热虹吸管的传热计算

热对称管和热管通过使用中空管内的两相流体,在特定的距离上传输大量的热量。

更广泛使用的热管使用吸芯结构将液体输送回热端,而热虹吸管是一个简单的空心管,使用重力。

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由于缺乏吸芯结构,使得热虹吸管比传统的热管便宜得多。

然而,由于重力在热虹吸管的运行中起着不可分割的作用,它只有当蒸发器在冷凝器以下时才有效。

在本文中,我们将只关注非环状单管,称为热虹吸管,以水作为工作流体。

热虹吸工艺

热量被施加到被称为蒸发器部分的底部,在那里,壁面和流体之间的温差导致池沸腾。

来自水池的蒸汽由于浮力而上升,并穿过中间,被称为绝热部分。在管道的另一端,冷凝器,管道的温度保持在比蒸汽饱和温度更低的温度,这导致蒸汽在墙壁上凝结。

密度和重量的增加会导致冷凝液下降到蒸发器部分,以完成循环。

极限/设计点

根据预期的热负荷和蒸发器和冷凝器的温度,我们可以计算出剩余的变量,可用于热虹吸管的设计。需要做出的设计决策是:

1)几何形状:直径和壁厚。总长度可能受到应用领域

2)填充液体的体积

3)压力(与流体的饱和/沸点温度有关)

4)蒸发器和冷凝器的插入长度

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以上所示的设计点通过热虹吸管运行的下列限制相互连接:

1)洪水极限:液体和蒸汽交叉之间的剪切可以增加到液体不下降的点。传统热管中类似的极限被称为毛细管极限。

通过将管径增加到蒸汽流速较低的程度,可以最好地避免洪水极限。这个限制通常比在热管中可以经历的声音限制要大得多。

2)沸腾极限(干燥):如果液体沸腾比蒸汽凝结速度快,整个热虹吸管将充满蒸汽

洪水极限

如上所述,如果蒸汽的速度过高,防止冷凝液体下降,就会发生淹水极限。如Faghri等人[2]所示,公式1-3所示的相关性,找到了给定条件下的最大允许传热。如果已知流体特性,则此相关性提供给定功率所需的最小管直径。

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沸腾极限

蒸发器部分

图3显示了标准池的沸腾曲线。研究人员发现,保持在临界热流的左边,即区域II所示的核沸腾,保持稳定的池沸腾。

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对于大气压下的水,临界热通量在950-1300kW/m2的范围内。

为了计算比临界热通量,请使用太阳和莱因哈德[9]的相关性,如公式4所示。然后可以找到最小蒸发器段长度,使产生的热流小于公式5所示的临界热通量。

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冷凝器部分

 冷壁上最常见的冷凝类型会导致“膜冷凝”,为此可以使用努塞特冷凝相关,如公式6所示,来找到热传递系数作为冷凝器长度的函数。

结合公式7所示的蒸发器部分的第一定律分析,可以确定正确的冷凝器长度。请注意,蒸发器和冷凝器部分的传热量Q相同。

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其中Tc,i为冷凝器段管内温度,可由式8所示的圆柱导电方程计算。

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填充体积

热虹吸管中不正确的初始填充量同样会导致干燥或洪水限制,即使其余的变量被正确地设置了。

对于垂直方向的热虹吸管,填充体积应为蒸发器的20-80%体积,对于该范围内是否存在最佳填充量,有不同的观点;建议使用50%的填充量。  

热虹吸方向

热虹吸管利用重力将冷凝液体输送回蒸发器部分。

出于这个原因,人们可以凭直觉认为,完全垂直的方向将是最优的性能,而完全水平的方向,如果在所有的功能上,将是最小的。

然而,一些研究发现,最优方向存在于两个角度的中间。结果因最优值存在的范围而有所不同。例如,Emami等人发现,距离水平方向60◦的性能比垂直设置好5-10%,而他们的前辈Terdtoon等人发现最佳性能在70-80度之间。

由于管道方向可能是较大的设计标准和应用几何形状的函数,因此性能上较小的差异可能没有那么有用。

例如,为了使性能提高5%,将热虹吸管的直径增加2.5%可能比将角度增加10-40◦更容易。

结论

热虹吸管是一种简单的装置,可以用来传递大量的热量,而无需移动的部件。

该装置的局限性类似于传统的具有吸芯结构的热管。

使用本节中所示的相关性和方程式,我们可以对用于特定应用的正确的热虹吸管有一个基本的理解。

术语

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