论文总字数：32823字

摘 要

随着建筑能耗和供暖舒适性得到重视，低温供暖成为供暖行业未来发展的趋势。面对传统采暖散热器在低温工况下“大流量，小温差”的问题，设计出新型室内低温供暖装置具是供暖研究的热点之一。本论文设计出一款新型热管采暖散热器，并通过ANSYS CFD平台进行供水温度60~45℃下的数值模拟，并对其工作性能进行了评价。

首先，结合热管在地板辐射应用中的理论研究成果，设计出一款新型的热管采暖散热器。该款散热器以重力热管和散热片为主要工作部件，热水通过插有热管蒸发段的腔体和热管换热，驱动热管工作。

分析了该款散热器的热力学过程。通过等效导热性和各向异性模型，合理简化热管传热模型，并结合前人的串联重力热管的实验结果，得到该款散热器的数值模拟所需的基本参数。

之后，通过ANSYS CFX模块，完成该款散热器在不同的低温供水工况下的数值模拟。在满足供暖设计规范室内18℃情况下，该款采暖散热器壁面温度分布均匀，单位面积散热功率大于其他三款热水采暖散热器（铸铁圆柱132型、钢制平板型和铜铝复型）。

最后，利用该款散热器的仿真结果，在Fluent®软件上搭建了某房间内安装有该款散热器的仿真模型。在简化围护结构和室内热源的情况下，该款散热器满足热舒适度基本要求：空气流速低于0.2m/s、0.15m~1.15m高度的温差小于3℃和室内平均温度21.8℃。

通过设计一款新型的热管采暖散热器，并进行低温工况下的数值模拟实验，得到了将热管应用于低温采暖散热器具备可能性的结论。

关键词：低温供暖 热管 采暖散热器 仿真

ABSTRACT

With the emphasis on building energy consumption and heating comfort, low-temperature heating has become the trend of the heating industry in the future. Designing a new type of indoor cryogenic heating device is one of the hottest topics in heating research.

Firstly, combined with the mature theoretical research results of heat pipe in floor radiation applications, a new type of heat pipe heating radiator is designed. Through the equivalent thermal conductivity and anisotropic model, the heat pipe heat transfer model is simplified.

A CFD modelling is done in ANSYS CFX with the heat pipe radiator .The temperature distribution across the radiator was measured. Finally, using the simulation results of the radiator, a certain simulation model is installed on the software to install the radiator. The result of the radiator is simplified under the simplified operating conditions.

By designing a new type of heat pipe heating radiator and carrying out numerical simulation under low temperature conditions, the feasibility of using heat pipes for low temperature heating is analyzed in this paper. In the heating design specification indoor 18 °C case, the heating radiator wall surface temperature distribution, heat dissipation per unit area is greater than the other three models of hot water heating radiator. In home heating systems that use low-grade heat sources and decentralized heating, heat pipe technology can achieve energy-saving, comfortable and safe heating requirements.

KEY WORDS: Low-temperature heating，Heating radiator，Heat pipe，CFD

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 低温供暖 1

1.2.2 热管技术 2

1.2.3 热管应用于供暖技术 2

1.3 研究内容、方法和框架结构 3

第二章 重力热管的设计和分析 4

2.1 重力热管的工作原理和特性 4

2.2 重力热管的设计 4

2.2.1 工质和壳体材料 4

2.2.2 重力热管尺寸和充液率 5

2.3 热管模型简化 6

2.3.1 等效导热系数 6

2.3.2 各向异性模型 7

2.4 本章小结 8

第三章 新型热管采暖散热器设计和传热分析 9

3.1 装置设计概况 9

3.2 热力学过程分析 11

3.2.1 热水与热管壁的对流换热 11

3.2.2 热管蒸发段传热 12

3.2.3 热管冷凝段传热 12

3.2.4 热管壳体与散热片的导热 12

3.2.5 散热片和热管壁面的对流换热、辐射传热 13

3.3 串联热管运行工况的传热分析 13

3.4 本章小结 14

第四章 热管采暖散热器的数值模拟 15

4.1 ANSYS CFD软件介绍 15

4.1.1 ANSYS CFD软件流程介绍 15

4.2 热管采暖散热器的数值模拟 16

4.2.1 DesignModel建立模型 16

4.2.2 Meshing划分网格 17

4.2.3 CFX解算求解 17

4.2.4 Results后处理 20

4.3 数值模拟结果分析 23

4.3.1 热管简化模型 23

4.3.2 采暖散热器性能 23

4.4 本章小结 24

第五章 热管采暖散热器的房间环境仿真 25

5.1 房间物理模型 25

5.2 三维建模和网格划分 25

5.3 CFD模型和边界条件的设定 26

5.3.1 求解器的设定 26

5.3.2 材料和边界条件的设定 27

5.4 求解算法和控制 28

5.5 结果后处理 28

5.6 数值模拟结果分析 30

5.7 本章小结 30

第六章 总结与展望 31

6.1 全文工作总结 31

6.2 研究展望 31

致谢 32

绪论

研究背景和意义

低温热水供暖因为具备舒适、节能的特点，已成为未来热水供暖的发展趋势。供暖技术发达的欧洲国家已实现大范围的低温供暖。较高的供水温度，不仅造成能源上的高消耗，也因为室内空气温差明显造成“燥热感”、散热器周围出现“烤糊”等原因使得舒适度降低。我国也将之前的供热设计规范的供水温度“95℃”更改为“75℃”^[1]。但在低温采暖技术上，仍有较大的发展空间。特别是考虑到热泵技术的发展，合理利用低品位热能成为降低建筑能耗的必然要求。而对于南方非集中供暖地区，冬季供暖的需求增长明显，研发多种类的家庭式低温采暖系统成为一个潜在的行业热点。

如果在传统热水采暖散热器的基础上，直接进行低温热水供暖，就会因为“低水温，小温差”而面临“大流量”的问题。这对传统采暖散热器的换热面积和承压能力提出了更高要求，也增加了设备投资。同时，对于非集中供热地区的采暖供热系统，能够在低温热源下高效运行的末端装置具有广阔市场前景。在这样的背景下，研发一系列的供水温度位于30~60℃之间的低温水供暖末端装置具有重要意义^[2]。

热管是一种利用管内工质的汽化吸热，凝结放热进行热传输的高效导热元件。作为最高效的导热元件之一，在工程领域具有广泛的研究和应用。已成为航空航天、化工、电子电工等领域的重要研究方向。尤其是近些年来，在太阳能等能源应用领域也有较多的理论研究和工程实践。热管技术和低温供暖相结合，能够较好地发挥热管超高导热、响应快和等温性能好等一系列特点。

ANSYS CFD软件平台作为有限元分析和计算流体力学仿真中最具影响力的理论研究解决方案，在国内外的工程设计和教学研究中得到越来越多的重视。通过ANSYS Workbench中的Fluent®和CFX模块对设计方案进行数值模拟，能够在短时间、低成本的条件下获得实验结果。对热管采暖散热器的初步设计和性能评价，具有积极的帮助。

综上所述，在我国建筑能耗压力增大、居民对室内供暖方案要求提高的社会背景下，积极探索低温供暖和新型末端装置具有较大的研究价值。而利用Fluent®和CFX等软件对热管采暖散热器设计方案进行更深入的研究，具有重要的指导作用。

研究现状

低温供暖

低温热水供暖指热水温度是在30~60℃范围内，一般使用低温热水的温差显热供热^[2]。国内针对低温供暖的研究主要集中在两个方面，一方面是针对已有集中供热管网和采暖散热器，探讨在低温背景下系统运行性能和改造技术。另一方面是针对新型低温热水供暖末端装置的研发，通过辐射供暖地板为代表的新型供暖装置来实现低温供暖。

低温供暖中应用的末端设备主要有地板辐射系统、毛细管供热系统、毛细管重力空调柜、对流散热器管等^[2]。对于低温供暖末端装置的性能评价, 目前还没有标准^[3]。低温供暖末端装置种类繁多,换热形式各异, 因此, 正确地评价低温供暖末端装置性能还有着很多问题。

热管技术

热管被公认为最有效的被动式传热技术之一^[4]。热管具有非常高的导热性，能够传输相比普通传热结构很高的热量，同时沿着其加热和冷却部分保持几乎均匀的温度。作为被动热传递装置，热管通过相变过程和蒸气扩散在相对较长的距离内传输大量的热量，没有运动部件。

国内外研究热管主要有工程应用、理论模型和数值模拟。

热管广泛应用于航天、化工、冶金、电子电工等行业。相比传统的简单应用于传热部件中，热管在电动汽车、电子元器件和太阳能利用技术等方面的研究更具有创新性。还有一些针对热管本身结构改良的研究，如内螺纹^[5]、分液式结构^[6]、纳米流体工质^[7]等。

在理论模型方面，主要研究热管内部的传热传质机理。数值模拟主要以可视化技术^[8]和CFD商用软件开发为主。特别是后者，已经能够在数值仿真平台较好地还原热管内部复杂的两相流变化，促进了热管的工程设计发展。

图1.2热管在HVAC领域的应用^[9]

热管应用于供暖技术

相比热管的其他工程应用，热管和供暖相结合的研究起步晚并且范围小，至今仍然没有形成成熟的理论体系和工程案例。热管技术和建筑节能的结合，更多关注基于热管换热器在各种建筑热源设备中利用^[10]。

基于热管的供暖末端装置的研究最早见于1975年，苏联的工程师尝试将热管应用于供暖系统。1988年王岳人等开展小型热管式供暖系统初步实验研究^[11]。1997年F.F.Jebaril针对热管采暖散热器的性能进行了研究，对水、乙醇和甲醛等工质进行了比较，并得出该散热器通常60％的热量通过自然对流传递，其余40％通过辐射传递^[12]。

1998年，哈尔滨工业大学的王怀彬等人通过对比热管供暖系统和传统的热水供暖系统，得出了热管供热系统的热效率更高，特别是金属耗量更低的结论。2004年，湖南大学的罗清海等人对热管散热器与普通散热器进行了散热能力及表面温度均匀性方面的比较^[13]。

其他的研究集中于热管技术和地板辐射的结合。2003年，Jong Soo Kim等人将震荡热管和低温地板辐射供暖系统相结合，并与塑料热管进行供热性能的比较，得出了热管系统的性能参数要优于塑料管的结论^[14]。2006年到2010年期间，天津大学的张于峰，谢慧等人将热管应用于地板辐射供暖系统进行一系列的理论研究^[15]，特别是对串联重力热管的热学性能试验，为后人提供了较大的参考借鉴价值。2013年哈尔滨工业大学的卞爱萍等人提出了将热管应用于墙体的末端装置设计^[16]，基本原理和地板辐射类似。

研究内容、方法和框架结构

本文研究的内容是一种基于热管技术的低温采暖散热器的设计和热力学性能数值模拟。传统采暖散热器利用热水显热温差供热，在低温工况时供热功率下降明显，不能满足室内供暖需求。热管作为最高效的导热部件，将其合理利用于低温采暖末端，能够提升低品位热能的利用效率。

本文的开始，先对重力热管技术进行初步的研究分析，通过已有的方法对热管工质、壳体材料进行设计，以满足具体的应用场景需求。再结合已有热管采暖散热器和热管地板辐射供暖系统的特点，设计出一款新型的热管采暖散热器。进而分析其热力学过程，为后续在ANSYS CFD软件平台上的数值模拟提供实体域和边界条件的分析基础。

针对CFD仿真过程中热管内部较为复杂的传热传质机理，特别是在本文的热水换热工况下，受限于时间和笔者水平，难以开发相应的UDF函数语句，本文采用了工程设计中较为常用的等效导热系数和各向异性模型相结合的简化方法。通过CFX软件，在低温热源（供水温度60~45℃）中进行了4个工况的仿真，得到了该款散热器表面的温度分布、整体热功率和腔体流场分本。并在等效情况下，分析了该款散热器和传统散热器的金属热强度等指标。之后又在Fluent®软件中进行了设置有该款热管采暖散热器的某房间的热力学数值模拟，得到室内温度分布情况等，以探讨该款散热器的综合性能和可行性。

重力热管的设计和分析

作为本文研究对象的重要组成部分，热管的基本分析和设计十分重要。热管技术发展多年，已形成较为成熟的理论体系。为低温采暖散热器选择合适的热管部件，直接决定了最终设计方案的热力学性能和可行性。同时，为后续数值模拟实验解决热管部分的仿真问题，也需要系统地分析热管的热力学过程以及简化方案。

重力热管的工作原理和特性

1942年Gaugler首次提到了热管的想法，但真正让热管技术得到重视和快速发展的是1963年美国Los Alamos National Lab.的George Grover提出了专利^[17]。热管的下端被加热，导致液体蒸发，蒸气移动到热管的冷端冷凝。凝结液通过一定的作用力返回到热端。由于相变时的蒸发潜热很大，所以可以有相当多的热量得到传导^[18]。

因为回流机制和形状的不同，热管种类很多，而本文的研究对象是最简单的重力热管，也称为热虹吸管。重力热管由管壁材料和工作介质组成，最上部分是蒸发段、之后是绝热段，最下一部分是冷凝段。与其它类型的热管相比，没有吸液芯，因此结构简单。凭借着制造工艺简单的特点，重力热管广泛应用于工业传热、电子设备散热、太阳能利用以及土木工程等领域^[19]。

对于重力热管的蒸发段和冷凝段，其热质交换的原理均和其他热管相同，不同的是工质凝结液回流的作用力。重力热管凭借重力使得冷凝液回流到蒸发段，完成一次循环。

重力热管具有以下工作特性：

1. 超高导热性：热管传递热量的强度约为金属导热体的10³ ~10⁴倍；
2. 热流密度调控性：通过合理改变调节蒸发、冷凝两段的长度比例来实现；
3. 良好的等温性：热管工况稳定时，内部的蒸汽处于饱和状态，热管两端之间的压降小，整个热管中的温降也较小^[20]；
4. 恒温特性：可控热管具有恒温特性，它各部分的热阻随着加热量的变化而变化^[16]；
5. 启动瞬时性：热管的启动过程非常快，但也有启动初期热力学工况不稳定的特征；
6. 热二极管性：热流向只能是一个方向，而不允许传热沿着相反的方向。

图2-1重力热管简图

重力热管的设计

在本装置中，热管设计主要考虑：管内工作介质的确定、热管材料的选择、热管内外径和长度、充液率的确定。

工质和壳体材料

热管是通过工作介质流体的相变来实现热量的传导的,因此工质对热管性能的影响非常明显。选择合理热管工质是一个需要多角度考虑的问题，主要有以下几个:①工质应和热管的工作温度范围相适应^[21]；②工质应具一定的热稳定性且与壳体材料相容^[21];③工质应有良好的热物理性质^[21]。

重力热管应用于低温供暖时，工作温度在100~30℃，属于常温热管。可供选择的工质一般有：乙醇、Freon、丙酮、水和一些有机化合物。最常使用的工质是水，水是非常理想的工质，其品质系数、蒸发冷凝换热系数均有明显优势，且考虑到作为室内采暖装置的热管部件和制造成本，水是更为合适的工质。

当选择水为热管工质时，选择壳体材料主要考虑耐腐蚀和不产生凝结性气体。铜是最受欢迎的热管材料，其次有不锈钢和Monel铜镍合金^[22]。因为本装置热管尺寸较大，作为家用采暖末端装置需要考虑成本因素，不选择铜管。不锈钢管成本低、强度高、制造工艺成熟，故选择不锈钢。Monel铜镍合金和不锈钢作为热管材料的性能对比缺乏一定的实验数据，留待将来研究。

不锈钢作为热管壳体材料，需要做一系列的内表面物理化学处理，加入一定的缓蚀剂，可以有效降低不凝结性气体的产生。

重力热管尺寸和充液率

结合前人的设计案例和一般热管加工尺寸，本设计选择外径15mm、内径12mm，长为800mm的闭式不锈钢热管。两端为半球壳体，内外径与长管段保持一致

图2-2不锈钢简图

在后续的分析中会说明，选择这一尺寸不仅是因为适合家庭用采暖散热器的一般规格，也是因为已有串联热管热力学经验公式的限制：不能处理尺寸变化对等效导热系数影响的关系。

充液率对热管工作性能影响巨大。一般在热管设计中，需要考虑传热极限，即从声速极限、夹带极限和沸腾极限等方面去考虑。充液率偏小，热管会出现干涸现象，导致干涸极限^[6]；充液率过高时会出现沸腾极限。充液率成了干涸极限设计的一个重要指标，研究甚多^[23]。但在本设计中，热管在低温供暖末端装置的实际传热功率远低于常规热管设计需要考虑的各种传热极限，这是蒸发段受热情况所决定的。因此，不用考虑传热极限所对应的充液率。

而根据前人研究所得的推荐范围（20%）和设计案例，选择15%的充液率为设计参数，充液量为16.9g。同时，参考经验公式（2-1），也可以得到该充液量符合要求的结论。

（2-1）

表2-1 热管充液量经验公式参数

热管模型简化

在前期的文献阅读中，发现热管内部传热原理研究具有较深的理论背景，超出了笔者本科阶段的水平。通过阅读大量文献和思考，得出了利用等效导热系数和各向异性简化模型的思路。

等效导热系数

在实际的工程应用上，通常采用等效导热性数来评估热管的热力学性能。即在热管传热功率与温差不变的条件下，把一根热管工作的热力学过程等效成一根外径和长度与其相同的圆棒，假设热量从杆的底部(蒸发段)以单纯导热方式传向顶部(冷凝段)^[24]。等效之后，可将热管视为导热系数极大的金属导热体。如此的假设下，热管有着比一般常用的金属良导热体（如Cu、Ag和Al等）大三个数量级以上的导热系数。例如：将一根传热功率为200w，蒸发段与冷凝段的壁面温差为10℃，外径40 mm，长为2m的热管，等效为一样大小的圆棒时，λ_eff= 31832w·(m·k)^-1，是铜导热系数的100倍左右。即在相同的温差下，热管传导的热量是相同外尺寸金属的百倍以上。

这也是热管极高导热性能的一种常见比较说明方式。而在电子元器件散热性能仿真中，针对热管复杂的内部传热传质常见的简化手段也就是利用等效导热系数。在之前的绪论中，已对热管类型进行了介绍。本设计使用的热管是结构最简单的无毛细吸液芯的重力单管，并且垂直水平面放置。针对该类型热管，进行等效导热系数的数学模型推导。

表2-1 重力热管传热过程热阻情况