热管传热及散热分析

第16卷第3期茂名学院学报Vol 16 No. 32006年6月JOURNAL OF MAOMING COLLEGEJun.2006文章编号:1671-6590(2006)03-0031-04热管传热及散热分析莫才颂,李权(1.茂名学院机电工程学院,广东茂名5250002.茂港电力设备厂,广东茂名525000摘要:热管是一种依靠自身内部液体工质的相变来实现传热的超导热体传热元件,具有传热系数高、温度分布均匀、热响应迅速、结构紧凑、工作可靠及节约能源等优点。近年来研制钢制热管散热器成为我国散热器开发的一个热点。详细论述了高效传热元件热管的传热原理、基本特性、传热性能分析及热管的结构与散热设计,最后简单介绍了热管用于电机领域的散热方法。关键词:热管技术;传热分析;散热中图分类号:TB6575文献标识码:A热管是一种传热效率很高的新型高效节能传热元件,它具有结构简单、传热效率髙、无运转部件、工作可靠、使用寿命长等优点。自1663年世界上第一支热管诞生以来,热管技术得到了迅速发展,许多工业发达国家,如美、日、英、德、前苏联等,进行了大量的实验和理论研究工作,热管技术已广泛应用于宇航、动力、化工、冶金、电力等各个领域。由于热管不需要外界供给任何动力在很小的温差条件下就能迅速传递大量的热能而成为所谓热的超导体。因此,热管对充分利用能源有着非常重大的作用。在能源紧缺的形势下热管技术有着十分广阔的发展前景。1热管的传热原理图1示意性地表明了热管的工作过程。热管的一端置于较高温处而让另一端在较低温处时,传冷凝段,绝热段蒸发段热现象便开始产生。热流由高温处首先穿过金属管壳管壁进入毛细物体中,毛细物体内的工作液受热开管芯始蒸发。热管在高温处的部份便称之为蒸发部分( Evaporator)。蒸发后的汽体聚集在蒸发部分的中排热液蒸加热空管内,同时向热管的另一端流动。由于热管的另图1热管的工作过程端接触到较低温处,当汽体到达较冷的另一端时便开始冷凝,此时热量就由汽体穿过毛细物体、工作液及金属管壁而传人较低温部分。因此热管在较低温的部分便称之为冷凝部分( Condenser)。在冷凝部分内原先由蒸发部分蒸发的汽体又凝结成了液体,这些冷凝后的液体因毛细现象( Capillary pumping)的作用自冷凝中国煤化工流体循环不息热量由高温处便传到了低温处,这便是热管的传热原理。因的气压下进行,管CNMHG收稿日期:2006-03-02;修回日期:2006-03-20基金项目:茂名学院科学研究基金资助项目(项目编号:203237)作者简介:莫才頌(1973-),男,广东茂名人,硕士,讲师32茂名学院学报2006年内的温差非常小。至于热管两端外壳的温差,则主要由于热传导由管壁外缘经过毛细物体,工作液到汽体所致。如把热管和同体积金属棒的两端置于同样温差之下,热管的导热量可以达到金属棒的千倍以上。换句话说,当同样的热量通过热管和同体积的金属棒时,热管两端的温差要比金属棒小很多。由于这种特性,热管常被称为“近等温导热”装置。统而言之,热管在结构及原理上最突出的一点是毛细物体及毛细现象的应用。由于毛细现象的作用,在冷凝部分的液体可以不需外力的作用而流回蒸发部分,这使热管成为一个完全独立而没有活动零件的导热装置。2热管传热性能分析从热管的工作过程中可以看到热管实现了一种特殊的传热过程。下面建立单根热管其热传递过程中各环节热阻的数学计算模型,以研究热管的传热性能。2.1热管热阻数学计算模型(1)从热源到热管蒸发段外壁的换热热阻为dlh。式中:d为热管外径,mm;l为蒸发段长度,mm;h,为蒸发段外表面总表面传热系数,W(cm2·K)(2)从蒸发段外壁到内壁的导热热阻为2xal. d式中:λ为材料的导热系数;d,为热管内径,mm(3)蒸发段换热热阻为R,=*. Lh式中:h。为蒸发段蒸发换热表面传热系数,W(cm2K)。(4)从蒸发段到冷凝段蒸汽流动的压降所引起的热阻R4蒸汽的压降导致饱和温度下降,实际上由于压降很小,因而所引起的相应的温差也很小,近似地认为(5)热管冷凝段换热热阻为d, l, h式中:l2为冷凝段长度;h为冷凝段内表面传热系数,W/(cm2…K)。(6)热管冷凝段内表面到外表面的导热热阻为2xaL, d(7)热管各环节的总热阻R。通过上面分析得R=R+ R2+R,+R,+Rs+ r622热管传热量Q的计算传热过程的热流量Q(W)、温差△(C)及总热阻R(K/W),它们之间关系为△tt1-t2e=r单位壁面面积上的导热量中国煤化工CNMHGq=4.17式中:8为导热壁厚;λ为导热系数。故总的热流量第3期莫才颂等:热管传热及散热分析33Q=F=22式中:F为导热总面积。从上述给出的计算模型可知:处于稳定运行的热管本身并不产生或吸收热量,它只是把蒸发段吸收的热量传到冷凝段并释放出来。3热管的结构设计与散热设计3.1热管的结构设计热管的结构设计应着重考虑如下几个因素2:(1)热管管内工作液体的选择;(2)热管管内吸液芯结构形式;(3)热管的工作温度,亦即工作情况下热管内部工作液体的饱和蒸汽温度;(4)热管管壳材料的选择。热管几何尺寸的确定,主要应根据耗散功率所需的最小面积,结合主要发热元件的几何尺寸、技术要求、产品允许体积、重量及热交换器合理设计等几个方面考虑。蒸发段的高度、内外径是根据主要发热器件的结构尺寸和技术要求确定的;冷凝段的高度、直径、散热片尺寸根据冷凝端热交换的设计计算确定。3.2散热设计根据热阻要求、工作状态(即热管在工作时,两端温差小于多少)和结构形式而确定热管的壳体尺寸和散热尺寸。散热片之间的间距估算0.28式中:a为间距;H为肋片高度。即两个壁面上的放热只要a/H>0.28,都可作为空间自然冷却。自然冷却可按下列公式进行计算G式中:G,为格拉晓夫数;g为重力加速度;l为特征尺寸;B为空气膨胀系数;△t为温差;r为动粘度(y空0.59(GP,)式中:№为努塞尔数;P,为普朗特数(空气取0.7)。式中:h为对流放热系数;λ。为空气的导热系数。肋片效率为tanh ( mH)式中:λ为铜的导热系数;t为肋片厚度。对流散热量为Qe=n,A(△式中:A为散热面积。热辐射散热量为Qe=7CA[(1m0)2-(式中:e为黑度;C为黑体辐射系数(20.4khm-2/℃);T。为热管绝对温度;T.为环境绝对温度。总热量Q=Q中国煤化工总放热热阻R△TCNMHGQQ+Q,式中:△t为散热器最高允许温升。根据计算结果,可确定散热器长度和散热片片数。茂名学院学报2006年4热管用于电机的散热分析热管用于电机散热可以分为两种形式:一种是将普通热管装在电机定子和转子的发热部位把热量导到电机两端容易散热的部位,从而降低电机的温升;另一种是旋转热管电机,这时电机的转子为空心轴,空心轴本身做成旋转热管,电机转子的热量通过旋转热管带到电机的另一端散掉用普通热管冷却电机的结构时,热管的加热段安装在电机转子和定子的发热部位,热管延伸到电机端部,热管冷却段上有翅片,当电机转动时,产生的内热能有效地传到周围空气中去。电机转动产生离心,使转子热管中的工质被压向管的外侧,热管受热后,加热段中的液面就会由于液体的蒸发而降低,当蒸汽流到冷若却段时,蒸汽冷凝,并由于离心力的作用将工质液体挤向管的外侧,使冷凝段的液面升高。同时,离心力的作用使得沿管长的液面差变小,液体就回流到蒸发段,形成循环。定子上的热管可以装在定子槽中,定子中的热流,先向经过线圈的浸漆层传到热管的加热段,然后再通过热管沿轴向传到定子的外部,经过翅片将热量散到空气中去。用旋转热管冷却电机的结构时,电动机转子的轴做成空心轴,空心的内径是变化的,端部密封并抽成真空,充进少量工质就构成旋转热管。电动机运行时,转子高速旋转,工质液体在空心轴内形成一定厚度的液膜,转子的损耗发热使热管液体蒸发,蒸汽把热量带到轴的另一端,使废热通过散热翅片传到冷却空气气流中,冷却空气再流过定子,将定子的损耗热带走5结论热管是一种新型髙效传热元件,自从它问世以来,就以独特的传热与散热性能、优良的节能效果被广泛地应用于各个领域。目前,热管技术的研究和应用在一些国家正向更高水平、更深层次发展。我国热管技术的研究也已达到相当先进的水平。我国是一个用电大国,然而,热管技术在这一领域的应用研究才仅仅开始。目前,正当我国节能工作转移到以技术节能为主的轨道上来的时候,热管技术在电力这个广阔领域中的应用开发,必将结出更多的节能硕果。[参考文献][1]庄骏,徐通时,热管与热管换热器[M].上海:上海交通大学出版社,1995[2]庄骏,张红,热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社,2000[3]李亭寒,热管设计与应用M].北京:化学工业出版社,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中国煤化工vey.teaption of heat pipe electric engine field is also introducedCNMHGKey words: heat pipe; heat transfer analysis; heat radiation