内螺纹重力热管的特性分析_舒水明

第36卷第6期2008年6月 化　学　工　程C H E M I C A LE N G I N E E R I N G (C H I N A ) V o l .36N o .6J u n .2008作者简介:方书起(1964—),男,副教授,硕士生导师,研究方向为过程设备强化;赵凌(1980—),硕士生,通迅联系人,E -m a i l :z h a o 529810@s o h u .c o m 。

螺旋槽重力热管强化传热实验研究方书起,赵　凌,史启辉,路慧霞(郑州大学化工学院,河南郑州　450001)摘要:为了提高重力热管的传热能力,用螺旋槽表面结构来强化重力热管传热,并以水为工质进行了传热特性实验研究。

自制热电偶和热管并搭建实验设备,改变加热功率,测得在不同的蒸汽温度下的热管壁温。

实验结果表明:以管内等效对流换热系数为评价指标,与普通重力热管相比,螺旋槽重力热管的对流换热系数提高了10%—23%,其中槽深和螺距对传热有很大的影响。

关键词:重力热管;螺旋槽;强化传热中图分类号:T Q 028.94 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2008)06-0019-03E x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f e n h a n c e dh e a t t r a n s f e rf o r s p i r a lg r o o v e g r a v i t yh e a t pi p eF A NG S h u -q i ,ZH A O L i n g ,S HI Q i -h u i ,L UH u i -x i a(S c h o o l o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ,Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ,Z h e n g z h o u 450001,H e n a n P r o v i n c e ,C h i n a )A b s t r a c t :U s i n g s p i r a l g r o o v e o n t h e s u r f a c e t o e n h a n c e t h e h e a t t r a n s f e r i n t h e g r a v i t y h e a t p i p e w a s p r o p o s e d .T h e e x p e r i m e n t a l d e v i c e w a s b u i l t a n d t h e r m a l p o w e r w a s c h a n g e d .T h e w a l l t e m p e r a t u r e o f t h e h e a t p i p e u n d e r d i f f e r e n ts t e a mt e m p e r a t u r e w a s o b t a i n e d b y t h e s e l f -m a d e t h e r m o c o u p l e s .T h e r e s e a r c h o f h e a t t r a n s f e r w a s c o n d u c t e d u s i n g w a t e r a s r e f r i g e r a n t s .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e h e a t t r a n s f e r c a p a c i t y o f t h e s p i r a l g r o o v e g r a v i t y h e a t p i p e i s 10%-23%h i g h e r t h a n t h a t o f t h e o r d i n a r y g r a v i t y h e a t p i p e ,w i t h t h e e q u i v a l e n t c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a s e v a l u a t i o n i n d i c a t o r .T h e h e a t t r a n s f e r i s v e r y a f f e c t e d b y g r o o v e d e p t h a n d w h o r l i n t e r v a l .K e y w o r d s :g r a v i t y h e a t p i p e ;s p i r a l g r o o v e s ;e n h a n c e d h e a t t r a n s f e r 重力热管又称二相闭式热虹吸管。

小管径螺纹重力热管的传热性能研究重力热管以其优良的传热性能、良好的等温性、广泛的适用性、热流密度可变性、两侧热阻可调性和结构简单等优点受到人们的重视,在很多行业中得到了应用。

随着能源高效利用和强化传热技术的进一步发展,普通重力热管在某些条件下已不能满足传热和冷却的要求。

上世纪90年代以来,各国开始对重力热管的强化传热技术进行了广泛的研究,文献研究表明,对重力热管进行管内强化可以从根本上提高管内的沸腾和凝结换热系数。

本文提出一种较为新颖的内螺纹结构的强化重力热管,对其传热性能加以实验研究和理论分析。

本文首先对一组闭式螺纹重力热管和开式螺纹重力热管进行了系统的实验研究,并与同工况下管内径相近的光滑重力热管进行了对比实验。

结果表明:螺纹结构可以缩短闭式和开式重力热管的启动时间,但在稳定工作过程中,闭式螺纹热管的温度波动略大于光管;螺纹结构能够有效强化闭式和开式重力热管内部的沸腾和凝结换热,能够减小闭式和开式重力热管的内热阻。

在实验基础上,本文分析了螺纹结构影响管内沸腾和凝结换热的机理,提出在考虑螺纹结构参数影响相变换热的同时还应重视管径效应对螺纹强化效果的影响;通过实验研究和机理分析,本文引入了两个螺纹强化相变换热因子,分别对文献中提出的沸腾和凝结换热理论公式加以修正,使理论计算结果能较好地与实验结果相吻合,最大相对误差小于20%。

本文还将开式螺纹重力热管与相同尺寸的闭式螺纹重力热管进行了对比研究。

实验结果表明:在较低工况时,开式螺纹重力热管的传热性能远低于闭式重力热管;随着工况提高,其传热性能逐渐提高;至第一转折点附近,开式螺纹热管的性能逐渐接近并超过了闭式螺纹热管,其内热阻小于闭式热管,其中沸腾换热系数与闭式热管相近,凝结换热系数和单管传输功率逐渐超过闭式热管。

因此,开式螺纹重力热管比较适合在高工况下运行。

第３４卷㊀第４期沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报Ｖｏｌ.３４㊀Ｎｏ.４２０２０.１２ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＥＮＹＡＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＤｅｃ.２０２０收稿日期:㊀２０１９－０３－２６基金项目:㊀国家自然科学基金面上项目(６１４７３０５６)作者简介:㊀战洪仁(１９６４ )ꎬ女ꎬ山东蓬莱人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事强化传热与节能技术的研究.文章编号:㊀２０９５－２１９８(２０２０)０４－０３５２－０６带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究战洪仁ꎬ㊀张倩倩ꎬ㊀史㊀胜ꎬ㊀王立鹏ꎬ㊀惠㊀尧(沈阳化工大学能源与动力工程学院ꎬ辽宁沈阳１１０１４２)摘㊀要:㊀通过数值模拟研究ꎬ在不同加热功率条件下分析蒸发段有无内螺纹的重力热管数值模型ꎬ利用沸腾传热机理结合模拟结果分析加热功率㊁蒸发段内壁有无内螺纹对重力热管传热性能的影响.结果表明:在其他条件相同时ꎬ同一时刻下蒸发段带有内螺纹的重力热管生成汽泡更快且数量更多ꎬ从而缩短了达到沸腾时所需的时间ꎬ提高了传热效率.总体上ꎬ蒸发段带有内螺纹的重力热管的传热系数比普通管高ꎬ管内传热得到了强化.关键词:㊀重力热管ꎻ㊀内螺纹ꎻ㊀数值模拟ꎻ㊀传热系数ꎻ㊀强化传热ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－２１９８.２０２０.０４.０１３中图分类号:㊀ＴＫ１７２ ４㊀㊀㊀文献标识码:㊀Ａ㊀㊀热管是一种高效的传热元件ꎬ比较常见的是两相闭式热虹吸管(ＴＰＣＴ)ꎬ也称为重力热管.由于其高效的传热性能ꎬ使其在制冷[１]㊁太阳能[２－３]㊁采暖[４]㊁余热回收[５－６]等方面广泛应用.随着研究成果越来越多ꎬ人们开始通过不同角度对热管进行更深层次的探索.近年来许多学者通过实验方法研究了表面异形结构[７－８]对热管传热效果的影响.Ｗａｎｇ等[９]研究了带有内螺旋结构的两相闭式热虹吸管冷凝段的传热性能ꎬ实验结果证明内螺旋结构的设计不仅可以提高两相闭式热虹吸管的冷凝传热系数ꎬ还改善了冷凝段的热响应特性.方书起等[１０]在重力热管的管内表面加上螺旋槽ꎬ通过对比螺旋槽热管和光滑热管的实验结果发现螺旋槽热管的等效对流换热系数比光滑热管的等效对流换热系数高出１０％~２３％.邓斌等[１１]研究了不同处齿形内螺纹传热管的蒸发性能ꎬ实验表明交叉齿管的传热性能明显高于普通管的传热性能ꎬ这是因为一方面换热面积得到增加ꎬ另一方面主齿和副齿之间形成的小凹坑可以增加换热过程中的汽化核心.杜斌等[１２－１３]在实验条件下研究了不同单线内螺纹分布的内螺纹重力热管的换热系数.实验发现在整根重力热管的内表面布置内螺纹结构时ꎬ热管的换热系数能够得到明显提高ꎬ而且随着油浴温度的增加换热系数呈线性增加.辛公明等[１４－１６]在实验条件下测定了交叉齿内螺纹重力热管在水平和垂直条件下的传热特性ꎬ实验结果表明:在水平条件下ꎬ交叉齿内螺纹重力热管比普通热管表现出较高的传热极限ꎻ在垂直条件下ꎬ虽然在较低功率时交叉齿内螺纹热管的传热极限低于普通重力热管ꎬ但随着加热功率的增加其传热极限明显高于普通重力热管.综上所述ꎬ对带有内螺纹重力热管的实验研究成果较多ꎬ但目前的实验成果并未能深入地阐述其强化传热机理.通过建立数值模型求解两相闭式热虹吸管内部的传热机理ꎬ不仅降低了研究成本ꎬ也使热管内部的可视化分析更为容易.本文建立了蒸发段带有内螺纹的两相闭式热虹吸管的数值模型ꎬ通过ＣＦＤ(ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ)软件对其进行模拟计算ꎬ并进行可视化研究和分析ꎬ以期获得内螺纹对热管内部复杂两相流传热机理的影响规律ꎬ从而为工程实践提㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５３㊀供理论支持.１㊀数值模拟１ １㊀几何模型的选择根据两相闭式热虹吸管的工作原理建立如图１所示模型.两相闭式热虹吸管分为加热段㊁绝热段和冷凝段３部分ꎬ内部没有吸液芯ꎬ依靠重力作用使管内工质进行循环运动.热管全长６００ｍｍꎬ外径１０ｍｍꎬ壁厚１ｍｍ.蒸发段㊁绝热段和冷凝段长度分别为２００ｍｍ㊁１００ｍｍ和３００ｍｍꎬ内螺纹的螺距１ｍｍꎬ齿高０ ５ｍｍ.计算使用的二维模型如图２所示ꎬ在管内工质主要相变的壁面处进行网格加密处理ꎬ加密后流体区域的网格总数为１３６２７２.模拟设置的加热功率分别为２５Ｗ㊁４１Ｗ㊁５７Ｗ㊁７３Ｗ㊁８９Ｗ和１０８Ｗꎬ在模型的外壁面处设置测温点.加热段设置４个监测点:ｅ１㊁ｅ２㊁ｅ３和ｅ４ꎻ绝热段设置２个监测点:ａ１和ａ２ꎻ冷凝段设置４个监测点:ｃ１㊁ｃ２㊁ｃ３和ｃ４.具体位置如图３所示.图１㊀带有内螺纹的两相闭式热虹吸管示意图Ｆｉｇ １㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｗｏｐｈａｓｅｃｌｏｓｅｄｔｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓ图２㊀计算网格模型Ｆｉｇ ２㊀Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｇｒｉｄｍｏｄｅｌ图３㊀温度监测点分布示意图Ｆｉｇ ３㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ１ ２㊀相变模型蒸发和冷凝过程的质量源项(Ｓｑ)和能量源项(Ｓｅ)用ＤｅＳｃｈｅｐｐｅｒ等[１７]的研究结果来设置ꎬ如表１所示.在质量源项中蒸发段液相的弛豫时间参数为－０ １ꎬ气相的弛豫时间参数为０ １.而冷凝段刚好与之相反.在能量方程中蒸发段的弛豫时间参数为－０ １ꎬ冷凝段的弛豫时间参数为０ １.Ｔｓ表示工质的饱和温度ꎻΔＨ表示蒸汽焓ꎬ单位物质的能量变化.表１㊀质量源项和能量源项表示Ｔａｂｌｅ１㊀Ｔｈｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｑｕａｌｉｔｙｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍａｎｄｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅｔｅｒｍ位置质量传递液相气相能量传递蒸发段Ｓｑ＝－０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓＳｑ＝０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓＳｅ＝－０.１αｌρｌＴｌ－ＴｓＴｓΔＨ冷凝段Ｓｑ＝０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓＳｑ＝－０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓＳｅ＝０.１αｖρｖＴｖ－ＴｓＴｓΔＨ㊀３５４㊀沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年１ ３㊀ＶＯＦ模型在Ｆｌｕｅｎｔ软件中设置模拟条件时ꎬ由于实际影响因素比较复杂ꎬ所以假设管内气体是理想不可压缩气体.目前在Ｆｌｕｅｎｔ软件中提供了３种模型ꎬ分别是流体体积函数模型(ＶＯＦ)㊁混合模型(ｍｉｘｔｕｒｅ)和欧拉模型(ｅｕｌｅｒｉａｎ).研究结果表明ＶＯＦ模型更适合重力热管内部流动过程的计算[１８].在ＶＯＦ模型中ꎬ各相体积分数的计算采用基于网格的表面跟踪方法ꎬ在单元控制容积中所有相的体积分数之和为１ꎬ即αｌ＋αｖ＝１.(１)㊀㊀在Ｆｌｕｅｎｔ软件中需要通过设定方程式来进行计算ꎬＶＯＦ模型中通常需要３大方程:连续性方程㊁动量方程和能量方程.连续性方程为∂αｑ∂ｔ＋Ñ (αｑｕ)＝Ｓｑρｑ(２)其中:Ｓｑ是连续性方程中的质量源项ꎬｋｇ/(ｍ３ ｓ)ꎻρ是密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｕ是各相的实际速率ꎬｍ/ｓꎻｔ为时间ꎬｓ.混合相的密度和动力黏度系数由体积分数决定ꎬ所以有ρ＝ð２ｑ＝１αｑρｑꎬ(３)μ＝ð２ｑ＝１αｑμｑ.(４)动量方程为∂∂ｔ(ρｕ)＋Ñ ρｕｕ＝－Ñｐ＋Ñ[μÑｕ＋Ñｕ]＋ρｇ＋ＦＣＳＦ.(５)其中:ｐ是压强ꎬＮ/ｍ２ꎻμ是动力黏度系数ꎬＰａ ｓꎻｇ是重力加速度ꎬｍ/ｓ２ꎻＦＣＳＦ是单位流体所受表面张力大小ꎬＮ/ｍ３ꎻｕ是实际速度矢量ꎬｍ/ｓ.能量方程为∂∂ｔ(ρＥ)＋Ñ[ｕ(ρＥ＋ｐ)]＝Ñ(ＫｅｆｆÑＴ)＋Ｓｅ.(６)其中:Ｅ是控制体比能ꎬＪ/ｋｇꎻＳｅ是相变能量源项ꎬＷ/ｍ３ꎻＫｅｆｆ是有效导热系数ꎬＷ/(ｍ２ Ｋ)ꎻＴ是温度ꎬＫ.傅里叶定律揭示了导热问题的基本规律:在导热现象中ꎬ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ꎬ而热量传递的方向与温度升高的方向相反.由傅里叶定律结合能量守恒建立导热微分方程[１９]ρｃ∂ｔ∂τ＝∂∂ｘλ∂ｔ∂ｘæèçöø÷＋∂∂ｙλ∂ｔ∂ｙæèçöø÷＋∂∂ｚλ∂ｔ∂ｚæèçöø÷＋̇φ.(７)其中:ρ为微元体的密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｃ为微元体的比热容ꎬＪ/(ｋｇ Ｋ)ꎻλ为微元体的导热系数ꎬＷ/ (ｍ Ｋ)ꎻ̇ϕ为内热源.分别计算分析带有内螺纹和光滑内表面的两相闭式热虹吸管的蒸发段和冷凝段的传热系数ꎬ方程式[２０]为ｈｅ＝ＱπｄｉＬｅ( Ｔｅ－Ｔｓ)ꎬ(８)ｈｃ＝ＱπｄｉＬｃ(Ｔｓ－ Ｔｃ).(９)为了验证数值模拟结果的可靠性ꎬ选用２００Ｗ的加热功率下ꎬ倾角为９０ʎ的带有内螺纹热管为验证对象ꎬ将数值模拟结果和实验结果进行比对.图４所示是在带有内螺纹的热管运行状况达到稳定状况后的某一时刻下模拟所得温度与实验所得温度[２１]的对比图ꎬ结果表明实验所得温度与模拟温度吻合较好ꎬ最大温度误差为５ １９％.图４㊀实验壁温与模拟壁温的对比Ｆｉｇ ４㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｗａｌｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ㊀㊀图５所示为热管运行达到稳定阶段时的温度分布云图.由图５可以看出:在热管的冷凝段ꎬ温度由中心向壁面处呈下降趋势.这是因为来自蒸发段的过热蒸汽经过绝热段到达冷凝段之后ꎬ在冷凝段的冷却作用下过热蒸汽在内壁面处液㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５５㊀化ꎬ从而使壁面处温度降低.最终液化后的工质会以液膜的形式返回到蒸发段.图５㊀冷凝段温度分布云图Ｆｉｇ ５㊀Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎ２㊀模拟结果及分析２ １㊀蒸发段内螺纹对汽化核心的影响与传统的两相闭式热虹吸管相比ꎬ改变热管蒸发段的内壁面结构可以很大程度地提高传热效果.图６所示为加热功率７３Ｗ时ꎬ蒸发段带有内螺纹的铜－水重力热管的气－液相体积分数云图ꎬ图中的红色区域代表气相ꎬ蓝色区域代表液相.由图６(ａ)可知ꎬ０ ４ｓ时在内螺纹附近有大量汽泡生成ꎬ在相同时刻的图６(ｂ)的光滑管内汽泡数量相对较少.由此可见内螺纹的存在可以大大增加汽化核心的数量ꎬ缩短产生汽泡的时间.随着加热时间的增加ꎬ蒸发段内部的汽泡逐渐长大ꎬ破裂ꎬ然后合并成大汽泡并进行上升运动ꎬ此时管内工质开始沸腾.图６㊀不同结构的重力热管蒸发段气－液相体积分数云图Ｆｉｇ ６㊀Ｖａｐｏｒ－ｌｉｑｕｉｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｅｖａｐｏｒａｔｉｎｇｓｅｃｔｉｏｎｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ２ ２㊀蒸发段带有内螺纹对传热系数ｈｅ的影响图７所示为蒸发段带有内螺纹的重力热管的传热系数ｈｅ随加热功率的变化.图７㊀不同加热功率下螺纹管和光滑管蒸发传热系数的对比Ｆｉｇ ７㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅａｄｅｄｔｕｂｅａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｐｉｐｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ㊀㊀由图７可知:内螺纹重力热管的ｈｅ随着加热功率的增加呈现出先增大后减小的趋势ꎬ在加热功率为７３Ｗ时蒸发段的传热系数达到最大值ꎬ普通管的ｈｅ随加热功率增大而持续增大.这时因为在加热功率逐渐增大的情况下ꎬ热管内产生的汽泡逐渐增多ꎬ在汽泡的成长和脱离过程中ꎬ会对壁面附近的工质产生扰动作用ꎬ促进工质运动ꎬ从而增大换热系数.但是在蒸发段带有内螺纹的重力热管中ꎬ随着加热功率继续增大ꎬ在内螺纹凹槽中产生的汽泡不能及时运动到液㊀３５６㊀沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀２０２０年面ꎬ管内传热达到极限ꎬ对流传热系数减小ꎬ使传热恶化.２ ３㊀蒸发段带有内螺纹对传热系数ｈｃ的影响由图８可知重力热管冷凝段的传热系数ｈｃ随着加热功率的增大而增大ꎬ且蒸发段带有内螺纹的重力热管的ｈｃ比普通管的ｈｃ高.这是因为在蒸发段加热功率增大的情况下ꎬ汽泡数量的增多会增加蒸汽运动速度ꎬ下降液膜与上升蒸汽的相对运动速度大幅增加ꎬ从而在气－液临界面处对冷凝液膜产生扰动ꎬ进而削弱液膜厚度并使液膜由连续状态转变为分散的液滴ꎬ冷凝段传热机理向珠状凝结转变ꎬ如图９所示.因此削弱液膜导热热阻[２１]并增强蒸汽与热管壁面之间的对流换热强度可提高换热系数.图８㊀不同加热功率下螺纹管和普通管冷凝段传热系数的对比Ｆｉｇ ８㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｒｅａｄｅｄｔｕｂｅａｎｄｏｒｄｉｎａｒｙｐｉｐｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｐｕｔｐｏｗｅｒ图９㊀不同加热功率条件下冷凝段壁面凝结状况Ｆｉｇ ９㊀Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｗａｌｌｏｆｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ３㊀结㊀论为了对带有内螺纹的重力热管的管内工质运行机理进行更好地分析ꎬ本文研究了蒸发段带有内螺纹的和内壁面光滑的重力热管的数值模拟.在本文研究范围内得出如下结论:(１)在其他条件相同时ꎬ同一时刻下蒸发段带有内螺纹的重力热管生成气泡更快且数量更多ꎬ从而缩短了达到沸腾时所需的时间ꎬ提高了传热效率.(２)蒸发段带有内螺纹的重力热管的ｈｅ在加热功率为７３Ｗ时存在一个最大值ꎬ之后由于内螺纹中生成的气泡不能及时排除而引起干涸极限ꎬ从而使传热系数减小.普通管的ｈｅ随加热功率的增大而增大.(３)随着加热功率的增大ꎬ两种结构重力热管的传热系数都随着加热功率的增大而增大ꎬ在小于最大值７３Ｗ的区域内增长速度较为平稳ꎬ大于或等于最大值区域内由于较大功率的影响使管内冷凝液膜由膜状凝结转变为珠状凝结ꎬ因此增长速度较为剧烈.参考文献:[１]㊀ＭＵＹＨꎬＬＩＧＹꎬＹＵＱＨ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｆＬｏｎｇ－ＴｅｒｍＣｏｏｌｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓｏｆＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｓＡｒｏｕｎｄＴｏｗｅｒＦｏｏｔｉｎｇｓｉｎＰｅｒｍａｆｒｏｓｔＲｅｇｉｏｎｓＡ￣ｌｏｎｇＴｈｅＱｉｎｇｈａｉ－ＴｉｂｅｔＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＬｉｎｅ[Ｊ].ＣｏｌｄＲｅｇｉｏｎｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１６ꎬ１２１:２３７－２４９.[２]㊀ＡＵＮＧＮＺꎬＬＩＳＪ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｎＥｆｆｅｃｔｏｆＲｉｓｅｒＤｉａｍｅｔｅｒａｎｄＩｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｎＳｙｓｔｅｍＰａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎａＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐＴｈｅｒｍｏ￣ｓｙｐｈｏｎＳｏｌａｒＷａｔｅｒＨｅａｔｅｒ[Ｊ].ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ＆Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔꎬ２０１３ꎬ７５(５):２５－３５. 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[５]㊀ＫＡＮＮＡＮＭꎬＮＡＴＡＲＡＪＡＮＥ.ＴｈｅｒｍａｌＰｅｒｆｏｒｍ￣㊀第４期战洪仁ꎬ等:带有内螺纹的重力热管仿真模拟研究３５７㊀ａｎｃｅｏｆａＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎｆｏｒＷａｓｔｅＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐ￣ｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２０１０ꎬ１０(５):４１３－４１８.[６]㊀ＢＡＲＺＩＹＭꎬＡＳＳＡＤＩＭ.ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆａＴｈｅｒｍｏ￣ｓｙｐｈｏｎＨｅａｔＰｉｐｅＯｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎａＷａｓｔｅＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙＳｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒꎬ２０１５ꎬ２８(５):４９３－５１０.[７]㊀庄骏ꎬ张红.热管技术及其工程应用[Ｍ].北京:化学工业出版社ꎬ２０００:８２－８６.[８]㊀林宗虎.强化传热及其工程应用[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ１９８７:１２－１８.[９]㊀ＷＡＮＧＸＹꎬＸＩＮＧＭꎬＴＩＡＮＦＺꎬｅｔａｌ.ＥｆｆｅｃｔｏｆＩｎｔｅｒｎａｌＨｅｌｉｃａｌＭｉｃｒｏｆｉｎｏｎｏｎＣｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎＰｅｒ￣ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＴｗｏ－ＰｈａｓｅＣｌｏｓｅｄＴｈｅｒｍｏｓｙｐｈｏｎ[Ｊ].ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ２０１２ꎬ５１６－５１７:９－１４.[１０]方书起ꎬ赵凌ꎬ史启辉ꎬ等.螺旋槽重力热管强化传热实验研究[Ｊ].化学工程ꎬ２００８ꎬ３６(６):１９－２１.[１１]邓斌ꎬ王凯ꎬ陶文铨.新齿型内螺纹传热管蒸发性能研究[Ｊ].制冷学报ꎬ２００７ꎬ２８(４):５４－５８.[１２]杜斌ꎬ董华ꎬ张敬奎ꎬ等.重力热管单线内螺纹分布强化换热实验研究[Ｊ].热能动力工程ꎬ２０１７ꎬ３２(６):１２－１６.[１３]杜斌.单线内螺纹重力热管强化换热实验研究[Ｄ].青岛:青岛理工大学ꎬ２０１６:３１－３７.[１４]辛公明ꎬ张鲁生ꎬ王鑫煜ꎬ等.自湿润流体内螺纹重力热管传热特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１３ꎬ３４(１２):２３６３－２３６５.[１５]辛公明ꎬ王鑫煜ꎬ张鲁生ꎬ等.内螺纹重力热管变功率运行特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１３ꎬ３４(１１):２１１６－２１１９.[１６]田富中ꎬ辛公明ꎬ亓海青ꎬ等.交叉齿内螺纹重力热管强化传热特性[Ｊ].工程热物理学报ꎬ２０１４ꎬ３５(５):９２７－９３０.[１７]ＳＣＨＥＰＰＥＲＳＣＫＤꎬＨＥＹＨＤＥＲＩＣＫＸＧＪꎬＭＡ￣ＲＩＮＧＢ.ＭｏｄｅｌｉｎｇｔｈｅＥｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆａＨｙｄｒｏｃａｒ￣ｂｏｎＦｅｅｄｓｔｏｃｋｉｎｔｈｅＣｏｎｖｅｃｔｉｏｎＳｅｃｔｉｏｎｏｆａＳｔｅａｍＣｒａｃｋｅｒ[Ｊ].ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００９ꎬ３３(１):１２２－１３２.[１８]战洪仁ꎬ李春晓ꎬ王立鹏ꎬ等.两相闭式重力热管强化传热研究进展[Ｊ].热力发电ꎬ２０１６ꎬ４５(９):７－１４.[１９]闫明宇ꎬ孙铁ꎬ杨雪峰ꎬ等.两相闭式热虹吸管最佳传热工况的数值分析[Ｊ].石油化工高等学校学报ꎬ２０１５ꎬ２８(５):９１－９４.[２０]战洪仁ꎬ吴众ꎬ金志浩ꎬ等.两相闭式热虹吸管传热机理模拟研究[Ｊ].热力发电ꎬ２０１８ꎬ４７(１):４６－５２.[２１]惠尧.两相闭式热虹吸管传热性能的实验研究与数值模拟[Ｄ].沈阳:沈阳化工大学ꎬ２０１８:４０－４７.ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＧｒａｖｉｔｙＨｅａｔＰｉｐｅｗｉｔｈＩｎｔｅｒｎａｌＴｈｒｅａｄｓＺＨＡＮＨｏｎｇ－ｒｅｎꎬ㊀ＺＨＡＮＧＱｉａｎ－ｑｉａｎꎬ㊀ＳＨＩＳｈｅｎｇꎬ㊀ＷＡＮＧＬｉ－ｐｅｎｇꎬ㊀ＨＵＩＹａｏ(ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１４２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀Ｔｈｒｏｕｇｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｉｎｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ.Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｅｒｅａｎａ￣ｌｙｚｅｄｂｙｂｏｉｌｉｎｇｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｏｔｈ￣ｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｍｏｒｅｂｕｂｂｌｅｓａｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｉｎｔｈｅｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓｉｎｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｗｈｉｃｈｓｈｏｒｔｅｎｓｔｈｅｔｉｍｅｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅａｃｈｂｏｉｌｉｎｇａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ.Ｇｅｎｅｒａｌｌｙｓｐｅａｋｉｎｇꎬｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅｗｉｔｈｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄｓｉｎｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｓｅｃｔｉｏｎｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｏｒｄｉｎａｒｙｔｕｂｅꎬａｎｄｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｉｎｔｈｅｔｕｂｅｉｓｅｎ￣ｈａｎｃｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ｇｒａｖｉｔｙｈｅａｔｐｉｐｅꎻ㊀ｉｎｔｅｒｎａｌｔｈｒｅａｄꎻ㊀ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎻ㊀ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔꎻ㊀ｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ。

具有两种冷却流体的重力热管换热器在工程中的应用浙江大学能源工程系　捷曼尔.M 冯踏青　袁海　胡亚才　屠传经摘要　具有两种冷却流体的重力热管组成的换热器,在工程实际中具有一定的应用特色。

本文通过介绍这类热管在4种不同场合的应用,分析归纳了该类热管的工作原理和设计特点。

关键词　重力热管　换热器　特殊应用 随着热管技术的发展及其应用的日益广泛,至今已开发了无数种不同功能的热管。

在热管器的推广应用中,我们认为,具有两种冷却流体的重力热管在工程实际中具有一定的应用特色。

以下,我们通过该类热管在4种不同工业场合的应用加以讨论。

1　第一种应用情况在蒸发量为4t/h 的小型工业锅炉尾部烟道中,安装了一台具有两种冷却流体(空气、水)的热管换热器,用以回收烟气余热。

表1和表2分别为该热管器的设计参数和额定负荷时的工况。

余热利用的方式是产生热空气和热水。

热空气通入炉膛助燃;热水供生活用,其流程见图1(a)。

由于工业锅炉负荷变动很大,在低负荷时热管仅用一种冷却流体工作,使换热器烟气侧的出口烟温不至于过低,以避免低温腐蚀。

图1(b)和(c)分别为低负荷时热管仅用水作冷却流体保证热水供应和仅用空气作冷却流体产生热空气助燃或供工艺需要的工作示意图。

图2为该换热器的烟气进出口温度随锅炉负荷的变化曲线。

2　第二种应用情况此种热管换热器用于排烟温度周期性短期剧烈变化(上升)的工业炉尾部余热回收。

在表1　热管换热器设计参数热管外径mm 32热管加热段长m1.10热管全长m1.87热管冷却段长m0.45(空气)0.28(水,无翅片)翅片外径mm 60热管绝热段长m0.04翅片厚度mm1热管横向节距mm76烟气侧翅片节距mm 8热管纵向节距mm 66空气侧翅片节距mm 3热管数量52排数7排列方式叉排表2额定负荷工况进口温度℃出口温度℃流量Kg /h 烟气2201708076水20452000空气20753800图1　热管换热器工作示意图正常温度下,热管换热器使用一种冷却流体(空气),产生的热空气用于工业炉助燃,如图3(a)图2　烟气进出口温度随锅炉负荷的变化曲线所示,正常排烟温度600℃。

热管的特性，结构与工作原理/heatpipe04/02/2007-2-27/72277735314.htm晨怡热管从热力学的角度来看，物体的吸热、放热是相对的，凡是有温差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处，这是自然界和工程技术领域中极普遍的一种现象，而热传递的方式有三种：辐射、对流、传导，其中以热传导为最快。

1963年美国Los Alamos 国家实验室的G.M.Grover 发明了一种称作为『热管』的传热组件，它充分利用热传导原理与致冷介质快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到体外，导热能力超过了任何已知金属的导热能力。

热管的特性：1.热管传热能力高因为热管的传热主要靠工质相变过程中吸收．释放气化潜热和蒸汽流的传热，所以它的传热能力较其他导热材料高几十倍。

2.热管的均温特性好热管工作时，管内蒸汽处于饱和状态，蒸汽流动和相变时的温差小，所以沿热管蒸发端表面的温度梯度很小，可自动地形成均匀的热流温度。

3.具有可变热流密度的能力由于热管中的蒸发和冷凝空间是分开的，若在蒸发端输入高热流密度，则在冷凝端可得到低的输出热流密度，实现“热变压器”的作用。

4.具有良好的恒温特性采用一种充有惰性气体的可控热管，当输入端的热量变化时，因蒸汽压力的变化使冷凝端的冷凝面积改变，以维持热源温度的恒定。

热管典型结构以及工作原理：热管由管壳﹑吸液芯和工质组成，热管的工作段可分为蒸发段，绝热段和冷凝段三部分。

当蒸发端收热时，通过管壁使浸透于细液芯中的工质蒸发，蒸汽在蒸发和冷凝端之间所形成的压差作用下流向冷凝端，由于冷凝端受到冷却作用，蒸汽凝结为液体，释放汽化潜能。

冷凝后的气体，靠吸液芯与液体相结合所产生的毛细力作用，将冷凝液输送回蒸发段，以形成工作循环。

热管规格如下：直径mm 长度mm 备注3 0-280 圆热管烧结/ 铜网4 0-280 圆热管烧结/ 铜网5 0-280 圆热管烧结/ 铜网热管工质特性如下表：液芯类型：单层.多层丝网格吸液芯，烧结粉末吸液芯，轴向槽道吸液芯，组合型吸液芯。

船用螺旋管换热器热工及水动力特性数值研究杨元龙;王兴刚【摘要】为明晰船用螺旋管换热器内流体流动传热规律及其流致振动特性,提高运行效率及安全性能.本文建立船用螺旋管换热器三维模型,采用流固耦合方法进行换热器热工及水动力特性数值模拟,借助流致振动预测方法计算得到与流致振动密切相关的流体冲击能量变化特性.计算结果表明,螺旋管上、下游管间出现回流现象,极易导致杂质沉积;螺旋管上、下管壁对流传热系数小,管壁温度高,易诱发爆管现象;基于流体冲击能量变化特性,流体能量在螺旋管区域呈波峰值,且螺旋管侧管壁冲击能量高于上、下管壁,可以预测螺旋管侧管壁承受流致振动破坏较严重,实际试验数据验证了本文数值结果.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2015(037)009【总页数】5页(P100-104)【关键词】螺旋管换热器;热工;水动力【作者】杨元龙;王兴刚【作者单位】中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064;中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064【正文语种】中文【中图分类】U664.5船用螺旋管换热器热工及水动力特性数值研究杨元龙，王兴刚(中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064)作者简介:杨元龙(1986－)，男，硕士研究生，助理工程师，从事舰船蒸汽动力系统性能研究。

摘要:为明晰船用螺旋管换热器内流体流动传热规律及其流致振动特性，提高运行效率及安全性能。

本文建立船用螺旋管换热器三维模型，采用流固耦合方法进行换热器热工及水动力特性数值模拟，借助流致振动预测方法计算得到与流致振动密切相关的流体冲击能量变化特性。

计算结果表明，螺旋管上、下游管间出现回流现象，极易导致杂质沉积;螺旋管上、下管壁对流传热系数小，管壁温度高，易诱发爆管现象;基于流体冲击能量变化特性，流体能量在螺旋管区域呈波峰值，且螺旋管侧管壁冲击能量高于上、下管壁，可以预测螺旋管侧管壁承受流致振动破坏较严重，实际试验数据验证了本文数值结果。

关键词:螺旋管换热器;热工;水动力中图分类号: U664．5文献标识码: A文章编号: 1672－7649(2015) 09－0100－05doi: 10.3404/j.issn.1672－7649.2015.09.020收稿日期: 2015－01－04;修回日期: 2015－03－16Numerical study on thermodynamic and hydrodynamic characteristics ofship helical heat exchangerYANG Yuan-long，WANG Xing-gang(China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)Abstract: In order to clear flow，heat transfer and flow induced vibration characteristics of the ship helical heat exchanger and improve the operation efficiency and safety performance，a three-dimensional modelof the ship helical heat exchanger was built．The thermodynamic and hydrodynamic characteristics of helical heat exchanger were investigated using fluid-solid coupling method．Based on the predictive mechanismsof flow induced vibration，flow energy which was closely related to flow induced vibration was generated．The calculated results showed that the backflow phenomenon occurred between upstream and downstream tube，which can easily lead to the impurity deposition．The convective heat transfer coefficient is smaller，the temperature of the tube wall is higher，inducing tube explosion phenomenon between the upper and lower tube wall．Based on fluid flow bombardment energy distributions，the maximum values of the energy were generated at the helical tube regions，meanwhile，the flow-energy for the side wall is higher than one for the upper and lower tube wall．These results could indicate flow vibration damage for the upper and lower tube wall was more serious．The actual test data of helical tube exchanger verified the numerical results．Key words: helical heat exchanger; thermodynamic;hydrodynamic0 引言流致振动诱发的螺旋管破损现象已成为影响船用螺旋管换热器安全性和可靠性的主要因素之一。

Articles论文强化内螺纹铜管传热的试验研究及分析Experimental study on analysis on heat transfer of copper pipe withinternal thread reinforcement唐华李成思式港TANG Hua LI Chengen WUTao广东美的制冷设备有限公司广东佛山528311Guangdong Midea Refrigeration Equipment CO.LTD Foshan528311摘要本文主要研究内螺纹铜管的齿形对翅片管式换热器冷媒侧换热性能的影响。

目前螺旋角通常处于10°〜30°范围内，通过在现有内螺旋纹铜管螺旋角基础上继续加大螺旋角，同时增加齿数，采用单体试验和整机性能试验测试分析螺旋角和齿数对换热器性能影响的趋势，为进一步开发高效节能的铜管打下良好的理论基础。

关键词螺旋角；翅片管式换热器：内螺纹铜管；换热性能AbstractWe mainly studies the influence of the heat transfer performance of the tooth profile of internal thread copper tube in heat exchanger's refrigerant side.The spiral angle is usually in the range of10°to 30°the effect of spiral angle on the performance of heat exchanger was studied by increasing the spiral angle of spiral angle and the lager number of gear tooth.The trend of increasing the helix angle and gear tooth to the heat exchanger performance was analyzed by monomer test and the whole machine performance test.It lays a good the oretical foundation for thes further development of efficient copper tube.KeywordsSpiral angle;Finned tube heat exchanger;Internal thread copper tube;Heat transfer perfonnance内螺纹铜管是目前制冷用空调领域应用域广泛的-种热传导管，产生于2（）世纪70年代，是制造空调器中蒸发器和冷凝器的关键传热材料，其目的在于提高铜管的传热效率，进而提高空调的能效比，满足空调器高效节能的要求。