两相闭式热虹吸管最佳传热工况的数值分析

闫明宇， 孙 铁, 杨雪峰， 孟庆娟

(1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001； 2.抚顺职业技术学院，辽宁抚顺 113122)



两相闭式热虹吸管最佳传热工况的数值分析

闫明宇1， 孙 铁1, 杨雪峰1， 孟庆娟2

(1.辽宁石油化工大学，辽宁抚顺 113001； 2.抚顺职业技术学院，辽宁抚顺 113122)

为了提高两相闭式热虹吸管的传热效率，在不同工作情况下利用FLUENT模拟软件对两相闭式热虹吸管进行数值模拟，主要考察两相闭式热虹吸管蒸发段的壁温、充液率对传热效率的影响。结果表明，当两相闭式热虹吸管的蒸发段壁温为570 K,并且其蒸发段的充液率为50%时，两相闭式热虹吸管的传热效率最佳。

两相闭式热虹吸管； 数值模拟； 传热效率

由于两相闭式热虹吸管内没有吸液芯这一特点，所以和普通热管相比较，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，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件，其应用领域非常广泛，已在各行各业的热能综合利用的余热回收技术中发挥了巨大的作用。几十年来，国内外学者已对热管有了深入的研究。M.Shiraish等[1]在1981年提出的竖直两相闭式热虹吸管的传热模型最为简明清晰，并与实验结果符合得较好。张鸣运、孙世梅等[2-4]利用数值模拟对高温热管换热器强化传热及结构优化研究，得到了很好的传热效果。但当前两相闭式热虹吸管存在许多影响其传热性能的重要因素，非常有必要对影响两相闭式热虹吸管的传热因素进行研究，对其传热效率进行优化。

通过前人的研究成果可以看出[5-9]，影响两相闭式热虹吸管传热效率的因素有很多，而本文则准备对两相闭式热虹吸管在不同的充液率以及两相闭式热虹吸管蒸发段壁温不同的情况下，进行数值模拟，得出最佳的传热工况，对两相闭式热虹吸管进行传热效率的优化。

1 FLUENT数值模拟

1.1 模型的选择

傅里叶定律揭示导热问题的基本规律：即在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向与温度升高的方向相反。由傅里叶定律并结合能量守恒定律，建立了导热微分方程：

当流体处于湍流状态时，流层间的流体质点相互掺混，湍流会使得流体质点介质之间相互交换动力、能量和物质。在FLUENT模拟软件中，湍流模型的作用就是其自身可以产生未知量从而将湍流流动方程组进行封闭[10]。在本文中采用的FLUENT湍流模型为k-ω：

式中，k为湍动能，K；ρ为流体密度，kg/m3;Gk为层流速度梯度而产生的湍流动能；Yk为由于微元体扩散产生的动能；Sk为源项；Γk为微元体产生的扩散率。

由于水和水蒸气是不同相之间的质量传递和能量传递，所以需要用到UFD程序定义不同相之间的质量传递和能量传递。两相闭式热虹吸管内部传热比较复杂，在FLUENT求解器设置选择2D、非定常(Unsteady)，模型选择mixture多相流混合模型，基本相定义为水。

1.2 边界条件

在Gambit中建立的网格模型如图1所示。

图1 网格模型

Fig.1 Mesh model

将两相闭式热虹吸管平均分为三段，最底段为两相闭式热虹吸管的蒸发段，中间段为两相闭式热虹吸管的绝热段，最上段为两相闭式热虹吸管的冷凝段。通过对蒸发段边界条件设定的温度不同来模拟两相闭式热虹吸管的蒸发段管壁在不同温度下的FLUENT数值分析。在初始化时，分别将蒸发段的充液率设置为40%、50%、60%，以此来模拟分析热管在不同充液率下的工作情况，并且对冷凝段的壁面进行传热系数与热通量的记录。

2 模拟结果及分析

2.1 模拟结果

图2所示为两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为50%加热开始2 s时热管内部水蒸气的云图分布情况，从图2中可以看出，在液面上表面有部分水蒸气产生，并且水蒸气的密度是从管壁向热管中心处逐渐减小的，沿着壁面也有稀少的水蒸气产生。这是由于加热刚开始阶段，热量由壁面外表面传入管内，靠近壁面处的温度要高于热管中心的温度，所以靠近管壁处的水蒸气密度要高于热管中心处水蒸气的密度。

图2 2 s时热管内部水蒸气云图

Fig.2 The heat pipe internal water vapor cloud at 2 s

图3所示为两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为50%,管壁加热8 s时热管内部水蒸气的云图，从图3中可以看出，水蒸气沿着管壁逐渐上升，热管中心处的水蒸气密度相对较小。这是由于当两相闭式热虹吸管的蒸发段加热一段时间以后，热管蒸发段中的液池沸腾开始剧烈，产生大量的水蒸气。随着水蒸气上升的高度增加，到达两相闭式热虹吸管的绝热段，由于绝热段壁面温度的降低，靠近热管管壁处的水蒸气密度逐渐减小，但仍有部分水蒸气沿管壁上升。

图4所示为两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为50%，内部水蒸气上升到冷凝段时的云图分布，从图4中可以看出,当两相闭式热虹吸管蒸发段加热14 s时，热管管壁处几乎没有水蒸气，这是由于水蒸气上升到冷凝段遇冷，冷凝成液膜，沿着壁面下降回到了蒸发段液池中。同时，在两相闭式热虹吸管绝热段处的水蒸气密度较大，随着靠近冷凝段，水蒸气的密度逐渐减小。

图3 8 s时热管内部水蒸气云图

Fig.3 The heat pipe internal water vapor cloud at 8 s

图4 14 s时热管内部水蒸气云图

Fig.4 The heat pipe internal water vapor cloud at 14 s

2.2 模拟结果分析

通过改变两相闭式热虹吸管蒸发段壁面的边界条件进行模拟，将边界条件中的温度分别设置为500、540、570 K，在FLUENT初始化时将蒸发段的充液率分别设置为40%、50%、60%的分组进行FLUENT数值模拟。并且通过FLUENT模拟软件对两相闭式热虹吸管的冷凝段进行热通量的监控以及传热系数的计算。根据FLUENT计算结果如表1所示。

从表1中可以看出，当两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为40%时，蒸发段的壁温分别为500、540、570 K时，两相闭式热虹吸管冷凝段的传热效果不是很好。这是因为当两相闭式热虹吸管蒸发段的壁温为500 K时，热管蒸发段的液池沸腾不是很剧烈，液池进行的是自然对流蒸发。当两相闭式热虹吸管蒸发段中的充液率达到50%时，随着蒸发段的壁温增大，两相闭式热虹吸管冷凝段的传热系数和热通量也随着增大，在热管蒸发段的壁温达到570 K时，冷凝段的传热系数以及热通量达到最大。当两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为60%时，随着蒸发段的壁温增大，两相闭式热虹吸管冷凝段传热系数和热通量变化不是很明显，主要是因为随着充液率的增大，液面过高会减小水蒸气的体积，从而增大了压力，不利于水蒸气的产生，气相压力对传热系数的影响处于主导地位，传热系数增大到一定程度后开始下降，进而降低了传热的效果。

表1 不同工况下热管冷凝段的传热系数和热通量

3 结论

在不同工况下，对两相闭式热虹吸管进行了数值模拟，得到了两相闭式热虹吸管在不同工况下冷凝段的传热系数以及热通量，并对其进行了分析，得到如下结论：

(1) 随着两相闭式热虹吸管蒸发段的壁面温度上升，壁面过热度增加，沸腾汽化核心增多，加剧了沸腾，利于蒸发段的泡核沸腾传热，使产生的气泡成长加快，从而热管冷凝段的传热系数增大。

(2) 当两相闭式热虹吸管蒸发段的充液率为50%，并且蒸发段的壁温为570 K时，两相闭式热虹吸管的传热效率较佳。

(3) 本文主要是以钢—水热管为研究对象，工质的物理性质对热管性能有很大的影响。如工作介质的表面张力大，可以提供较大毛细力；高的蒸发潜热有利于轴向传热等。所以非常有必要对其他工作介质进行研究，比如丙酮、甲醇、乙醇等它们的物理性质与水大不相同，在不同的工作环境中也会对热管的传热性能产生影响。

[1] Shiraishi M，Kikuchi K，Yamarcishi T. Investigation of heat transfer characteristics of a two phase closed thermosyphon //4th international heat pipe conference [C].London:[s.n.], 1981: 95-104.

[2] 张鸣运, 来克明. 闭式两相热虹吸管冷却段内凝结换热特性的研究[J]. 西安交通大学学报, 1994(5):125-129.

Zhang Mingyun,Lai Keming.The study of the heat transfer characteristics of the cooling section of the two-phase closed thermosyphon[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,1994(5):125-129.

[3] 孙世梅, 张红. 高温热管换热器局部强化传热数值模拟[J]. 石油化工设备, 2007, 36(6):55-58.

Sun Shimei,Zhang Hong.Study on design of reliability and structure optimum for high temperatrue heat pipe heat exchanger[J].Petrochemical Equipment, 2007, 36(6):55-58.

[4] Naphon Paisarn, Assadamongkol Pichai, Borirak Teerapong. Experimental investigation of titanium nanofluids on the heat pipe thermal efficiency[J]. International Communications in Heat and Mass. Transfer, 2008, 35(10):1316-1319.

[5] 程伟良，狄安，季辉，等. 重力热管换热性能的优化分析[J]. 华电技术, 2013, 35(1): 23-26.

Cheng Weiliang,Di An,Ji Hui,et al.The optimization analysis of heat transfer performance of gravity heat pipe[J].Huadian Technology,2013, 35(1): 23-26.

[6] 魏琪, 袁朗. 水-甲醇混合工质两相闭式热虹吸管传热特性的研究[J]. 力学与实践, 2000, 22(2): 49-52.

Wei Qi,Yuan Lang.On heat transfer in a closed two-phase thermosiphon working with mixture of water and methanol[J].Mechanics In Engineering,2000, 22(2): 49-52.

[7] 王鑫煜, 辛公明, 田富中, 等. 两相闭式热虹吸管强化传热研究进展[J]. 化工进展, 2012, 31(5): 965-973.

Wang Xinyu,Xin Gongming,Tian Fuzhong,et al.Research progress of heat transfer enhancement in two-phase closed thermosyphon[J].Chemical Industry and Engineering Progress,2012, 31(5): 965-973.

[8] 杨郁满，孙铁，于恩播，等.基于FLUENT的热管换热器纵向冲刷方式模拟[J].辽宁石油化工大学学报，2014,34(3):71-74.

Yang Yuman,Sun Tie,Yu Enbo,et al.Simulation and analysis of vertical scour way of heat pipe exchanger based on Fluent[J].Journal of Liaoning Shihua University,2014,34(3)：71-74.

[9] 郑荣波, 刘刚, 刘自华. 两相闭式热虹吸管的几何尺寸对其换热性能的影响研究[J]. 制冷, 2009, 28(2): 19-23.

Zheng Rongbo,Liu Gang,Liu Zihua.Study on the dimension of two-phase closed thermosyphon influence on the heat transfer performance[J].Refrigeration,2009, 28(2): 19-23.

[10] 唐家鹏. FLUENT14.0超级学习手册[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2013: 30-38.

(编辑 王亚新)

The Numerical Analysis of the Two-Phase Closed Thermosyphon Under the Best Working Condition

Yan Mingyu1， Sun Tie1， Yang Xuefeng1, Meng Qingjuan2

(1.Liaoning Shihua University，Fushun Liaoning 113001，China;2.FushunVocationalTechnologyInstitute,FushunLiaoning113001,China.)

In order to improve the heat transfer efficiency of the two-phase closed thermosyphon, different working conditions of the two-phase closed thermosyphon under different working condition were simulated by the FLUENT software. Including,the two-phase closed thermosyphon under the working condition of different influence of wall temperature of the evaporation zone, and the different filling factor of the evaporation zone on heat transfer efficiency was studied. The results showed that when the wall temperature of the evaporation was 570 K and the filling factor of the evaporation was 50%, the best heat transfer efficiency of the two-phase closed thermosyphon was best.

Two-phase closed Thermosyphon; Numerical simulation; Heat transfer efficiency

1006-396X(2015)05-0091-04

2014-09-12

2015-03-12

辽宁省自然科学基金项目(2013020117)。

闫明宇(1989-)，男，硕士研究生，从事高效节能石化装备的研究与开发；E-mail: 349041254@qq.com。

孙铁(1964-)，男，硕士，教授，从事高效节能石化装备的研究与开发；E-mail:15141366088@139.com。

TE965

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2015.05.018