| 熱管技術(shù)的蒸發(fā)和冷凝段長度對比研究
作者：朱達(dá)祥 劉飛
來源：《科學(xué)家》2016年第17期
摘要 本文提出了一種突起長度逐漸變化的熱管，探討了熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能特點，分析了熱管的最優(yōu)尺寸關(guān)系。實踐表明，本文提出的突起長度逐漸變化的熱管能夠優(yōu)化換熱效果，降低流動阻力，提升換熱效率，對于能源節(jié)約和延長熱管壽命有著積極的意義。
關(guān)鍵詞 突起；熱管；結(jié)構(gòu)尺寸；換熱效率
中圖分類號 TK1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號2095—6363（2016）17—0022—02
當(dāng)前，熱管技術(shù)各種散熱設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，一般來說，熱管由蒸發(fā)端和冷凝端兩部分組成，流體在蒸發(fā)端蒸發(fā)，再到達(dá)冷凝端冷凝，實現(xiàn)熱量向外部傳遞，在換熱的過程中，無論是蒸發(fā)端還是冷凝端，都存在氣液兩相流，隨著熱管老化，熱管在工作的過程中往往會產(chǎn)生一些不凝氣體，降低了熱管的換熱系數(shù)。此外，熱管在換熱的過程中，其蒸發(fā)端和冷凝端各個位置換熱量有著一定的差異性，這就使得熱管換熱會出現(xiàn)局部不均勻的情況。針對以上熱管技術(shù)存在的問題，本文提出了一種新型突起長度逐漸變化的熱管。
1熱管技術(shù)概述
熱管技術(shù)誕生于1963年，美國Los Alamos國家實驗室的喬治格羅佛發(fā)明了一種傳熱元件——熱管，其以熱傳導(dǎo)原理與相變介質(zhì)快速熱傳遞性質(zhì)為基礎(chǔ)，通過熱管將發(fā)熱物體熱量快速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過當(dāng)時任何一種金屬u-。經(jīng)過多年的發(fā)展，熱管技術(shù)在軍工、宇航等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，其在散熱器制造行業(yè)中的應(yīng)用改變了人們傳統(tǒng)的設(shè)計思路，打破了單純依靠高風(fēng)量電機散熱模式的局限性，換熱效果大大提升，散熱行業(yè)進(jìn)入了新時代。
2一種突起長度逐漸變化熱管
2.1實施方式
本文提出的突起長度逐漸變化熱管結(jié)構(gòu)主要包括蒸發(fā)端、冷凝端和絕熱端3個部分，蒸發(fā)端的主要功能為吸熱，熱管密封的流體蒸發(fā)，之后流體進(jìn)入到冷凝端，熱量通過冷凝端傳遞給外部，換熱之后流體為液體，液相流體再回流到蒸發(fā)端。在熱管中包括扁平管，扁平管中包括相互平行的管壁，相鄰管壁之間會形成流體通道。將翅片設(shè)置在扁平管內(nèi)部的蒸發(fā)端和冷凝端，翅片與管壁的傾斜部分相互平行，在傾斜部分上方，采用沖壓方式加工突起，從而使兩側(cè)流體通過沖壓方式形成的孔連通，加工的突起從傾斜部分向外延伸。其中，扁平管可以選擇一體化制造的，也可以選擇分體制造的。
以沖壓方式設(shè)置突起有以下幾方面優(yōu)點：1）利用突起可以破壞層流底層，不會造成換熱面積損失，且“尖”和“孔”可以分別在不同高度擾動流體，從而增強換熱效果；2）沖壓突起形成的小孔可以借助突起下游壓力場的影響，實現(xiàn)翅片兩側(cè)介質(zhì)壓力和質(zhì)量的交換，破壞粘性底層和液膜的穩(wěn)定性，強化換熱效果；3）對于含有不凝氣體的流體或兩相流體來說，可以借助突起來擴大液界面及氣象邊界層與冷卻壁面的接觸面接觸，增強擾動。
通過實施上述措施，能夠有效提升流體換熱效率，相較于正常流體換熱來說，換熱效率能夠提升15%～25%。
2.2突起特點與作用原理
沖壓形成的突起與流體流動方向之間的夾角為銳角，本文中提到的流體流動方向為蒸發(fā)端→冷凝端。采用的翅片為傾斜型翅片，包括水平部分和傾斜部分，其中水平部分與管壁貼在一起，二者保持平行，傾斜部分與水平部分連接。突起延伸方向與流體流動方向的夾角為a，沿著流體流動方向，同一個傾斜部分設(shè)置多個突起，且夾角a逐漸變大。經(jīng)過實驗表明，相較于夾角a不變來說，夾角a逐漸變大有助于換熱效率的提升，提升幅度約10%。突起延伸長度為L，沿著流體流通方向，沿著流體流動方向，突起長度L逐漸增大，實驗表明，相較于突起延伸長度L無變化來說，L不斷變大，有利于提升換熱效率，提升幅度在9%左右。在沿著流體流動的方向，突起延伸長度L的變大幅度是逐漸縮小的，在保證換熱效率的基礎(chǔ)上，有利于降低流動阻力，降低幅度在5%左右。
突起形狀為等腰三角形，等腰三角形底邊設(shè)置在傾斜部分上，二者的傾斜角度一直，等腰三角形的頂角為b，沿著流體流動方向，底邊長度不變的情況下，突起頂角b越來越小，這有助于提升換熱效率，相較于頂角b無變化來說，換熱效率7%左右，同時頂角b的變小幅度會沿著流體流動方向逐漸減小，在保證換熱效率的基礎(chǔ)上，能夠進(jìn)一步降低流動阻力，降低幅度在4%左右。等腰三角形底邊長度為h，沿著流體流動方向，h逐漸變大，能夠提升7%左右的換熱效率，h變大幅度逐漸縮小，能夠降低5%左右的流動阻力。
同一傾斜部分設(shè)置多排突起，每排突起之間的距離為S2，沿著流體流動方向，S2逐漸變大，通過S2的增大能夠在保證換熱效率的基礎(chǔ)上降低流動阻力，降低幅度為10%。
2.3最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸
多排突起的排列為錯列結(jié)構(gòu)，流體從上向下流動，即沿著突起流動，通過實驗分析可知，應(yīng)當(dāng)合理把握相鄰管壁之間的距離，距離過大，會降低換熱效率，距離過小，會增大流動阻力，同理，等腰三角形底邊長度、頂角、突起、翅片傾斜部分的距離與流體流動方向的夾角也不能過大或過小，需要滿足最優(yōu)尺寸關(guān)系。
經(jīng)過上千次數(shù)值模擬和試驗數(shù)據(jù)，在滿足10MPa承壓要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)最大換熱量，總結(jié)最優(yōu)換熱管壁尺寸關(guān)系。
設(shè)相鄰管壁之間的距離為H，等腰三角形底邊長度為h，相鄰傾斜部分之間的距離為w，傾斜部分與管壁之間的銳角為c，則滿足以下公式。
c6*h/tl cl*Ln（L*sin（a）/（w，sin（c））+c2
sin（b/2）=c3+c4*sin（a）-c5*（sin（a））2
在上述公式中，Ln代表對數(shù)函數(shù)，c1、c2、c3、c4、c5、c6為系數(shù)，公式滿足：
0.24
19°
10mm
0.19
其中H代表相鄰關(guān)閉相對的面之間的距離，w代表相鄰的傾斜部分相對的面在沿著管壁方向上的距離，L代表等腰三角形定點到底邊中點之間的距離。選擇C1=0.245，c2=0.694，c3=0.873，c4=0.691，c5=1.1454，c6=6.13，85°
以上述公式為基礎(chǔ)得出突起的最佳幾何尺度，能夠有效提升換熱效率，強化粘性底層、液膜、氣象邊界層不同尺度的內(nèi)熱阻，以此來避免出現(xiàn)措施過度而導(dǎo)致阻力損失的問題。
同一排相鄰?fù)黄鸬牡走呍谝粭l直線上，相鄰?fù)黄痖g距離為S1，2.5×h
3結(jié)論
熱管技術(shù)在換熱設(shè)備中的應(yīng)用十分廣泛，常規(guī)熱管存在一定的局限性，本文提出了一種突起長度逐漸變化的新型熱管，解決了傳統(tǒng)熱管換熱效率低下、換熱局部不均勻的問題，經(jīng)過實驗分析可知，這種熱管換熱效果良好，能夠延長使用壽命，節(jié)約能源，有著進(jìn)一步推廣和應(yīng)用的價值。 | 
