热管换热器结构优化研究

高贺轩

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

1 重力式热管工作原理

重力式热管又称为两项闭式热虹吸管，是热管换热器的主要部件。工作时热流体从外部流过热管的蒸发段，使蒸发段内的液体工质受热蒸发为气体。在压力差的作用下，含有潜热的气体工质迅速运动到热管的冷凝段。冷凝段外部冷流体流过，气体工质放出潜热后凝结。最后在吸液芯毛细吸收力的作用下重新回到蒸发段，完成一次热量传递过程。

2 热管换热结构优化

为提高热管的换热性能，目前最常采用的是扩展表面的方式。既：在光管上增加翅片。扩展面与光管相比不但增大了传热面积，而且打断了其边界层的连续发展，提高了扰流程度，增加了传热系数，从而能够强化传热[1]。但是，该方法提高换热性能有限,需要借助于其他方法。Lozza等试验研究了平直翅片，波纹翅片及百叶窗翅片，结果表明：换热器性能在不同翅片条件下差别较大[2]。

笔者希望借助改变翅片的倾斜角，将原来热管的平直翅片改变为带有倾斜角的翅片。使流体流过均匀倾角波纹状翅片的倾角改变处时，打断流体原有的边界层，提高扰流度，进而提高换热性能。带有倾斜角翅片热管模型图如下图所示：

图2-1 带有倾斜角翅片热管模型图

3 数值模拟

3.1 模型建立。管外径d0=32mm，管内径di=26 mm，翅片高度h=15 mm，翅片厚度δ=1.2 mm，翅片间距S=4mm，翅片角度15度。

设热管呈等边三角形的排列形式，各管的管间距为800mm。取两根热管作为研究对象，对热管的模型进行模拟。考虑到热管换热器的周期性和对称性，取最小的重复单元作为计算区域。根据计算区域简化情况对边界类型进行设置。网格划分情况及边界条件设置示意图如图2所示

3.2 边界条件。入口流体为空气，入口温度为20℃，入口速度为3m/s，翅片材料为钢。热管的传热量受外部温度场的影响，同一热管换热器中，各排热管的换热量不同。为了使模拟过程简单化，笔者假设模拟区域内两根热管传热量相同，即气态工质冷凝放热时向管壁的放热量相同，取其值为2000W，可确定该条件下热管内管壁的定热流密度为24390W/m2。

图3-1 网格划分情况及边界条件设置示意图

3.3 模拟结果。冷流体经热管加热后的温度及流体的压力降是衡量热管换热器性能的重要指标，也是研究的重点。因此，将着重关注冷流体的出口温度及压力降低情况。

由模拟结果可知，20℃的冷流体经倾角为15度的波纹翅片热管换热后，温度变化区间为30℃至47℃，冷流体出口的平均温度为36℃，共换热129.4W。

流体经倾角为15度的波纹翅片热管换热后，压力变化降低区间为30.4pa至32pa。通过软件计算得到冷流体出口的平均压力降为31pa。

4 结构优化后数据对比

采用上节中的方法，同样对常规翅片热管进行研究。采用同样的模型建立方法及边界条件。20℃的冷流体经常规翅片热管换热后，温度变化区间为27℃至47℃，冷流体出口的平均温度为32℃，经计算换热量为97.1W。

流体经常规翅片热管换热后，压力变化降低区间为-17.18pa至-17.42pa。通过软件计算得到冷流体出口的平均压力降为17.3pa。

常规翅片热管中，冷流体经冷凝段后共吸收热量97.1W。经倾角为15度的波纹翅片热管后，冷流体经冷凝段后共吸收热量129.4W。热管结构优化后，冷流体吸收热量显著提高。热管吸热量增加32.3W，热管的换热性能提升高达33.3%。但由于翅片倾斜角的改变，冷流体的阻力会相应增加。流体出口的平均压力降由17.3pa增加到31pa。可见阻力增加13.7pa，阻力增加高达79%。

5 结论

将常规翅片热管改变为带有15度倾斜角的热管后，经研究换热性能增强。换热性能提升达到33.3%。但同时使热管的阻力显著提高，阻力提高高达79%。

换热器的主要目的是提高换热性能，当冷流体的压力降允许有较大范围的降幅时，可以采用改变热管翅片角度的方法，提高热管的换热性能。