熱管最初是由美國國家航空航天局(NASA)開發的,它是有效的換熱器,用于冷卻太空中的小型電子設備,而如今,它們不僅可以用于手機到CPU的電子設備的冷卻,也可以用于能源?工業等領域的廢熱回收?熱管由密封管組成,管中裝有一定量的飽和工作流體?當熱管的一端有熱量輸入將導致熱管內的工作流體沸騰,發生相變,在密度差的作用下以蒸汽形式朝熱管的較冷端運動,在該處冷凝并釋放出在蒸發器部分吸收的潛熱,從而完成熱循環?由于熱管在其整個長度上基本溫度恒定并且具有很高的有效導熱率,因此熱管被稱為超導體,它的有效電導率很容易比固態金屬的純導電率高幾個數量級?電子應用中使用的小型熱管配備有多孔芯結構,只要管的兩側之間存在溫度差異,它們就可以在任何方向上工作?但是,有的熱管不需要燈芯也可正常工作?只要蒸發器段位于冷凝器段的下方,冷凝物工作流體就會通過重力被推回到蒸發器中?因此,這種無芯熱管也稱為重力熱管或兩相閉式熱虹吸管?當用作廢熱回收設備時,配備有熱虹吸管的熱交換器(TSHE)具有許多優點,例如,無需向系統輸入額外的功率,降低了交叉污染的風險并且沒有活動部件,易于清潔等?
由于現代計算機計算能力的提高,通過CFD對熱管進行仿真是一個相對新穎的研究領域,CFD使得可以模擬熱管內的相變過程以及熱管的工作過程,為熱管的理論研究與實驗研究的發展提供了便利條件?Alizadehdakhel等,和Fadhl等都使用CFD版本Fluent中的自定義體積分數(VOF)代碼成功地對熱虹吸管進行了建模,描述了二維研究,并證明了該軟件能夠模擬單個熱管在蒸發和冷凝過程中的相變過程,現在,相同的方法已成功應用于3D模型中,以模擬熱管中的間歇沸騰?間歇沸騰通常發生在低熱量輸入下,這是因為初始時期會在液體主體下方形成大量的汽化氣泡?當氣泡和液體主體之間的壓力差變得太大時,液體會噴射到熱虹吸管的頂部?
Hughes等人進行了三維數值研究,模擬了水平定向熱管內的多相流動?用于穩態條件?在這項研究中,使用了具有傳熱和傳質耦合的多相流?為了預測熱管的性能,通過實驗研究確定了熱交換器的效率?在相同操作條件下,CFD模型的結果與實驗結果之間發現了很好的相關性?
Selma等使用OpenFOAM(一種開放式CFD版本)設計了配備熱管的熱交換器的工作模型,以提高現有模型的能效?創建了圍繞管道的外部流的三維模擬,并將管道的外壁用作從工業實踐中收集到的恒定溫度邊界條件?
Peng等進行了CFD研究,研究了鰭片形狀對電子冷卻中使用的鰭片式熱管的空氣側傳熱性能的影響?模擬僅集中在空氣側,并且CFD模型的結果與實驗結果的誤差在15%以內?
Han和Zou提出了熱管換熱器的數學模型?他們的設備用于空氣到空氣的熱傳遞,該模型利用“有效度-傳遞單位數”(ε-NTU)方法計算冷熱地區的溫度場?
Ramos等應用數值研究了基于橫流熱管的熱交換器?他們研究了水與空氣之間的傳熱,其中流動不被認為是兩相的,熱管被認為是固體,具有相當大的導熱系數?該系數的值是從實驗中獲得的?他們的數值解的結果與實驗結果相差大約10%?此外,Abdollah等應用數值研究了熱管換熱器對空冷冷凝器的影響,結果表明,通過用熱管對空氣進行預冷,壓縮機的能耗降低了31%?他們認為熱管的外表面由于傳熱系數高而具有恒定的溫度?
CFD還可以通過計算允許最短響應時間和最低熱阻的數量來計算熱虹吸管的最佳填充率?Imura等認為最恰當的充液量是使管內汽液混合物的高度等于或略大于加熱段的高度,這樣可使熱管有最好的工作狀態,他們對此進行實驗研究,得到的結果是,最佳充液率為v=20%-33%,其中V為液體的容積與蒸發段容積之比?Harada等提出V=0.25-0.30為合適?Feldman得到的最佳充液量為熱虹吸管總容積的18%-20%?根據Shabgard等建議將額外充入5–10%的流體進入管道中,以防止熱虹吸管壁上的液膜破裂?
CFD還被用來模擬在風塔內安裝熱管的可行性?在Calautita等人的研究中,熱管被改造為具有恒定的表面溫度,考慮到管內工作流體的溫度差異不大,這是一個合理的假設?結果表明,在該應用中并入熱管能夠改善進氣溫度的降低?
Song等提出了一種使用CFD模擬熱管熱交換器進行除濕過程的方法,模擬熱管的工作過程,該方法可進一步用于熱管翅片疊層的優化設計?研究表明,CFD建模能夠通過熱管熱交換器預測除濕溶液的熱性能?他們提供了一種熱模型,以模擬用于在家用電器的干燥循環中回收廢熱的熱管系統的性能?在該模型中,沒有模擬兩相流動和傳熱的細節,但是可以預測冷凝和蒸發的整體性能?
熱管的模擬研究還有很大的發展空間,國內外對于熱管的模擬研究還存在一定的局限性,熱管模擬技術上的進步對熱管結構優化設計對提高熱管換熱器的熱性能有至關重要的作用?對熱管的模擬研究要堅持不斷的理念,開拓思維,將熱管的3D模擬精確度逐步提升?
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