热管最初是由美国国家航空航天局(NASA)开发的,它是有效的换热器,用于冷却太空中的小型电子设备,而如今,它们不仅可以用于手机到CPU的电子设备的冷却,也可以用于能源?工业等领域的废热回收?热管由密封管组成,管中装有一定量的饱和工作流体?当热管的一端有热量输入将导致热管内的工作流体沸腾,发生相变,在密度差的作用下以蒸汽形式朝热管的较冷端运动,在该处冷凝并释放出在蒸发器部分吸收的潜热,从而完成热循环?由于热管在其整个长度上基本温度恒定并且具有很高的有效导热率,因此热管被称为超导体,它的有效电导率很容易比固态金属的纯导电率高几个数量级?电子应用中使用的小型热管配备有多孔芯结构,只要管的两侧之间存在温度差异,它们就可以在任何方向上工作?但是,有的热管不需要灯芯也可正常工作?只要蒸发器段位于冷凝器段的下方,冷凝物工作流体就会通过重力被推回到蒸发器中?因此,这种无芯热管也称为重力热管或两相闭式热虹吸管?当用作废热回收设备时,配备有热虹吸管的热交换器(TSHE)具有许多优点,例如,无需向系统输入额外的功率,降低了交叉污染的风险并且没有活动部件,易于清洁等?
由于现代计算机计算能力的提高,通过CFD对热管进行仿真是一个相对新颖的研究领域,CFD使得可以模拟热管内的相变过程以及热管的工作过程,为热管的理论研究与实验研究的发展提供了便利条件?Alizadehdakhel等,和Fadhl等都使用CFD版本Fluent中的自定义体积分数(VOF)代码成功地对热虹吸管进行了建模,描述了二维研究,并证明了该软件能够模拟单个热管在蒸发和冷凝过程中的相变过程,现在,相同的方法已成功应用于3D模型中,以模拟热管中的间歇沸腾?间歇沸腾通常发生在低热量输入下,这是因为初始时期会在液体主体下方形成大量的汽化气泡?当气泡和液体主体之间的压力差变得太大时,液体会喷射到热虹吸管的顶部?
Hughes等人进行了三维数值研究,模拟了水平定向热管内的多相流动?用于稳态条件?在这项研究中,使用了具有传热和传质耦合的多相流?为了预测热管的性能,通过实验研究确定了热交换器的效率?在相同操作条件下,CFD模型的结果与实验结果之间发现了很好的相关性?
Selma等使用OpenFOAM(一种开放式CFD版本)设计了配备热管的热交换器的工作模型,以提高现有模型的能效?创建了围绕管道的外部流的三维模拟,并将管道的外壁用作从工业实践中收集到的恒定温度边界条件?
Peng等进行了CFD研究,研究了鳍片形状对电子冷却中使用的鳍片式热管的空气侧传热性能的影响?模拟仅集中在空气侧,并且CFD模型的结果与实验结果的误差在15%以内?
Han和Zou提出了热管换热器的数学模型?他们的设备用于空气到空气的热传递,该模型利用“有效度-传递单位数”(ε-NTU)方法计算冷热地区的温度场?
Ramos等应用数值研究了基于横流热管的热交换器?他们研究了水与空气之间的传热,其中流动不被认为是两相的,热管被认为是固体,具有相当大的导热系数?该系数的值是从实验中获得的?他们的数值解的结果与实验结果相差大约10%?此外,Abdollah等应用数值研究了热管换热器对空冷冷凝器的影响,结果表明,通过用热管对空气进行预冷,压缩机的能耗降低了31%?他们认为热管的外表面由于传热系数高而具有恒定的温度?
CFD还可以通过计算允许最短响应时间和最低热阻的数量来计算热虹吸管的最佳填充率?Imura等认为最恰当的充液量是使管内汽液混合物的高度等于或略大于加热段的高度,这样可使热管有最好的工作状态,他们对此进行实验研究,得到的结果是,最佳充液率为v=20%-33%,其中V为液体的容积与蒸发段容积之比?Harada等提出V=0.25-0.30为合适?Feldman得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18%-20%?根据Shabgard等建议将额外充入5–10%的流体进入管道中,以防止热虹吸管壁上的液膜破裂?
CFD还被用来模拟在风塔内安装热管的可行性?在Calautita等人的研究中,热管被改造为具有恒定的表面温度,考虑到管内工作流体的温度差异不大,这是一个合理的假设?结果表明,在该应用中并入热管能够改善进气温度的降低?
Song等提出了一种使用CFD模拟热管热交换器进行除湿过程的方法,模拟热管的工作过程,该方法可进一步用于热管翅片叠层的优化设计?研究表明,CFD建模能够通过热管热交换器预测除湿溶液的热性能?他们提供了一种热模型,以模拟用于在家用电器的干燥循环中回收废热的热管系统的性能?在该模型中,没有模拟两相流动和传热的细节,但是可以预测冷凝和蒸发的整体性能?
热管的模拟研究还有很大的发展空间,国内外对于热管的模拟研究还存在一定的局限性,热管模拟技术上的进步对热管结构优化设计对提高热管换热器的热性能有至关重要的作用?对热管的模拟研究要坚持不断的理念,开拓思维,将热管的3D模拟精确度逐步提升?
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