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重力辅助下采用不同工质的同心管式热管换热器回收电子元件系统余热的实验研究
P. Ramkumara,*, M. Sivasubramanianb, P. Raveendiranc, P. Rajesh Kannad
aDepartment of Mechanical Engineering, Kalasalingam Academy of Research and Education, Krishnankoil, Virudhunagar, 626126, Tamil Nadu, India
bDepartment of Automobile Engineering, Kalasalingam Academy of Research and Education, Krishnankoil, Virudhunagar, 626126, Tamil Nadu, India
cDepartment of Mechanical Engineering, Alagappa Chettiar Government College of Engineering and Technology, Alagappa University, Karaikudi, 630003, Tamil Nadu, India
dDepartment of Mechanical Engineering, Al Ghurair University, Dubai, 37374, United Arab Emirates
摘要：利用电子元件中的余热，满足工业和家庭应用的电力需求和能源利用。为了解决这一问题，我们需要了解并优化利用一种紧凑且成本有效的设备，即使用热管换热器的余热。本文介绍了同轴管式换热器热管的设计、制作、研制和实验观察。工作流体如甲醇、丙酮和热传输流体如水。通过改变入口条件下的倾斜角、质量流量和冷热流体的温度，进一步扩展了研究。摘要研究了重力效应对热管换热器在10 - 80°斜角时的影响，在60°斜角时，热管换热器的性能达到最佳。结果表明，与甲醇相比，以丙酮为工质时，传热效率提高了29.75%，传热系数提高了79.81%，传热率提高了39.53%，雷诺数提高了6.70%，热阻降低了10.52%。结果表明，丙酮与甲醇作为工质时表现出较好的工作性能。这些观察结果表明，所设计的同心管热管换热器在利用电子元件系统的废热方面是适宜的。
关键词：热管 热交换器 倾角 工作流体 效率
引言
热管用于电子零件冷却，汽车系统，太阳能收集器/存储系统，热交换器和除湿机中，以进行有效的热交换应用。随着热管作为更好的热管理方法的发展，对电子部件应用中废热回收中增强传热的需求已经得到改善。在应用中使用热交换器中的热管时，可以将热传递提高10％到40％。这导致使用带有热交换器的热管以紧凑而有效的方式设计用于废热回收应用的合适的热交换设备。热管用于电子冷却，太阳能收集器，热交换器和除湿机中，以进行有效的热交换。常规可用的热管使用丙酮，甲醇和去离子水作为工作流体，很少使用过的纳米流体。使用三排甲醇和热管对实验室和医院释放的热量进行了回收，这提高了Baghban和majideian报道的效率和有效性[1]。 Vasiliev [2]对带有热交换器的热管进行了研究。热管是有效的热交换设备，可在各种系统中用作热链接，以确保节能并保护环境。杨等。 [3]研究了带有热交换器的热管，以分析汽车中的废气。 Giovanni等。 [4]研究了热管换热器的分析，该热管换热器由54个水平长度为700 mm的水平铜管，厚度为0.115 mm的铝翅片和间距为3 mm的铝翅片组成。使用氢氟烃作为制冷剂（HFC 134a）进行了分析，并将其结果与全球变暖潜力的新型氢氟烯烃[HFO 1234 Ze（E）]进行了比较。实验得出的结论是，制冷剂HFO 1234-Ze（E）的热交换器性能相当于传统的HFC 134a制冷剂。王陆等。 [5]研究了用于航天器传热的环形热管。研究结果表明，环路热管连接在干线上，传热能力最大为500 W，热阻为0.037℃/ W。陆家政等。 [6]在绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块中试验了矩形热管。研究结果表明，与典型的热管散热器相比，气流为450m3 h -1时，IGBT模块在3500 W的温度下可降低至67.8℃。 Mahajan Govinda等。 [7]通过实验研究了用于废热回收设备曝气的振荡热管（OHP）。使用OHP进行了研究，以细化和裸露的正戊烷作为工作流体。结果表明，与裸露的OHP相比，填充率为70％的精细OHP的热回收率高出80％。 Rashidi等。 [8]研究了带PCM和热管的热泵的热能存储能力。研究报告称，如果将热管与PCM结合使用，则具有最大的传热能力。 Nandy Putra和Wayan Nata Septiadi [9]在CPU传热应用的热管上进行了实验。在这项研究中，将珊瑚芯与烧结铜粉芯进行了比较。调查结果表明，在用珊瑚芯测试热导管的情况下，与烧结芯相比，CPU仿真器板的温度降至44.25℃。肯珀斯等。 [10]进行了一项实验，以分析铜水热管中的筛网。调查显示，热阻的降低增强了性能；当灯芯的网眼层数增加时，可实现此增量。 G. Kumaresan等。 [11]研究了具有各种灯芯结构的圆柱形热管。用去离子水和CuO纳米流体进一步进行了研究。结果表明，在45°角处，纳米流体和复合灯芯表现出最大的性能。杜尔加·巴斯塔科蒂（Durga Bastakoti）等。 [12]分析了甲醇，乙醇，十六烷基三甲基氯化铵与各种浓度和填充比的去离子水相关的脉动热管的有效性。当填充比为50％时，去离子水的耐热性较差，粘度随浓度的增加而增加。 Vipul M. Patel和Hemantkumar B. Mehta [13]研究了闭环脉动热管，它们具有不同的参数，例如填充率，倾斜角度，匝数和热量输入。结果表明，在9匝，50％填充率的情况下，200 W具有最佳性能。甘志华等。 [14]实验结果表明，填充率为51％的氢闭环脉动热管具有0.3 K / W的热阻，具有最佳性能。贾宏伟等。 [15]用去离子水对SiO2 / H2O纳米流体的脉动热管进行了分析。结果表明，SiO2 / H2O纳米流体比DI水作为工作流体具有最大的热性能。张静等。 [16] 实验研究了烧结铜热管的抽速与工作流体的填充率。多孔芯在饱和度为92％时获得的结果，而抽速降低到0.1 m3 h-1。Vivek K. Patel [17]在卫星热管中研究了氨和甲醇。分析结果表明，氨气的热阻比甲醇热管小。郭等。 [18]开发了一种低温回路热管。在这项针对甲烷的研究中，最佳性能发生在不同的热负荷下，从而在各种温度梯度下均达到了传热能力。王兴宇，贾力等。 [19]用各种制冷剂对脉动热管进行了实验。结果表明，与R404A和R600a相比，R134a的热性能最高。史承明等。 [20]调查显示，可变电导率热管空气预热器的性能比带有温度传递矩阵模块的常规热管空气预热器最大。于玉龙等。 [21]研究了液态金属振荡热管在500℃下的工作，并用钠钾合金进行了分析。结果表明，在3169 W时，观察到的最小热阻为0.08°C / W。 Kalind Baraya等。 [22]实验了热管的毛细管极限和变干条件。研究表明，由于瞬态变干而产生的热能滞后对热管的脉冲功率耗散有重要影响。热管可以在比毛细管极限更高的热负荷下运行，而不会出现干燥状态。韩朝岭等。 [23]开发了一种模拟技术来分析热交换器中的温度梯度和流动环流，这为保护沿热管各个区域具有热稳定性的热管的每个部分提供了理论依据。张迪迪等。 [24]进行了实验和数值分析，以检查在热管中使用R134a的冷凝过程。该研究公开了一种用于热管和热交换器设计的理论解决方案。 boyko，shah和shah校正模型对实验给出了最小的约定。 Wenlei Lian等。 [25]用锥形冷凝器分析了旋转热管（RHP），进行了数值研究。结果表明，总体热阻随着传热速率的增加而降低。 Shabgard等。 [26]介绍了一种热系统模型，通过在太阳能热发电系统中的载热流体和相变材料之间插入几根热管来研究最大潜热能量存储单元中的热传递。调查显示，引入多个热管可提高效率，这可以通过无量纲热管的效率来量化。 Joudi和Witwit [27]通过在绝热区域设置一段来分析重力感应热管的性能。该研究表明，绝热截面中的重力影响和分段在术语A的传热区域中表现出更好的性能。传热面积（m2）C热容率（kW /℃）cp流体的比热（kJ / kg℃） D直径（m）h传热系数（W / m2°C）L长度（mm）m流体质量流量（LPH）N热管总数Q传热速率（W）T温度（°C）下标c冷流体h热流体i入口l液体最大最大最小最小o出口v蒸气希腊字母delta;T温差（°C）k导热系数（W / m K）isin;效率（％）psi;倾角（o）lambda;蒸发潜热（kJ / kg）rho;密度（kg / m3）mu;粘度（Ns / m2）sigma;液体表面张力（N / m）phi;毛孔孔隙率nu;比热比gamma;成核半径（m）P. Ramkumar等。微处理器和微系统83（2021）104033 3结果。 Azad和Geoola [28]研究了与空气热管热交换器有关的重力辅助空气。调查显示，热管上的外部热阻较高，而系统的热性能却最低。 Azad等。 [29]设计了一种重力影响的热管换热器，其中水与空气相互作用，并进行了分析测试。调查显示，总体效率在增加雷诺数的同时增加了。 Alicetin Gurses和Cannistrano [30]通过实验和分析报告了重力水热管的效率。设备的性能对重力作用和入口温度有很大影响。影响传热速率的重要特征是毛细管泵送极限最高可达45°，有效工作范围约为45°至90°的倾斜角。 Savino等。 [31]研究比较了各种热管，它们使用了芯吸或不芯吸复合材料，纯净水和水/醇二元混合物在不同的重力情况下。结果表明，二元混合物的性能要优于纯水。赛义德和阿卡什[32]对水以30°，60°和90°的不同角度对热管进行了实验研究。一个热管包含一根灯芯，而另一根无芯。调查得出的结论是，芯吸热管比无芯吸热管具有更高的传热系数。芯状热管的效率已大大提高，而热管处于垂直位置（相对于水平方向为90°）。 Rahimi等。 [33]提出了水被堵塞的两相热虹吸管的冷凝器区域和蒸发器区域的热能传递特性。结果表明，在普通管中，传热性能有所提高，而热阻也有类似的下降。 Venkatachalapathy等。 [34]用水，不同浓度的CuO / DI水对重力铜热管进行了实验。该分析结果表明，浓度为1.5 wt。％的CuO / DI水在60°倾斜角处具有最大传热系数。 Naruka等。 [35]进行了实验研究，以分析具有不同倾角和水，甲醇，丙酮的热管。研究表明，倾斜45°的丙酮热管具有最佳性能。 Piyanun等。 [36] 代表闭环脉动热管上的重力，其使用的工作流体为水，乙醇，R-123，填充比为50％。分析结果表明，水平和垂直方向的性能要优于倾斜，而60°倾斜角与其他方向的角度相比，性能最好。 C. Senthilkumar等。 [37]进行了实验并比较了用R134a涂覆和未涂覆铜的无芯吸热管。分析清楚地表明，在倾斜角为45o的铜芯无芯热管中，热阻最小，传热系数比无芯无芯热管高。富民尚等。 [38]用去离子水研究了脉动热管。分析表明，在90°倾斜角下可获得0.077 K / W的最小耐热性。 Tumuluri Kanthimathi等。 [39]使用乙二醇与水的比例为20:80的双管式换热器进行了实验。结果表明，在0.08％的体积浓度下，获得的热性能系数为1.148。 Ahmad Moradi等。 [40]研究了使用多壁碳纳米管水性纳米流体作为内部流体和去离子水作为外部流体的双管换热器。在这种情况下，多孔板影响热交换器的性能，在热交换器中布置了三个多孔板以增强性能，在此条件下获得了最大的效果。 Anas El Maakoul等。 [41]，实验了带有纵向翅片管和纵向翅片的双管换热器。研究结果表明，与传统翅片相比，纵切纵翅片的传热速率提高了31％至48％。 Surfaraz hussain S.Halkarni等。 [42]通过将均匀尺寸的球体放置在系统内部，研究了同心管式换热器。球体的影响提高了传热系数，这导致了紧凑型交换器的设计。 Sheikholeslami和D.D. Ganji [43]代表了使用多孔湍流器的双热管换热器。研究表明，湍流器在流路中的影响会引起流体流动并提高性能。 Akyuuml;rek等。 [44]在使用盘管湍流器的同心管式换热器上进行了实验。分析了不同体积浓度的Al2O3-水纳米流体的影响。结果表明，具有1.6％（体积）纳米流体的线绕管湍流器的影响显示出系统中的最佳性能。韩晓星等。 [45]对废热回收设备进行了同心管式热管换热器的实验，这显示了在以丙酮为工作流体的热源的最低温度下，优异的传热效率。结果，它在最低温度下具有更好的传热性能。在60
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