内螺纹重力热管的特性分析_舒水明

收稿日期:2002-11-25.作者简介:舒水明(1954-),男,副教授;武汉,华中科技大学能源与动力工程学院(430074).基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(2002AB004).内螺纹重力热管的特性分析舒水明　林春花华中科技大学能源与动力工程学院　桑兰芬长春理工大学理学院摘要:给出了一种实验研究用内螺纹重力热管的基本结构及参数.根据由实验获得的数据,分析了内螺纹重力热管内侧冷凝段放热系数与温差的关系,内螺纹重力热管内侧加热段放热系数与温差的关系,理论换热量与实际换热量的关系,热管换热系数与流量的关系,及热管换热系数与热流密度的关系.在流量为0.006kg /s 处,加热段换热系数是冷凝段换热系数的1.69倍.关　键　词:重力热管;内螺纹;强化传热;特性分析中图分类号:T K 172 文献标识码:A 文章编号:1671-4512(2003)06-0066-02 热管作为一种高效传热元件,在传热技术领域里的影响越来越大.在航天器的温度控制、电器和电子设备及器件的冷却、等温炉、标准黑体、太阳能利用以及工业余热回收等方面都有广泛的应用[1～7].对热管的改进也成为传热技术领域的一项重要课题.在传统热管光滑内壁面加内螺纹,可以改善它的传热及流动特性.由于螺纹槽道的作用,凝结液不再在管壁上作过久停留,而是迅速顺着螺纹脱离冷却壁面,因此整个螺纹槽管有较多的冷却壁面直接和蒸汽接触,强化换热效果较好.对于一种实验研究用内螺纹重力热管,根据它的基本结构及参数和由实验获得的数据,分析了内螺纹重力热管内侧换热系数与温差的关系,理论换热量与实际换热量的关系,热管换热系数与流量及热流密度的关系.1　内螺纹重力热管的基本结构及参数 内螺纹重力热管的基本结构如图1所示.热图1　内螺纹重力热管结构示意图管传热量Q =180W ,热管工作温度t =40℃,加热温度t h =90℃(可调),冷却温度t c =30℃(可调),热管外径d out =20mm ,热管内径d in =18mm ,热管冷凝段长度l c =700mm ,热管蒸发段长l e =300mm ,内螺纹螺距z =2.5mm ,牙型角θ=π/3.2　内侧换热系数与温差的关系热管冷凝段内侧换热系数与温差的关系如图2所示.A ,B ,C ,D ,E 和F 为定热量线,从上至下由大到小变化.根据图中曲线趋势可以看出,当传热量Q 一定时,随着温差Δt 的增大,热管内侧的换热系数αin 呈双曲线趋势下降;Δt 在0.1～0.4℃之间,αin 的下降幅度较大;Δt 越大,下降幅度越小;当Δt 大于0.4℃时,αin 的下降幅度明显减小,即当Δt 大于0.4℃时,换热系数的变化将不明显.因此,传热温差Δt 以小于0.4℃为宜.图2　热管冷凝段内侧换热系数与温差的关系由图2及实验数据还可以得出,换热系数αin第31卷第6期 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版) V ol .31　No .62003年　6月 J .Huazhong U niv .of Sci .&Tech .(Nature Science Editio n ) Jun .　2003DOI :10.13245/j .hust .2003.06.022随着换热量Q 的增大而增大,增大的幅度越来越大.这是因为αin 与Δt 之间是双曲线函数关系,这与换热基本公式Q =αin F Δt 相符,说明了实验数据的正确性.同理,热管加热段内侧换热系数与温差的关系如图3所示.图2和图3的变化趋势相同,只是图3变化幅度更大,这说明加热段内侧换热系数αin 对温差Δt 更加敏感,同样的温差变化对加热段的影响更大些.图3　热管加热段内侧换热系数与温差的关系由图2和图3可以明显地看出,加热段内侧的换热系数比冷凝段内侧的换热系数大得多,是冷凝段的2.3倍左右.这是因为加热段的换热为流体沸腾换热,换热系数较大,而冷凝段的换热为凝结换热,换热系数较小.3　热管理论换热量与实际换热量的比较 图4为理论输入热量与实际放出热量的差值曲线.由图中可以看出,理论值与实际值误差较大,有正误差,也有负误差.这不仅是因为有热损失的原因,还有其他原因,如仪器误差,热电偶引起的误差,以及进水温度波动所引起的误差等.实验中,有一个热电偶测温误差较大,校正以后还是存在一定的误差,所用变压器的输入功率和实际加热器的输入功率存在一定误差,造成两者误差较大.最大相对误差35%左右,平均相对误差17.5%.在中间较大区间内,理论值与实际值的变化趋势相近.减去环境漏热损失,平均相对误差在10%以内.4　热管换热系数与流量的关系图5为热管的冷凝段和加热段的换热系数与流量的关系曲线,在流量为0.006kg /s 处,曲线明显有一最大值,这说明热管的换热系数在此流量附近的值较大.加热段换热系数是冷凝段换热系数的1.69倍.图4　理论换热量与实际换热量比较图5　换热系数与流量蹬关系从图5中还可以看出,热管冷凝段和加热段的换热系数与流量的变化趋势相似.5　热管换热系数与热流密度的关系图6为热流密度与热管换热系数的关系曲线,换热系数随热流密度的增大而减小,并且减小的趋势越来越小.在热流密度增大到1230W /m 2以后,换热系数基本保持不变,可视为常数.这是因为当热流密度较小时,热管管壁液膜随热流密度的增大而增大,所以换热系数减小;当热流密度较大时,热管的换热状况趋于稳定,液膜厚度也稳定下来,从而使换热系数基本保持不变.图6　热流密度与换热系数的关系参考文献[1]Gemer F M ,Tien C L .热管技术的应用与发展.李晓忠译.桂林:广西师范大学出版社,1991.(下转第73页)67第6期 舒水明等:内螺纹重力热管的特性分析 对地形节点有影响,最终效果如图5所示.图5　水位较高情况下的效果图参考文献[1]吴家铸,党　岗,刘华峰等.视景仿真技术及应用.西安:西安电子科技大学出版社,2001.[2]Eckel G ,Jones K ,Domeier T .OpenG L Performer TMgetting started guide .Englewood Cliffs :P rentice -Hall ,2000.[3]Eckel G ,Jo nes K .OpenG L Performer TM prog rammersguide .Eng lewood Cliffs :Prentice -Hall ,2000.Simulation of valley visualization based on OpenG L PerformerKang Ling Dong ChunA bstract :Com pared with other traditional visual simulation tools ,OpenGL Performer has many prominent merits ,such as real -time visual simulation ,easy programming ,sho rt period of development ,flexible appli -cation ,pow erful functio n and so on .3D models m ade by other visual simulation softw are can load into the scene of OpenGL Performer expediently .A case in this paper show s that OpenGL Performer can be used w idely in v arious visual simulation fields .Key words :valley flood ;OpenGL Performer ;visual simulation Kang Ling Assoc .Prof .;College of Hydropow er &Inform ation Eng .,Huazhong Univ .of Sci .&Tech .,Wuhan 430074,China .(上接第67页)[2]邹琳江,许永贵,许诗双.分离式热管冷凝段传热的数学模拟及实验研究.工业炉,1997(1):3～7[3]伊凡诺夫斯基M N ,索罗金V P ,雅戈德金I V .热管的物理原理.潘永密,顾金初等译.北京:中国石化出版社,1991.72～96[4]Smirnov H F ,Kosoy B V ,Reg rigerating heat pipes .Applied Thermal Engineering ,2000,21:631～641[5]T homas S ,Klasing K ,Yerkes K .The effects o f trans -verse acceleration induced body forces on the capillary limit of helically -grooved heat pipes .ASM E Jour nal of Heat T ransfer ,1998,120:441～451[6]林春花,舒水明.内螺纹重力热管冷凝段的特性研究.华中科技大学学报(自然科学版),2002,30(8):68～70[7]林春花,舒水明.内螺纹重力热管冷凝段的计算机模拟.能源技术,2002,23(4):144～146Performance analysis of gravity heat pipe with inner screw threadShu Shuim ing Lin Chunhua Sang LanfenA bstract :An experiment is done on the given parameter heat pipe .According to several figures obtained from the experiment ,the analysis w as made concerning the relatio n between the inner heat ex change coeffi -cient in heated segment and the temperature difference ,the relatio n between the inner heat ex change coeffi -cient in condensation segment and the tem perature difference ,the relation between the theoretical heat ex -change capacity and real heat exchange capacity ,the relation between the heat ex change coefficient and flux and the heat stream density and et al .These figures are very important for the research of the thread g ravi -ty heat pipe w ith inner screw .The inner heat exchange coefficient in heated segment is 1.69mo re than that in condensation segment w hen flux 0.006kg /s .Key words :gravity heat pipe ;inner screw thread ;intensify heat transfer ;performance analysisShu Shuiming Assoc .Prof .;College of Energy &Pow er Eng .,Huazho ng Univ .of Sci .&Tech .,Wuhan 430074,China .73第6期 康　玲等:基于OpenGL Perfo rmer 的流域可视化仿真研究 。