重力型熱管結構優化數值模擬及傳熱實驗研究

紀 強，王 娜，李 猛，崔石磊

(1 撫順化工機械設備制造有限公司 遼寧 撫順 113122; 2 山東華魯恒升化工股份公司， 山東 德州 253000)

重力型熱管結構優化數值模擬及傳熱實驗研究

紀 強1，王 娜1，李 猛2，崔石磊2

(1 撫順化工機械設備制造有限公司 遼寧 撫順 113122; 2 山東華魯恒升化工股份公司， 山東 德州 253000)

針對熱管換熱器及重力型熱管，研究了其在渦流發生器及翅片加熱管對換熱器的換熱影響，對換熱器的熱管結構進行了優化，最后通過實驗對各種結構的換熱管進行傳熱特性研究，并對理論部分進行了驗證，通過橫向翅片和裸管的換熱效果，在對熱管加裝翅片的基礎上，加裝渦流發生器，通過對沒有安裝渦流發生器的翅片熱管與之進行對比，并應用溫度場與速度場對換熱增強機理進行說明。

換熱器；結構優化；數值模擬；實驗

傳熱本領高度換熱元件，熱管當屬其一。密封的特定工質，在其物理化學相變反應中，具有良好的導熱作用，20世紀70年代普遍大量使用的實用性熱管，因其傳熱的高效性，和熱管導熱特性很高，而得到廣泛關注。使其在軍工、化工領域得到廣泛應用，在眾多領域的應用層面，熱管技術起到舉足輕重的作用[1-3]。

1 熱管翅片及渦流發生器對換熱影響

1.1 翅片熱管模擬研究

利用ANSYS 數值模擬研究得出，熱管叉排排列較順排排列能夠取得更好的換熱效果，在熱管換熱理論基礎上，建立合理的數值模型，為了更好說明加裝橫向圓形翅片后，換熱器換熱效果得到增強，以空氣作為流體研究對象，通過對溫度場、壓力場、速度場的模擬，建立云圖，在此云圖基礎上，分析不同結構的換熱效果。

1.1.1 模型的建立及求解

為了研究翅片結構對熱管換熱的影響，因此采用表 1換熱器的熱管及翅片尺寸建立物理模型[4]。利用 Gambit 建立所要計算的模型圖，對所建模型進行合理的網格結構劃分后，完成對進出口及管壁邊界條件的設定。設定流體進口是速度入口，加裝翅片的熱管均為無滑移絕熱邊界，空氣入口溫度為21℃，入口速度大小為3 m/s，把由Gambit 創建完成的模型經 ANSYS 導入，對文件導入后進行材料特性、求解方程、邊界條件選擇及設定，通過初始化流場即可求解[5,6]。

表1 熱管及翅片的幾何尺寸Table 1 Heat pipe and fin geometry

1.1.2 模擬結果及分析

通過對模型進行計算，并對其結果繪制成溫度云圖，如圖1所示，未加裝翅片的溫度流場云圖分布層次錯亂，受熱面不均勻，而加裝翅片的溫度流場的云圖分布層次均勻，此對比圖可以看出，對于加裝翅片后熱管對外傳熱的有效面積增大，這樣使得流體進入流道后，充分被翅片散發的熱量輻射到，傳熱效果更佳[7-11]。

圖1 速度3 m/s 時流道內溫度云圖Fig.1 Temperature flow channel cloud at speed 3 m/s

由溫度云圖可以看出，加裝翅片后由于熱管后面的換熱效果與不加翅片后的換熱效果進行對比，因加裝翅片后換熱管后面背風面積增大，出現局部換人效果不理想，局部換熱效果極佳的情況，但從總體換熱優化效果來看，加裝翅片后的換熱管后翅片的換熱效果比未加裝翅片的換熱管更佳。

如圖2 所示，對兩種不同結構的換熱器熱管進行壓力云圖模擬，未加裝翅片的壓力損失主要來源于管壁對流體的粘滯阻力，在加裝翅片后壓力損失有來自管壁外還有來源于管壁對流體的粘滯阻力，這種阻力的增大，會使流體損失更多的壓力，從圖2速度3 m/s 時流道內壓力云圖可以看出，隨著這種阻力的增大，會使流體損失越來越多的壓力，從壓力云圖中可看出，此兩種不同結構的熱管在流道中出口壓力大小明顯不同，這樣說明，換熱器的換熱能力增加，壓力損失也會變大。

圖2 速度3 m/s 時流道內壓力云圖Fig.2 Flow passage pressure cloud at speed 3 m/s

如圖3所示，兩種不同結構的速度云圖分布情況可以看出，未加裝翅片時流體在流道內流速的影響因素為熱管的阻力，流體在換熱器出口處的流速沒有減小，仍舊很大，這樣使熱管與流體的換熱時間減少，即降低了換熱器的換熱能力。而加裝翅片后，因流體受到的阻力有換熱器本身，還有翅片，降低了流體流道內流速，使換熱時間增加換熱效果更加充分。從圖中可以看出，流體在流道中的后半段出口處出現了明顯的渦流，這種渦流會增強換熱能力，流體在流道的后半段流速比未加裝翅片的換熱緩慢很多。由此看來，加裝翅片后的這種對熱管的結構優化，使換熱器的效果有了很大的提升。

圖3 速度3 m/s 時流道內速度云圖Fig.3 Flow channel velocity cloud at speed 3 m/s

1.2 加裝翅片后入口流速對換熱效果的影響

由圖1、2、3 模擬結果可以明顯看出，加裝翅片后換熱器的換熱效果有了質的提升，這兩種結構的熱管取得的換熱效果的不同，說明通過優化熱管的外部結構能夠很好地提高換熱效率，但是換熱器的壓力損失也隨之增大了不少，為了更好地觀察換熱量和壓力損失隨著流體流速的不同而發生的變化，現將流體流速為1～5 m/s 時的換熱量和壓力損失，作出如圖4直觀顯示。

圖4 不同流速下的換熱量Fig.4 Different flow rates of heat transfer

從圖4中可以看出，不同流速下的換熱量對加裝翅片和未加裝翅片換熱器熱量有明星的不同，隨著流體流速的連續增大，換熱量也在不斷增加，且增加速度越來越慢。

從圖5不同流速下的壓降，可以看出，流速不同，壓力速度會下降，流體的壓力損失同樣越來越大，且變大速度比之前更快，為了增強換熱器的換熱效果，應控制流體較強的換熱效果，即控制其流體的進口速度適中，因過大的流速，在伴隨著換熱器換熱量增加的同時，其壓力損失也在逐漸增大，過大的壓力會使換熱器負載過大，動力不足，壽命縮短。

圖5 不同流速下的壓降Fig.5 Pressure drop under different flow rates

1.3 加裝渦流發生器后入口流速對換熱效果的影響

加裝渦流發生器后換熱器的換熱效果有了明顯提高，說明通過優化熱管的外部結構后很好地提高了換熱效率，但是換熱器的壓力損失也隨之增大了，為了更好地觀察換熱量和壓力損失隨著流體流速的不同而發生的變化，將流體流速為1～5 m/s 時的換熱量和壓力損失，用作圖軟件繪成了坐標圖如圖6 和7 所示。

圖6 不同流速下的換熱量Fig.6 Heat transfer under different flow rates

由圖6 可以看出，當入口流體速度從1 m/s 增加到5 m/s 時，未加裝縱向渦發生器和加裝時的換熱量都在伴隨流速的變大而增大，可是二者的變大速度均伴隨流體流速的變大而減慢。從圖7 能夠看出，伴隨流體入口速度的持續增加二者的壓降也隨著變大，并且壓降降低的速率也越來越急，加裝渦流發生器后的壓降速度較未加裝時下降的更迅速。所以在加裝渦流發生器后雖然增大了換熱器的換熱效果，但是流體流速也應該控制在一定的范圍內，不然過大的流速會給加裝渦流發生器的換熱設備帶來換熱動力不足的負作用。模擬結果與分析表明這種在翅片上加裝梯形小翼的結構優化可以有效解決熱管換熱器換熱能力不強的問題。

圖7 不同流速下的壓降Fig.7 Pressure drop under different flow rates

2 結束語

本文通過對加裝渦流發生器和未加裝渦流發生器的，熱管翅片進行模擬，對其壓力、溫度、速度場方面進行了ANYSYS數值模擬及比較，最終得出加裝渦流發生器的換熱器效果好，及為控制流體的進口速度可以得到理想的換熱效果。對在叉排排列的情況下，對其數值模擬后得出以下結論：由于換熱器內的溫度場，增大的換熱面積，使換熱效果更佳，而在壓力場中，由于翅片使流體的受阻面積大，而使壓力損失更多，通過Excel作圖可以直觀看出，換熱量隨著流體入口的增大而增大，當增大到一定高度，速度逐漸減慢，而伴隨的流速的增加，壓力損失也在變大，控制好提留的入口流速，可獲得更好的換熱效果。

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Numerical Simulation and Heat Transfer Experimental Research of Thermosyphon Structure Optimization

JI Qiang1,WANG Na1,LI Meng2,CUI Shi-lei2

(1.Fushun Chemical Machinery Equipment Manufacture Co.,Ltd., liaoning Fushun 113122, China; 2. Shandong Hualu-Hengsheng Chemical Co., Ltd., Shandong Dezhou 253000, China)

Aiming at heat pipe heat exchanger and gravity type heat pipe, impact of vortex generator and fins on heat exchanging effect was studied. Heat pipe structure in heat exchanger was optimized, and heat transfer characteristics of the heat transfer tubes with a variety of structures were studied through experiments, and the theoretical part was verified, heat exchanging effect of heat pipe with transverse fins and heat pipe without transverse fins was compared. On the basis of installing heat pipe fins, heat exchanging effect after installing vortex generator was investigated. Heat transfer enhancement mechanism was discussed based on temperature field and velocity field.

heat exchangers; structural optimization; numerical simulation; experiment

TQ 052

A

1671-0460（2016）12-2821-03

2016-05-20

紀強（1981-），男，遼寧撫順市人，工程師，主要從事壓力容器設計、制造及檢驗。