[15]）

Fig.6Variationofoveralleffectivenessofthermosyphonheatexchangeratdifferentevaporatorairflowvelocities（S.H.Noie[15]）

图7风速对热回收效率的影响（S.B.Riffat[16]）

Fig.7Effectofairvelocityontheheatrecoveryeffectiveness.（S.B.Riffat[16]）

图8风速对压损系数的影响（S.B.Riffat[16]）

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