热管技术的蒸发和冷凝段长度对比研究
作者：朱达祥 刘飞
来源：《科学家》2016年第17期

        摘要 本文提出了一种突起长度逐渐变化的热管，探讨了热管的结构设计和功能特点，分析了热管的最优尺寸关系。实践表明，本文提出的突起长度逐渐变化的热管能够优化换热效果，降低流动阻力，提升换热效率，对于能源节约和延长热管寿命有着积极的意义。

        关键词 突起；热管；结构尺寸；换热效率

        中图分类号 TK1 文献标识码 A 文章编号2095—6363（2016）17—0022—02

        当前，热管技术各种散热设备中的应用越来越广泛，一般来说，热管由蒸发端和冷凝端两部分组成，流体在蒸发端蒸发，再到达冷凝端冷凝，实现热量向外部传递，在换热的过程中，无论是蒸发端还是冷凝端，都存在气液两相流，随着热管老化，热管在工作的过程中往往会产生一些不凝气体，降低了热管的换热系数。此外，热管在换热的过程中，其蒸发端和冷凝端各个位置换热量有着一定的差异性，这就使得热管换热会出现局部不均匀的情况。针对以上热管技术存在的问题，本文提出了一种新型突起长度逐渐变化的热管。

        1热管技术概述

        热管技术诞生于1963年，美国Los Alamos国家实验室的乔治格罗佛发明了一种传热元件——热管，其以热传导原理与相变介质快速热传递性质为基础，通过热管将发热物体热量快速传递到热源外，其导热能力超过当时任何一种金属u-。经过多年的发展，热管技术在军工、宇航等领域中的应用越来越广泛，其在散热器制造行业中的应用改变了人们传统的设计思路，打破了单纯依靠高风量电机散热模式的局限性，换热效果大大提升，散热行业进入了新时代。

        2一种突起长度逐渐变化热管

        2.1实施方式

        本文提出的突起长度逐渐变化热管结构主要包括蒸发端、冷凝端和绝热端3个部分，蒸发端的主要功能为吸热，热管密封的流体蒸发，之后流体进入到冷凝端，热量通过冷凝端传递给外部，换热之后流体为液体，液相流体再回流到蒸发端。在热管中包括扁平管，扁平管中包括相互平行的管壁，相邻管壁之间会形成流体通道。将翅片设置在扁平管内部的蒸发端和冷凝端，翅片与管壁的倾斜部分相互平行，在倾斜部分上方，采用冲压方式加工突起，从而使两侧流体通过冲压方式形成的孔连通，加工的突起从倾斜部分向外延伸。其中，扁平管可以选择一体化制造的，也可以选择分体制造的。

        以冲压方式设置突起有以下几方面优点：1）利用突起可以破坏层流底层，不会造成换热面积损失，且“尖”和“孔”可以分别在不同高度扰动流体，从而增强换热效果；2）冲压突起形成的小孔可以借助突起下游压力场的影响，实现翅片两侧介质压力和质量的交换，破坏粘性底层和液膜的稳定性，强化换热效果；3）对于含有不凝气体的流体或两相流体来说，可以借助突起来扩大液界面及气象边界层与冷却壁面的接触面接触，增强扰动。

        通过实施上述措施，能够有效提升流体换热效率，相较于正常流体换热来说，换热效率能够提升15%～25%。

        2.2突起特点与作用原理

        冲压形成的突起与流体流动方向之间的夹角为锐角，本文中提到的流体流动方向为蒸发端→冷凝端。采用的翅片为倾斜型翅片，包括水平部分和倾斜部分，其中水平部分与管壁贴在一起，二者保持平行，倾斜部分与水平部分连接。突起延伸方向与流体流动方向的夹角为a，沿着流体流动方向，同一个倾斜部分设置多个突起，且夹角a逐渐变大。经过实验表明，相较于夹角a不变来说，夹角a逐渐变大有助于换热效率的提升，提升幅度约10%。突起延伸长度为L，沿着流体流通方向，沿着流体流动方向，突起长度L逐渐增大，实验表明，相较于突起延伸长度L无变化来说，L不断变大，有利于提升换热效率，提升幅度在9%左右。在沿着流体流动的方向，突起延伸长度L的变大幅度是逐渐缩小的，在保证换热效率的基础上，有利于降低流动阻力，降低幅度在5%左右。

        突起形状为等腰三角形，等腰三角形底边设置在倾斜部分上，二者的倾斜角度一直，等腰三角形的顶角为b，沿着流体流动方向，底边长度不变的情况下，突起顶角b越来越小，这有助于提升换热效率，相较于顶角b无变化来说，换热效率7%左右，同时顶角b的变小幅度会沿着流体流动方向逐渐减小，在保证换热效率的基础上，能够进一步降低流动阻力，降低幅度在4%左右。等腰三角形底边长度为h，沿着流体流动方向，h逐渐变大，能够提升7%左右的换热效率，h变大幅度逐渐缩小，能够降低5%左右的流动阻力。

        同一倾斜部分设置多排突起，每排突起之间的距离为S2，沿着流体流动方向，S2逐渐变大，通过S2的增大能够在保证换热效率的基础上降低流动阻力，降低幅度为10%。

        2.3最优结构尺寸

        多排突起的排列为错列结构，流体从上向下流动，即沿着突起流动，通过实验分析可知，应当合理把握相邻管壁之间的距离，距离过大，会降低换热效率，距离过小，会增大流动阻力，同理，等腰三角形底边长度、顶角、突起、翅片倾斜部分的距离与流体流动方向的夹角也不能过大或过小，需要满足最优尺寸关系。

        经过上千次数值模拟和试验数据，在满足10MPa承压要求的基础上，实现最大换热量，总结最优换热管壁尺寸关系。

        设相邻管壁之间的距离为H，等腰三角形底边长度为h，相邻倾斜部分之间的距离为w，倾斜部分与管壁之间的锐角为c，则满足以下公式。

        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代表对数函数，c1、c2、c3、c4、c5、c6为系数，公式满足：

        0.24

        19°

        10mm

        0.19

        其中H代表相邻关闭相对的面之间的距离，w代表相邻的倾斜部分相对的面在沿着管壁方向上的距离，L代表等腰三角形定点到底边中点之间的距离。选择C1=0.245，c2=0.694，c3=0.873，c4=0.691，c5=1.1454，c6=6.13，85°

        以上述公式为基础得出突起的最佳几何尺度，能够有效提升换热效率，强化粘性底层、液膜、气象边界层不同尺度的内热阻，以此来避免出现措施过度而导致阻力损失的问题。

        同一排相邻突起的底边在一条直线上，相邻突起间距离为S1，2.5×h

        3结论

        热管技术在换热设备中的应用十分广泛，常规热管存在一定的局限性，本文提出了一种突起长度逐渐变化的新型热管，解决了传统热管换热效率低下、换热局部不均匀的问题，经过实验分析可知，这种热管换热效果良好，能够延长使用寿命，节约能源，有着进一步推广和应用的价值。