第16卷第3期茂名學(xué)院學(xué)報(bào)Vol 16 No. 32006年6月JOURNAL OF MAOMING COLLEGEJun.2006文章編號(hào):1671-6590(2006)03-0031-04熱管傳熱及散熱分析莫才頌,李權(quán)(1.茂名學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東茂名5250002.茂港電力設(shè)備廠,廣東茂名525000摘要:熱管是一種依靠自身內(nèi)部液體工質(zhì)的相變來實(shí)現(xiàn)傳熱的超導(dǎo)熱體傳熱元件,具有傳熱系數(shù)高、溫度分布均勻、熱響應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠及節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。近年來研制鋼制熱管散熱器成為我國散熱器開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。詳細(xì)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(jié)構(gòu)與散熱設(shè)計(jì),最后簡單介紹了熱管用于電機(jī)領(lǐng)域的散熱方法。關(guān)鍵詞:熱管技術(shù);傳熱分析;散熱中圖分類號(hào):TB6575文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A熱管是一種傳熱效率很高的新型高效節(jié)能傳熱元件,它具有結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率髙、無運(yùn)轉(zhuǎn)部件、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。自1663年世界上第一支熱管誕生以來,熱管技術(shù)得到了迅速發(fā)展,許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家,如美、日、英、德、前蘇聯(lián)等,進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作,熱管技術(shù)已廣泛應(yīng)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(dǎo)體。因此,熱管對充分利用能源有著非常重大的作用。在能源緊缺的形勢下熱管技術(shù)有著十分廣闊的發(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(xiàn)象便開始產(chǎn)生。熱流由高溫處首先穿過金屬管殼管壁進(jìn)入毛細(xì)物體中,毛細(xì)物體內(nèi)的工作液受熱開管芯始蒸發(fā)。熱管在高溫處的部份便稱之為蒸發(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(nèi),同時(shí)向熱管的另一端流動(dòng)。由于熱管的另圖1熱管的工作過程端接觸到較低溫處,當(dāng)汽體到達(dá)較冷的另一端時(shí)便開始冷凝,此時(shí)熱量就由汽體穿過毛細(xì)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之為冷凝部分( Condenser)。在冷凝部分內(nèi)原先由蒸發(fā)部分蒸發(fā)的汽體又凝結(jié)成了液體,這些冷凝后的液體因毛細(xì)現(xiàn)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(xiàng)目:茂名學(xué)院科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):203237)作者簡介:莫才頌(1973-),男,廣東茂名人,碩士,講師32茂名學(xué)院學(xué)報(bào)2006年內(nèi)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(dǎo)由管壁外緣經(jīng)過毛細(xì)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(dǎo)熱量可以達(dá)到金屬棒的千倍以上。換句話說,當(dāng)同樣的熱量通過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,熱管常被稱為“近等溫導(dǎo)熱”裝置。統(tǒng)而言之,熱管在結(jié)構(gòu)及原理上最突出的一點(diǎn)是毛細(xì)物體及毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用。由于毛細(xì)現(xiàn)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(dú)立而沒有活動(dòng)零件的導(dǎo)熱裝置。2熱管傳熱性能分析從熱管的工作過程中可以看到熱管實(shí)現(xiàn)了一種特殊的傳熱過程。下面建立單根熱管其熱傳遞過程中各環(huán)節(jié)熱阻的數(shù)學(xué)計(jì)算模型,以研究熱管的傳熱性能。2.1熱管熱阻數(shù)學(xué)計(jì)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)段長度,mm;h,為蒸發(fā)段外表面總表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W(cm2·K)(2)從蒸發(fā)段外壁到內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻為2xal. d式中:λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù);d,為熱管內(nèi)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?zhèn)鳠嵯禂?shù),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(dǎo)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(yīng)的溫差也很小,近似地認(rèn)為(5)熱管冷凝段換熱熱阻為d, l, h式中:l2為冷凝段長度;h為冷凝段內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(cm2…K)。(6)熱管冷凝段內(nèi)表面到外表面的導(dǎo)熱熱阻為2xaL, d(7)熱管各環(huán)節(jié)的總熱阻R。通過上面分析得R=R+ R2+R,+R,+Rs+ r622熱管傳熱量Q的計(jì)算傳熱過程的熱流量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(dǎo)熱量中國煤化工CNMHGq=4.17式中:8為導(dǎo)熱壁厚;λ為導(dǎo)熱系數(shù)。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(dǎo)熱總面積。從上述給出的計(jì)算模型可知:處于穩(wěn)定運(yùn)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。3熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)3.1熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮如下幾個(gè)因素2:(1)熱管管內(nèi)工作液體的選擇;(2)熱管管內(nèi)吸液芯結(jié)構(gòu)形式;(3)熱管的工作溫度,亦即工作情況下熱管內(nèi)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(yīng)根據(jù)耗散功率所需的最小面積,結(jié)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(shè)計(jì)等幾個(gè)方面考慮。蒸發(fā)段的高度、內(nèi)外徑是根據(jù)主要發(fā)熱器件的結(jié)構(gòu)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(jù)冷凝端熱交換的設(shè)計(jì)計(jì)算確定。3.2散熱設(shè)計(jì)根據(jù)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(jié)構(gòu)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(jì)算G式中:G,為格拉曉夫數(shù);g為重力加速度;l為特征尺寸;B為空氣膨脹系數(shù);△t為溫差;r為動(dòng)粘度(y空0.59(GP,)式中:№為努塞爾數(shù);P,為普朗特?cái)?shù)(空氣取0.7)。式中:h為對流放熱系數(shù);λ。為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。肋片效率為tanh ( mH)式中:λ為銅的導(dǎo)熱系數(shù);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(shù)(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(jù)計(jì)算結(jié)果,可確定散熱器長度和散熱片片數(shù)。茂名學(xué)院學(xué)報(bào)2006年4熱管用于電機(jī)的散熱分析熱管用于電機(jī)散熱可以分為兩種形式:一種是將普通熱管裝在電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的發(fā)熱部位把熱量導(dǎo)到電機(jī)兩端容易散熱的部位,從而降低電機(jī)的溫升;另一種是旋轉(zhuǎn)熱管電機(jī),這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為空心軸,空心軸本身做成旋轉(zhuǎn)熱管,電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱量通過旋轉(zhuǎn)熱管帶到電機(jī)的另一端散掉用普通熱管冷卻電機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí),熱管的加熱段安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的發(fā)熱部位,熱管延伸到電機(jī)端部,熱管冷卻段上有翅片,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生的內(nèi)熱能有效地傳到周圍空氣中去。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心,使轉(zhuǎn)子熱管中的工質(zhì)被壓向管的外側(cè),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(dāng)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(cè),使冷凝段的液面升高。同時(shí),離心力的作用使得沿管長的液面差變小,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)過線圈的浸漆層傳到熱管的加熱段,然后再通過熱管沿軸向傳到定子的外部,經(jīng)過翅片將熱量散到空氣中去。用旋轉(zhuǎn)熱管冷卻電機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的軸做成空心軸,空心的內(nèi)徑是變化的,端部密封并抽成真空,充進(jìn)少量工質(zhì)就構(gòu)成旋轉(zhuǎn)熱管。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),工質(zhì)液體在空心軸內(nèi)形成一定厚度的液膜,轉(zhuǎn)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,使廢熱通過散熱翅片傳到冷卻空氣氣流中,冷卻空氣再流過定子,將定子的損耗熱帶走5結(jié)論熱管是一種新型髙效傳熱元件,自從它問世以來,就以獨(dú)特的傳熱與散熱性能、優(yōu)良的節(jié)能效果被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。目前,熱管技術(shù)的研究和應(yīng)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(dá)到相當(dāng)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(yīng)用研究才僅僅開始。目前,正當(dāng)我國節(jié)能工作轉(zhuǎn)移到以技術(shù)節(jié)能為主的軌道上來的時(shí)候,熱管技術(shù)在電力這個(gè)廣闊領(lǐng)域中的應(yīng)用開發(fā),必將結(jié)出更多的節(jié)能碩果。[參考文獻(xiàn)][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(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000[3]李亭寒,熱管設(shè)計(jì)與應(yīng)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