兩相閉式熱虹吸管最佳傳熱工況的數(shù)值分析

閆明宇， 孫 鐵, 楊雪峰， 孟慶娟

(1.遼寧石油化工大學，遼寧撫順 113001； 2.撫順職業(yè)技術(shù)學院，遼寧撫順 113122)

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兩相閉式熱虹吸管最佳傳熱工況的數(shù)值分析

閆明宇1， 孫 鐵1, 楊雪峰1， 孟慶娟2

(1.遼寧石油化工大學，遼寧撫順 113001； 2.撫順職業(yè)技術(shù)學院，遼寧撫順 113122)

為了提高兩相閉式熱虹吸管的傳熱效率，在不同工作情況下利用FLUENT模擬軟件對兩相閉式熱虹吸管進行數(shù)值模擬，主要考察兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的壁溫、充液率對傳熱效率的影響。結(jié)果表明，當兩相閉式熱虹吸管的蒸發(fā)段壁溫為570 K,并且其蒸發(fā)段的充液率為50%時，兩相閉式熱虹吸管的傳熱效率最佳。

兩相閉式熱虹吸管； 數(shù)值模擬； 傳熱效率

由于兩相閉式熱虹吸管內(nèi)沒有吸液芯這一特點，所以和普通熱管相比較，不僅結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠，因此在地面上的各類傳熱設(shè)備中都可作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，已在各行各業(yè)的熱能綜合利用的余熱回收技術(shù)中發(fā)揮了巨大的作用。幾十年來，國內(nèi)外學者已對熱管有了深入的研究。M.Shiraish等[1]在1981年提出的豎直兩相閉式熱虹吸管的傳熱模型最為簡明清晰，并與實驗結(jié)果符合得較好。張鳴運、孫世梅等[2-4]利用數(shù)值模擬對高溫熱管換熱器強化傳熱及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，得到了很好的傳熱效果。但當前兩相閉式熱虹吸管存在許多影響其傳熱性能的重要因素，非常有必要對影響兩相閉式熱虹吸管的傳熱因素進行研究，對其傳熱效率進行優(yōu)化。

通過前人的研究成果可以看出[5-9]，影響兩相閉式熱虹吸管傳熱效率的因素有很多，而本文則準備對兩相閉式熱虹吸管在不同的充液率以及兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段壁溫不同的情況下，進行數(shù)值模擬，得出最佳的傳熱工況，對兩相閉式熱虹吸管進行傳熱效率的優(yōu)化。

1 FLUENT數(shù)值模擬

1.1 模型的選擇

傅里葉定律揭示導熱問題的基本規(guī)律：即在導熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比于垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向與溫度升高的方向相反。由傅里葉定律并結(jié)合能量守恒定律，建立了導熱微分方程：

當流體處于湍流狀態(tài)時，流層間的流體質(zhì)點相互摻混，湍流會使得流體質(zhì)點介質(zhì)之間相互交換動力、能量和物質(zhì)。在FLUENT模擬軟件中，湍流模型的作用就是其自身可以產(chǎn)生未知量從而將湍流流動方程組進行封閉[10]。在本文中采用的FLUENT湍流模型為k-ω：

式中，k為湍動能，K；ρ為流體密度，kg/m3;Gk為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；Yk為由于微元體擴散產(chǎn)生的動能；Sk為源項；Γk為微元體產(chǎn)生的擴散率。

由于水和水蒸氣是不同相之間的質(zhì)量傳遞和能量傳遞，所以需要用到UFD程序定義不同相之間的質(zhì)量傳遞和能量傳遞。兩相閉式熱虹吸管內(nèi)部傳熱比較復雜，在FLUENT求解器設(shè)置選擇2D、非定常(Unsteady)，模型選擇mixture多相流混合模型，基本相定義為水。

1.2 邊界條件

在Gambit中建立的網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型

Fig.1 Mesh model

將兩相閉式熱虹吸管平均分為三段，最底段為兩相閉式熱虹吸管的蒸發(fā)段，中間段為兩相閉式熱虹吸管的絕熱段，最上段為兩相閉式熱虹吸管的冷凝段。通過對蒸發(fā)段邊界條件設(shè)定的溫度不同來模擬兩相閉式熱虹吸管的蒸發(fā)段管壁在不同溫度下的FLUENT數(shù)值分析。在初始化時，分別將蒸發(fā)段的充液率設(shè)置為40%、50%、60%，以此來模擬分析熱管在不同充液率下的工作情況，并且對冷凝段的壁面進行傳熱系數(shù)與熱通量的記錄。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 模擬結(jié)果

圖2所示為兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為50%加熱開始2 s時熱管內(nèi)部水蒸氣的云圖分布情況，從圖2中可以看出，在液面上表面有部分水蒸氣產(chǎn)生，并且水蒸氣的密度是從管壁向熱管中心處逐漸減小的，沿著壁面也有稀少的水蒸氣產(chǎn)生。這是由于加熱剛開始階段，熱量由壁面外表面?zhèn)魅牍軆?nèi)，靠近壁面處的溫度要高于熱管中心的溫度，所以靠近管壁處的水蒸氣密度要高于熱管中心處水蒸氣的密度。

圖2 2 s時熱管內(nèi)部水蒸氣云圖

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

圖3所示為兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為50%,管壁加熱8 s時熱管內(nèi)部水蒸氣的云圖，從圖3中可以看出，水蒸氣沿著管壁逐漸上升，熱管中心處的水蒸氣密度相對較小。這是由于當兩相閉式熱虹吸管的蒸發(fā)段加熱一段時間以后，熱管蒸發(fā)段中的液池沸騰開始劇烈，產(chǎn)生大量的水蒸氣。隨著水蒸氣上升的高度增加，到達兩相閉式熱虹吸管的絕熱段，由于絕熱段壁面溫度的降低，靠近熱管管壁處的水蒸氣密度逐漸減小，但仍有部分水蒸氣沿管壁上升。

圖4所示為兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為50%，內(nèi)部水蒸氣上升到冷凝段時的云圖分布，從圖4中可以看出,當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段加熱14 s時，熱管管壁處幾乎沒有水蒸氣，這是由于水蒸氣上升到冷凝段遇冷，冷凝成液膜，沿著壁面下降回到了蒸發(fā)段液池中。同時，在兩相閉式熱虹吸管絕熱段處的水蒸氣密度較大，隨著靠近冷凝段，水蒸氣的密度逐漸減小。

圖3 8 s時熱管內(nèi)部水蒸氣云圖

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

圖4 14 s時熱管內(nèi)部水蒸氣云圖

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

2.2 模擬結(jié)果分析

通過改變兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段壁面的邊界條件進行模擬，將邊界條件中的溫度分別設(shè)置為500、540、570 K，在FLUENT初始化時將蒸發(fā)段的充液率分別設(shè)置為40%、50%、60%的分組進行FLUENT數(shù)值模擬。并且通過FLUENT模擬軟件對兩相閉式熱虹吸管的冷凝段進行熱通量的監(jiān)控以及傳熱系數(shù)的計算。根據(jù)FLUENT計算結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為40%時，蒸發(fā)段的壁溫分別為500、540、570 K時，兩相閉式熱虹吸管冷凝段的傳熱效果不是很好。這是因為當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的壁溫為500 K時，熱管蒸發(fā)段的液池沸騰不是很劇烈，液池進行的是自然對流蒸發(fā)。當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段中的充液率達到50%時，隨著蒸發(fā)段的壁溫增大，兩相閉式熱虹吸管冷凝段的傳熱系數(shù)和熱通量也隨著增大，在熱管蒸發(fā)段的壁溫達到570 K時，冷凝段的傳熱系數(shù)以及熱通量達到最大。當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為60%時，隨著蒸發(fā)段的壁溫增大，兩相閉式熱虹吸管冷凝段傳熱系數(shù)和熱通量變化不是很明顯，主要是因為隨著充液率的增大，液面過高會減小水蒸氣的體積，從而增大了壓力，不利于水蒸氣的產(chǎn)生，氣相壓力對傳熱系數(shù)的影響處于主導地位，傳熱系數(shù)增大到一定程度后開始下降，進而降低了傳熱的效果。

表1 不同工況下熱管冷凝段的傳熱系數(shù)和熱通量

3 結(jié)論

在不同工況下，對兩相閉式熱虹吸管進行了數(shù)值模擬，得到了兩相閉式熱虹吸管在不同工況下冷凝段的傳熱系數(shù)以及熱通量，并對其進行了分析，得到如下結(jié)論：

(1) 隨著兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的壁面溫度上升，壁面過熱度增加，沸騰汽化核心增多，加劇了沸騰，利于蒸發(fā)段的泡核沸騰傳熱，使產(chǎn)生的氣泡成長加快，從而熱管冷凝段的傳熱系數(shù)增大。

(2) 當兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的充液率為50%，并且蒸發(fā)段的壁溫為570 K時，兩相閉式熱虹吸管的傳熱效率較佳。

(3) 本文主要是以鋼—水熱管為研究對象，工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱管性能有很大的影響。如工作介質(zhì)的表面張力大，可以提供較大毛細力；高的蒸發(fā)潛熱有利于軸向傳熱等。所以非常有必要對其他工作介質(zhì)進行研究，比如丙酮、甲醇、乙醇等它們的物理性質(zhì)與水大不相同，在不同的工作環(huán)境中也會對熱管的傳熱性能產(chǎn)生影響。

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(編輯 王亞新)

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，F(xiàn)ushun 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

遼寧省自然科學基金項目(2013020117)。

閆明宇(1989-)，男，碩士研究生，從事高效節(jié)能石化裝備的研究與開發(fā)；E-mail: 349041254@qq.com。

孫鐵(1964-)，男，碩士，教授，從事高效節(jié)能石化裝備的研究與開發(fā)；E-mail:15141366088@139.com。

TE965

A

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