熱管傳熱及散熱分析

第16卷第3期茂名學(xué)院學(xué)報Vol 16 No. 32006年6月JOURNAL OF MAOMING COLLEGEJun.2006文章編號:1671-6590(2006)03-0031-04熱管傳熱及散熱分析莫才頌,李權(1.茂名學(xué)院機電工程學(xué)院,廣東茂名5250002.茂港電力設備廠(chǎng),廣東茂名525000摘要:熱管是一種依靠自身內部液體工質(zhì)的相變來(lái)實(shí)現傳熱的超導熱體傳熱元件,具有傳熱系數高、溫度分布均勻、熱響應迅速、結構緊湊、工作可靠及節約能源等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)研制鋼制熱管散熱器成為我國散熱器開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。詳細論述了高效傳熱元件熱管的傳熱原理、基本特性、傳熱性能分析及熱管的結構與散熱設計,最后簡(jiǎn)單介紹了熱管用于電機領(lǐng)域的散熱方法。關(guān)鍵詞:熱管技術(shù);傳熱分析;散熱中圖分類(lèi)號:TB6575文獻標識碼:A熱管是一種傳熱效率很高的新型高效節能傳熱元件,它具有結構簡(jiǎn)單、傳熱效率髙、無(wú)運轉部件、工作可靠、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。自1663年世界上第一支熱管誕生以來(lái),熱管技術(shù)得到了迅速發(fā)展,許多工業(yè)發(fā)達國家,如美、日、英、德、前蘇聯(lián)等,進(jìn)行了大量的實(shí)驗和理論研究工作,熱管技術(shù)已廣泛應用于宇航、動(dòng)力、化工、冶金、電力等各個(gè)領(lǐng)域。由于熱管不需要外界供給任何動(dòng)力在很小的溫差條件下就能迅速傳遞大量的熱能而成為所謂熱的超導體。因此,熱管對充分利用能源有著(zhù)非常重大的作用。在能源緊缺的形勢下熱管技術(shù)有著(zhù)十分廣闊的發(fā)展前景。1熱管的傳熱原理圖1示意性地表明了熱管的工作過(guò)程。熱管的一端置于較高溫處而讓另一端在較低溫處時(shí),傳冷凝段,絕熱段蒸發(fā)段熱現象便開(kāi)始產(chǎn)生。熱流由高溫處首先穿過(guò)金屬管殼管壁進(jìn)入毛細物體中,毛細物體內的工作液受熱開(kāi)管芯始蒸發(fā)。熱管在高溫處的部份便稱(chēng)之為蒸發(fā)部分( Evaporator)。蒸發(fā)后的汽體聚集在蒸發(fā)部分的中排熱液蒸加熱空管內,同時(shí)向熱管的另一端流動(dòng)。由于熱管的另圖1熱管的工作過(guò)程端接觸到較低溫處,當汽體到達較冷的另一端時(shí)便開(kāi)始冷凝,此時(shí)熱量就由汽體穿過(guò)毛細物體、工作液及金屬管壁而傳人較低溫部分。因此熱管在較低溫的部分便稱(chēng)之為冷凝部分( Condenser)。在冷凝部分內原先由蒸發(fā)部分蒸發(fā)的汽體又凝結成了液體,這些冷凝后的液體因毛細現象( Capillary pumping)的作用自冷凝中國煤化工流體循環(huán)不息熱量由高溫處便傳到了低溫處,這便是熱管的傳熱原理。因的氣壓下進(jìn)行,管CNMHG收稿日期:2006-03-02;修回日期:2006-03-20基金項目:茂名學(xué)院科學(xué)研究基金資助項目(項目編號:203237)作者簡(jiǎn)介:莫才頌(1973-),男,廣東茂名人,碩士,講師32茂名學(xué)院學(xué)報2006年內的溫差非常小。至于熱管兩端外殼的溫差,則主要由于熱傳導由管壁外緣經(jīng)過(guò)毛細物體,工作液到汽體所致。如把熱管和同體積金屬棒的兩端置于同樣溫差之下,熱管的導熱量可以達到金屬棒的千倍以上。換句話(huà)說(shuō),當同樣的熱量通過(guò)熱管和同體積的金屬棒時(shí),熱管兩端的溫差要比金屬棒小很多。由于這種特性,熱管常被稱(chēng)為“近等溫導熱”裝置。統而言之,熱管在結構及原理上最突出的一點(diǎn)是毛細物體及毛細現象的應用。由于毛細現象的作用,在冷凝部分的液體可以不需外力的作用而流回蒸發(fā)部分,這使熱管成為一個(gè)完全獨立而沒(méi)有活動(dòng)零件的導熱裝置。2熱管傳熱性能分析從熱管的工作過(guò)程中可以看到熱管實(shí)現了一種特殊的傳熱過(guò)程。下面建立單根熱管其熱傳遞過(guò)程中各環(huán)節熱阻的數學(xué)計算模型,以研究熱管的傳熱性能。2.1熱管熱阻數學(xué)計算模型(1)從熱源到熱管蒸發(fā)段外壁的換熱熱阻為dlh。式中:d為熱管外徑,mm;l為蒸發(fā)段長(cháng)度,mm;h,為蒸發(fā)段外表面總表面傳熱系數,W(cm2·K)(2)從蒸發(fā)段外壁到內壁的導熱熱阻為2xal. d式中:λ為材料的導熱系數;d,為熱管內徑,mm(3)蒸發(fā)段換熱熱阻為R,=*. Lh式中:h。為蒸發(fā)段蒸發(fā)換熱表面傳熱系數,W(cm2K)。(4)從蒸發(fā)段到冷凝段蒸汽流動(dòng)的壓降所引起的熱阻R4蒸汽的壓降導致飽和溫度下降,實(shí)際上由于壓降很小,因而所引起的相應的溫差也很小,近似地認為(5)熱管冷凝段換熱熱阻為d, l, h式中:l2為冷凝段長(cháng)度;h為冷凝段內表面傳熱系數,W/(cm2…K)。(6)熱管冷凝段內表面到外表面的導熱熱阻為2xaL, d(7)熱管各環(huán)節的總熱阻R。通過(guò)上面分析得R=R+ R2+R,+R,+Rs+ r622熱管傳熱量Q的計算傳熱過(guò)程的熱流量Q(W)、溫差△(C)及總熱阻R(K/W),它們之間關(guān)系為△tt1-t2e=r單位壁面面積上的導熱量中國煤化工CNMHGq=4.17式中:8為導熱壁厚;λ為導熱系數。故總的熱流量第3期莫才頌等:熱管傳熱及散熱分析33Q=F=22式中:F為導熱總面積。從上述給出的計算模型可知:處于穩定運行的熱管本身并不產(chǎn)生或吸收熱量,它只是把蒸發(fā)段吸收的熱量傳到冷凝段并釋放出來(lái)。3熱管的結構設計與散熱設計3.1熱管的結構設計熱管的結構設計應著(zhù)重考慮如下幾個(gè)因素2:(1)熱管管內工作液體的選擇;(2)熱管管內吸液芯結構形式;(3)熱管的工作溫度,亦即工作情況下熱管內部工作液體的飽和蒸汽溫度;(4)熱管管殼材料的選擇。熱管幾何尺寸的確定,主要應根據耗散功率所需的最小面積,結合主要發(fā)熱元件的幾何尺寸、技術(shù)要求、產(chǎn)品允許體積、重量及熱交換器合理設計等幾個(gè)方面考慮。蒸發(fā)段的高度、內外徑是根據主要發(fā)熱器件的結構尺寸和技術(shù)要求確定的;冷凝段的高度、直徑、散熱片尺寸根據冷凝端熱交換的設計計算確定。3.2散熱設計根據熱阻要求、工作狀態(tài)(即熱管在工作時(shí),兩端溫差小于多少)和結構形式而確定熱管的殼體尺寸和散熱尺寸。散熱片之間的間距估算0.28式中:a為間距;H為肋片高度。即兩個(gè)壁面上的放熱只要a/H>0.28,都可作為空間自然冷卻。自然冷卻可按下列公式進(jìn)行計算G式中:G,為格拉曉夫數;g為重力加速度;l為特征尺寸;B為空氣膨脹系數;△t為溫差;r為動(dòng)粘度(y空0.59(GP,)式中:№為努塞爾數;P,為普朗特數(空氣取0.7)。式中:h為對流放熱系數;λ。為空氣的導熱系數。肋片效率為tanh ( mH)式中:λ為銅的導熱系數;t為肋片厚度。對流散熱量為Qe=n,A(△式中:A為散熱面積。熱輻射散熱量為Qe=7CA[(1m0)2-(式中:e為黑度;C為黑體輻射系數(20.4khm-2/℃);T。為熱管絕對溫度;T.為環(huán)境絕對溫度?？偀崃縌=Q中國煤化工總放熱熱阻R△TCNMHGQQ+Q,式中:△t為散熱器最高允許溫升。根據計算結果,可確定散熱器長(cháng)度和散熱片片數。茂名學(xué)院學(xué)報2006年4熱管用于電機的散熱分析熱管用于電機散熱可以分為兩種形式:一種是將普通熱管裝在電機定子和轉子的發(fā)熱部位把熱量導到電機兩端容易散熱的部位,從而降低電機的溫升;另一種是旋轉熱管電機,這時(shí)電機的轉子為空心軸,空心軸本身做成旋轉熱管,電機轉子的熱量通過(guò)旋轉熱管帶到電機的另一端散掉用普通熱管冷卻電機的結構時(shí),熱管的加熱段安裝在電機轉子和定子的發(fā)熱部位,熱管延伸到電機端部,熱管冷卻段上有翅片,當電機轉動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的內熱能有效地傳到周?chē)諝庵腥?。電機轉動(dòng)產(chǎn)生離心,使轉子熱管中的工質(zhì)被壓向管的外側,熱管受熱后,加熱段中的液面就會(huì )由于液體的蒸發(fā)而降低,當蒸汽流到冷若卻段時(shí),蒸汽冷凝,并由于離心力的作用將工質(zhì)液體擠向管的外側,使冷凝段的液面升高。同時(shí),離心力的作用使得沿管長(cháng)的液面差變小,液體就回流到蒸發(fā)段,形成循環(huán)。定子上的熱管可以裝在定子槽中,定子中的熱流,先向經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈的浸漆層傳到熱管的加熱段,然后再通過(guò)熱管沿軸向傳到定子的外部,經(jīng)過(guò)翅片將熱量散到空氣中去。用旋轉熱管冷卻電機的結構時(shí),電動(dòng)機轉子的軸做成空心軸,空心的內徑是變化的,端部密封并抽成真空,充進(jìn)少量工質(zhì)就構成旋轉熱管。電動(dòng)機運行時(shí),轉子高速旋轉,工質(zhì)液體在空心軸內形成一定厚度的液膜,轉子的損耗發(fā)熱使熱管液體蒸發(fā),蒸汽把熱量帶到軸的另一端,使廢熱通過(guò)散熱翅片傳到冷卻空氣氣流中,冷卻空氣再流過(guò)定子,將定子的損耗熱帶走5結論熱管是一種新型髙效傳熱元件,自從它問(wèn)世以來(lái),就以獨特的傳熱與散熱性能、優(yōu)良的節能效果被廣泛地應用于各個(gè)領(lǐng)域。目前,熱管技術(shù)的研究和應用在一些國家正向更高水平、更深層次發(fā)展。我國熱管技術(shù)的研究也已達到相當先進(jìn)的水平。我國是一個(gè)用電大國,然而,熱管技術(shù)在這一領(lǐng)域的應用研究才僅僅開(kāi)始。目前,正當我國節能工作轉移到以技術(shù)節能為主的軌道上來(lái)的時(shí)候,熱管技術(shù)在電力這個(gè)廣闊領(lǐng)域中的應用開(kāi)發(fā),必將結出更多的節能碩果。[參考文獻][1]莊駿,徐通時(shí),熱管與熱管換熱器[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1995[2]莊駿,張紅,熱管技術(shù)及其工程應用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000[3]李亭寒,熱管設計與應用M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1991The analysis of Heat Pipe heat Transfer and Heat radiationMO Cai-song, LI Quan(1. Maoming College, Maoming, 525000, China; 2. Maogang Electric Power Equipment Factory, Maoming 525000, ChinaAbstract: Heat pipe is a heat-transfer element of super conduction, which depends on state transformation of ownliquid substance. It has advantages of high coefficient of heat transmission, uniform temperature distribution, promptthermal response, compact construction and credible performance. The steel radiator incorporating a heat pipe has become of general interest in recent years in China. This paper is intended to introduce the heat transfer theory, basalcharacter, the analyses of heat transfer process and how to designTH中國煤化工vey.teaption of heat pipe electric engine field is also introducedCNMHGKey words: heat pipe; heat transfer analysis; heat radiation