重力热管换热性能的优化分析

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1、第35卷第1期华电技术Vo1．35No．12013年1月HuadianTechnologyJan．2013重力热管换热性能的优化分析程伟良，狄安，季辉，勾建辉(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206)摘要：热管在工业余热利用及其他特殊行业有重要的应用价值，因此，对传热性能优化及综合设计进行研究具有重要意义。分析了影响重力热管热传输性能的3个要素，即管外翅片、管壳管径及管内工质充液率。通过试验得到了充液率和导致热管失效的输入热流密度的关系，在试验数据的基础上着重分析了热流密度对不同充液率的热管内部汽液分布的影响。关键词：重力热管；换热性能；充液率；汽液分布中图分类号：TK1

2、72．4文献标志码：A文章编号：1674—1951(2013)01—0023—04重力热管的传热热阻分为3部分：管外流体对0引言流换热热阻、管壁导热热阻及工质相变换热热阻。3热管是一种高效的换热元件，具有较高的传热部分热阻并不相同j：管外热阻为10～一10能力，热管热传输的核心是利用其管内工质的吸热c《=／w，管壁导热热阻约为10℃／w，管内换热热阻汽化及放热凝结。与单纯的导热相比，热管传输的约为10。。％／W，蒸发段与凝结段蒸汽传热热阻约热量要大得多，并且热管的结构设计灵活多变，适用为10℃／w。故本文针对其管外、管壳及工质3个于很多行业。自1964年美国的GMGrover发明热要素

3、进行分析，寻求各部分在正常工作前提下的传管后，热管已在众多换热领域发挥了重要的作用。热热阻小、制造成本低及热传输能力大的最佳方案。比如在航空业，使用热管束来降低飞行器与空气高1管外换热性能的优化分析速摩擦产生的局部高温；在电子工业，使用热管为CPU散热；在能源动力行业，大多数情况下利大多数烟气余热回收工程均采用管外加翅片的用热管进行余热回收J。本文将重点讨论能源动方式减小管外换热热阻，翅片的热管换热热阻的计力行业中广泛使用的重力热管的换热性能状况，通算式为过分析得出重力热管I生能参数的优化选择。=(1)Ot，A钾标准热管由管壳、管芯及管内工质3部分组成，式中：R为热管管外换热热阻；为管

4、外对流换热系而重力热管仅由管壳及管内工质2部分组成。在重数；A为热管外部翅片面积和翅片间光管面积之和；力热管受热段，管内工质吸收热量汽化，此段也叫蒸卵为翅片热管肋化总效率。发段；在蒸汽压力的推动作用下，汽化的工质上升，由式(1)可知：Ot与管外流体流动状态以及热管在热管上端低温段放出热量凝结成液态，此段为重管外翅片的结构有关，设计时增加翅片面积，热管管力热管凝结段；凝结液体在重力作用下，回流到热管外热阻将减小。对于工程上常用的圆环形翅片，可下端的蒸发段。重力热管就是在这样的管内工质汽化一凝结一回流的循环过程中连续工作。采取增加翅片高度、减小翅片问的距离以及增加翅热管作为一种热传输元件，

5、既不产生热量，也不片厚度的方法来实现增加单位长度热管上翅片面积消耗热量，其热传输性能的优良与否和热管蒸发段的目的。并不是管外增加的翅片面积越大管外换热热量的传人、管内工质对热量的传输、凝结段热量的热阻就越小，这是因为管外翅片结构的改变也会影输出3个环节直接相关。本文对热传输环节中的影响翅片的效率，从而影响翅片材料的投入量，其制造响因素进行分析，以寻求换热性能高且投资成本低成本的增加与换热系数的提高之间存在着一个最优的热管结构。的选择。参考文献[5]指出，随着翅片高度的增加，翅片根部与翅端的温差会越来越大，翅片效率随之收稿日期：2012—08—18降低，从而影响肋化总效率。管外换热总面积

6、A基金项目：生物质发电成套设备国家工程实验室开放基金增加，翅化面总效率叼却减小，管外换热热阻减小(KZ0015)程度不明显，造成金属材料过度投入，热回收经济性·24·华电技术第35卷提高却很少，间接导致了金属材料的浪费，没有达到热管的制造成本。理想效果。水属于中温段工质，在热管内部的工作温度范可通过翅片结构的改变来进行实例分析]，当围为50—250℃，最高温度极限是300℃。因水具环形翅片厚度分别为1，2，3mm，翅片高度h为有较宽的工作温度范围，决定了它成为工业上使用10～20mm时，随着翅片高度的增加，所投入的材料的重力型热管的首选工质。出于成本的考虑，重力也增多，但是换热系数的增

7、加速率并不与之呈线性热管管壳材料一般选用优质碳素钢，尽管水和碳钢关系。特别是当为1mm时，换热系数随翅片高度不相容，在一定温度下会发生化学反应并产生不凝增加而增加，其增加的幅度在这3种翅片厚度中最性气体——氢气，但经过重铬酸钾钝化处理的碳素大，即达到相同的强化换热效率时，消耗的金属量最钢表面会生成一层Fe0氧化膜，该氧化膜将阻止小。当6为0．15～0．50mm，翅高比(即翅片高度与水和碳钢管壳进一步发生化学反应_9]，故工业上所厚度之比)h／6