变工况重力热管性能实验研究

贾雷雷 郑庆红 张瑞瑛 张梦远

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

重力热管是一种具有超高导热性能的相变传热元件，凭借其结构简单，制作成本低，传热性能好等诸多优点，已被广泛应用于工业的余热回收[1-2]、太阳能利用[3-4]、电子设备冷却[5-6]等领域。国内外学者对不同工况下重力热管的传热性能进行了一些研究。郑庆红等[7]研究了不同工质和不同充液率的重力热管的传热特性，研究结果显示：丙酮等温性最好，且在充液率为35%时，热管的传热效率达到最大。Park[8]等对两相流铜热管的传热特性进行了实验研究，以 C6F14 为工质，通过改变加热功率和充液率，对其传热性能测试，结果发现热管蒸发段的传热特性随加热功率的增大而增强，冷凝段受到充液率的影响较大，随着充液率的增大，传热性能提高。张劲草[9]等通过实验研究发现，蒸发段冷凝段长度和位置改变会对重力热管的传热性能产生一定影响，蒸发段和冷凝段长度减小都会对热管传热产生不利影响，冷凝段适当下移会减小热管热阻，提高热管换热性能。马泽昆[10]等对低温热管传热特性进行了实验研究，结果表明：蒸发段长度越大，加热功率越大，蒸发段换热系数越大。冷凝段长度越小热管阻值越小，蒸发段长度越小热管阻值越大。

本文通过搭建热管实验台，实验研究了不同工质的重力热管在自然冷却下的启动性、等温性差异，同时也分析了不同蒸发段冷凝段长度比对重力热管总热阻及蒸发段传热系数的影响。

1 实验装置

1.1 启动性、等温性测试实验装置

本实验测试装置由重力热管元件，电加热系统，冷却系统，数据测量采集系统及辅助构件组成，如图 1所示。采用的重力热管元件总长度为 1000 mm，蒸发段长度为 300 mm，绝热段长度为 300 mm，冷凝段长度为 400 mm，不锈钢材质，管内径 24 mm，壁厚2 mm，实验工质为水，甲醇，丙酮，充液率为30%。

图1 等温性、启动性测试实验装置

电加热系统由 1.2 mm 的镍铬电阻丝和 30V-10A直流稳压电源构成，电阻丝均匀缠绕在蒸发段，两端与稳压电源正负极相连，通过调节电压控制蒸发段输入功率。热管蒸发段均缠绕绝缘耐高温胶带，以保证电加热段正常运行。冷凝段采用空气自然对流冷却。数据测量采集系统由 K 型热电偶和 CENTER-309 四通道温度记录仪及计算机组成，每 2 s 读取并记录一次数据，热电偶测点布置如图2 所示。重力热管元件由铁架台、固定支架固定，在蒸发段和绝热段均包裹3 mm 陶瓷纤维保温棉，达到减少与环境散热的目的。

图2 热电偶测点布置图

1.2 传热特性测试实验装置

如图3，本装置主要为测量蒸发段与冷凝段长度比对不同工质重力热管传热性能的影响，该装置与图一区别主要在于冷却系统装置的改变。本实验测量装置冷凝段采用冷却水冷却，在冷凝段部分固定一个长80 mm，内径 50 mm 的有机玻璃水套，水套进出口管径均为 20 mm，用橡胶软管连接水套和水箱，在水箱出口处依次设置转子流量计和球阀，通过调节阀门开度大小来调节控制冷却水流量。

图3 传热特性测试实验装置

针对不同的蒸发段，冷凝段，绝热段长度，均匀布置2、1、3 个热电偶测点。热管实验工况如下表1 所示。

表1 热管实验工况

2 实验结果与分析

2.1 启动性、等温性结果分析

启动性即热管在给定加热功率下，启动所需要的时间，启动的时间越短，表明热管能更快地进入工作状态。时间越长，则表明热管启动性差，甚至启动失败。等温性即反映热管正常工作时蒸发段与冷凝段温差的大小，温差越小，热管的等温性越好。如图4 所示，热管在加热过程中，蒸发段、绝热段、冷凝段的温度会逐渐增加，且最终都会趋于一个稳定。若加热过程中，冷凝段温度始终没有上升则表明热管启动失败。实验 1是在加热功率为50 W、室内空气自然冷却状态下进行的启动性、等温性实验，热管正常启动并达到稳定后，热管管壁各测点温度随时间变化曲线如图 4 中 a、b、c所示。

图4 不同工质热管管壁各测点温度随时间的变化

通过对比图4（a）、（b）、（c）可知：无论是热管的工质是水，甲醇还是丙酮，在启动过程中，蒸发段、绝热段、冷凝段各测点温度都随时间逐渐升高，并最终趋于稳定，三种工况的热管都能够顺利启动。从图中观察得出，不锈钢-丙酮的启动时间为 564 s，所用的时间最短，不锈钢-水热管启动时间为 858 s，所用的时间最长。对比图4（a）、（b）、（c），不同热管在稳定后，等温性有较大差异，丙酮热管的等温性明显优于水和甲醇热管，水的等温性最差。这主要是由于丙酮的沸点相对水和甲醇较低，比热容相对较小，最容易蒸发，蒸汽在冷凝段所形成较大的压力和流速，增大了扰动，强化了换热，从而使蒸发段和冷凝段有更小的温差，具有更好的等温性。而水的粘度相对较大，蒸汽在冷凝段换热后的液体不容易回流到蒸发段，在管壁上形成一层液膜，增大了热阻，使其蒸发段和冷凝段有较大的温差，等温性较差。此外，水热管在达到稳定状态后，各测点温度呈现周期性变化，这是由于在恒定的加热功率下，液池内气泡周期性产生和破裂使得壁温产生周期性的震荡。

2.2 传热性能测试结果分析

2.2.1 蒸发、冷凝长度比对重力热管热阻的影响

重力热管总传热热阻计算公式为：

式中：R t为热管的总热阻，K/W；T z，w为蒸发段壁面平均温度，K；Tl，w为冷凝段壁面平均温度，K；Qin为热管实际输入功率，W。

热管总热阻的大小反映整个热管的换热状态。重力热管的总阻值变化规律如图 5 所示，以工况 1～ 工况5 为研究对象，研究加热功率分别为 50 W，100 W，150 W，200W，250 W 条件下蒸发段冷凝段长度比对热管热阻的影响。从图5 观察可以看出：随着加热功率的不断增大，各个工况下热管的总热阻都在不断减小，加热功率从50 W 增加到100 W 时，热管热阻减小的幅度最大，随着加热功率的继续增大，热阻减小的幅度减缓。这是由于随着加热功率的增大，热流密度也随之增大，液池内产生气泡的的速率增大，沸腾换热增强，从而使热管整体换热增强，热阻大幅度减小。但随着加热功率的继续增大，气泡产生的频率也会越来越大，最后会达到膜态沸腾，气膜的产生会增大热管的整体热阻，但整体热管的热阻仍呈现减小趋势，减小幅度变小。

图5 不同工质的热管总热阻随加热功率的变化

对比三种工质在不同工况下换热性能可以得出：它们在换热性能达到最佳时，蒸发段冷凝段长度比也是不相同的。不锈钢-丙酮热管在蒸发段冷凝段长度比为 1:1.67 时，热管的总热阻最小，换热性能最好；而不锈钢-甲醇热管和不锈钢-水热管分别在蒸发段冷凝段长度比为1:1.5 和1:1 时，换热达到最佳。

2.2.2 蒸发、冷凝长度比对重力热管蒸发段换热系数的影响

蒸发段的换热系数的计算公式为：

式中：hz为蒸发段的换热系数，W/(m2·K)；Qz为蒸发段外壁面向热管内蒸汽的传热量，W ；Az为蒸发段外壁面的面积，m2；Tz,w为蒸发段外壁面平均温度，K ；Tj,w为绝热段外壁面平均温度，K 。

重力热管蒸发段段换热系数变化规律如图 6 所示，以工况 1～工况 5 为研究对象，研究加热功率分别为 50 W，100 W，150 W，200 W，250 W 条件下蒸发段冷凝段长度比对蒸发段换热系数的影响。从图6 观察可以看出：随着加热功率的增大，各工况下蒸发段的换热系数都随之增大。不锈钢-丙酮热管和不锈钢-甲醇热管在加热功率从50 W 增加到100 W 时，蒸发段换热系数增大的幅度最大，而不锈钢-水热管在加热功率从100 W 增加到 150 W 时，蒸发段换热系数增大的幅度最大。这是由于丙酮和甲醇的比热容相对较小，在加热功率增加到 100 W 时，蒸发段液池内产生气泡的速度迅速加快，强化了换热，蒸发段换热系数显著提高。而水的比热容较大，在加热功率增加到100 W 时，液池内产生气泡的速度较为缓慢，蒸发段换热系数增加幅度较小，在加热功率增加到150 W 时，液池内产生气泡的速度迅速增大，蒸发段换热系数增长幅度达到最大。

图6 不同工质的热管蒸发段换热系数随加热功率的变化

对比三种工质在不同工况下蒸发段的换热状况可得出：不锈钢-丙酮热管在蒸发段冷凝段长度比为1:1.67 时，蒸发段的换热系数最大，而不锈钢-甲醇热管和不锈钢-水热管分别在蒸发段冷凝段长度比为1:1.5 和 1:1 时，蒸发段换热系数达到最佳，与热管总体换热状况表现出高度一致性。

3 结论

通过搭建启动性，等温性以及热管换热性能测试实验台，实验研究了不同工质之间启动性、等温性的差异，并通过改变冷凝段长度来研究蒸发段冷凝段长度比对热管总热阻、蒸发段换热系数的影响，可得出以下结论：

1）在加热功率为50 W 时进行启动性、等温性实验，不锈钢-丙酮热管的启动时间最短，不锈钢-水热管的启动时间最长。不锈钢-丙酮热管的等温性最好，甲醇次之，不锈钢-水热管的等温性最差。

2）随着加热功率的增加，不同工质的热管在各工况下的总热阻都随之减小，而蒸发段换热系数都随之增大，热管整体换热效果增强。不锈钢-丙酮热管在蒸发段冷凝段长度比为1:1.67 时总热阻最小，蒸发段换热系数最大，换热达到最佳，而不锈钢-甲醇热管和不锈钢-水热管分别在蒸发段冷凝段长度比为 1:1.5 和1:1 时换热达到最佳。