溝槽式平板鋁熱管設(shè)計(jì)與性能分析

沈玉琴，陸龍生，張仕偉，黃光漢

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，表面功能結(jié)構(gòu)先進(jìn)制造廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510641)

平板熱管是灌有二相流體的密閉容腔，依靠熱管內(nèi)部工作介質(zhì) (工質(zhì))的流動(dòng)和相變來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞［1］。軸向槽道熱管的流體通道是帶有微小液壓直徑的微槽道［2］，對(duì)于槽道形式的吸液芯，最早見于KEMME 在 1966 年［3］和 1969 年［4］的報(bào)告，他指出槽道界面張力具有使液相工作介質(zhì)回流從而實(shí)現(xiàn)吸液芯的功能。溝槽式平板鋁熱管質(zhì)量輕、厚度薄、強(qiáng)度可靠，是各種熱控制裝置的優(yōu)先選擇［5－6］。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的不斷逼近，太陽(yáng)能將不可避免地占領(lǐng)未來(lái)能源市場(chǎng)［7－8］。中國(guó)太陽(yáng)能豐富，年度總太陽(yáng)能輻射超過5 020 MJ/m2，太陽(yáng)能應(yīng)用得到普遍關(guān)注，太陽(yáng)能集熱器在全國(guó)廣泛應(yīng)用［9－10］。應(yīng)用于太陽(yáng)能集熱器的熱管可以解決溫度太低、管道腐蝕等傳統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器帶來(lái)的問題［11］。有別于微電子行業(yè)常采用的銅－水微熱管，應(yīng)用于太陽(yáng)能平板集熱器的熱管常采用純鋁制造，蒸發(fā)段占總長(zhǎng)的比例大，截面采用矩形溝槽式結(jié)構(gòu)。因此，面向太陽(yáng)能平板集熱器的溝槽式平板鋁熱管的設(shè)計(jì)有著特殊性，需要開展專門的研究。

1 溝槽式平板熱管在平板集熱器的應(yīng)用

平板集熱器是當(dāng)今世界最普遍用于家用熱水器的集熱器。第一個(gè)精確的平板太陽(yáng)能集熱器模型是由HOTTEL等在20世紀(jì)50年代研制而成［12］。平板型太陽(yáng)能集熱器主要由吸熱板、透明蓋板、保溫層和外殼等幾部分組成，其中外殼包括蓋板、框架、底板，如圖1所示。

平板型太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本適宜，同時(shí)具備承壓能力強(qiáng)、吸熱面積大等特點(diǎn)，是太陽(yáng)能與建筑結(jié)合最佳選擇的集熱器類型之一。

圖1 平板太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)

2 溝槽式平板鋁熱管的設(shè)計(jì)

熱管設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)熱管工作條件及其使用要求對(duì)工質(zhì)和管殼材料、管殼幾何尺寸和管芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 管芯或者毛細(xì)結(jié)構(gòu)

管芯設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮一下特性:

(1)管芯的毛細(xì)壓力

對(duì)于一些彎月面為柱形的毛細(xì)芯，例如軸向槽及周向槽，其最大毛細(xì)壓力按式 (1)計(jì)算，即

rc為有效毛細(xì)孔半徑，式中最小彎月面半徑Rmin與rc的關(guān)系按式 (2)。一般的絲網(wǎng)和燒結(jié)芯，其θ≈0°，即cosθ≈1，但對(duì)于槽道毛細(xì)芯，在計(jì)算其最小彎月面半徑時(shí)應(yīng)考慮θ角的影響。

對(duì)于矩形槽道毛細(xì)芯，Rmin與rc分別按式 (3)和 (4)計(jì)算:

(2)管芯熱阻

矩形槽道管芯可以看成槽道肋脊和液體的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。對(duì)于冷凝段，其有效導(dǎo)熱系數(shù)按并聯(lián)熱阻模型計(jì)算，則其有效導(dǎo)熱系數(shù)如下［13］:

然而，蒸發(fā)段則由兩條熱流通路并聯(lián)，其有效導(dǎo)熱系數(shù)為

2.2 管殼的形狀及結(jié)構(gòu)

采用平板式熱管管殼可以方便地將平板熱管貼放在集熱板上，而且平板式的管殼和集熱板是面與面結(jié)合，熱流量傳遞效率更高。

綜合工質(zhì)和管殼材料選擇原則，選擇鋁6063選作管殼材料。鋁6063是代表性的擠出用合金，擠出性能良好，通過擠壓成型可以很方便地制造出軸向槽道。工質(zhì)選用丙酮。采用矩形溝槽槽道，矩形溝槽的尺寸定為ω=0.5 mm，δ=0.7 mm。

熱管和溝槽的幾何尺寸及由上述公式得出的特性分別如表1—2所示。

表1 整體結(jié)構(gòu)尺寸和特性

表2 溝槽尺寸和特性

2.3 管殼的強(qiáng)度計(jì)算

熱管不工作時(shí)，一般處于負(fù)壓狀態(tài) (低溫?zé)峁艹?，外界壓力一般為大氣壓力，故可不考慮管殼失穩(wěn)的問題，因而管殼的設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)度考慮［14］。熱管帶模型面積可見圖2，其中p=飽和蒸汽壓力－外界大氣壓。

圖2 熱管帶模型各部分面積示意圖

設(shè)橫截面上受應(yīng)力σ'，則有:σ'S－pA=0，即:

設(shè)縱截面上受應(yīng)力 σ″，帶長(zhǎng) L，寬度 W，則σ″(L·4d)=pWL，即:

由此，得到σ'和σ″計(jì)算公式，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。取飽和蒸汽壓力0.5 MPa，則p=0.4 MPa，計(jì)算得:σ'≈0.566 MPa，σ″≈6.01 MPa，熱管帶的強(qiáng)度在6063鋁合金力學(xué)性能范圍內(nèi)，明顯安全;且伸長(zhǎng)應(yīng)力σp0.2≥110 MPa，故變形也很小。

2.4 工質(zhì)的充裝量

工質(zhì)充裝量將按管芯而定，計(jì)算時(shí)原則上應(yīng)考慮:工作蒸汽溫度下管芯內(nèi)液體工質(zhì)及蒸汽空間內(nèi)飽和蒸汽，計(jì)算如式 (9):

式中:m為工質(zhì)總的質(zhì)量，Vw為芯內(nèi)的實(shí)際空間容積，Vv為熱管蒸汽空間容積，ρl及ρv為工作溫度下的液體工質(zhì)及飽和蒸汽之密度。

由克拉伯龍方程式可得其飽和蒸汽壓下的氣體密度ρv:

式中:M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，數(shù)值上等于物質(zhì)的分子量;ρv為氣態(tài)物質(zhì)的密度;R表示氣體常數(shù);T表示絕對(duì)溫度。熱管平均工作溫度約為80℃，ρl=720.2 kg/m3，p=214.2 kPa，M=58 g/mol，可 得ρv=4.233 4 g/m3。熱管長(zhǎng)度為 L=1.2 m，則由式(9)— (11)式得m≈19.2 g。

由于一定溫度下工質(zhì)液體的密度ρl要比此溫度下飽和蒸汽的密度ρv要大很多，所以，對(duì)于開式軸向槽道熱管，可以忽略工作溫度下飽和蒸汽的質(zhì)量，而將工質(zhì)質(zhì)量定為液體工質(zhì)的質(zhì)量。

3 溝槽式平板鋁熱管的制造

課題組成員試驗(yàn)所制熱管分為3個(gè)獨(dú)立不相通的腔，分別向3個(gè)腔進(jìn)行工質(zhì)的充裝比較困難，因此在中間增加兩個(gè)加強(qiáng)肋開通孔解決充裝均勻分布問題。清洗和烘干后將鋁管加熱到300℃，用液壓鉗將熱管一端夾斷，對(duì)熱管進(jìn)行封口。由于抽真空除氣系統(tǒng)只能通過φ4 mm的圓管進(jìn)行抽真空除氣，所以通過銅制三通管將平板鋁管和φ4 mm銅圓管進(jìn)行轉(zhuǎn)接。對(duì)于揮發(fā)性強(qiáng)的工質(zhì)如丙酮，一般采用先抽真空后充液的充裝工藝。工質(zhì)充裝后立即將抽真空一端的銅管夾斷、封口以確保真空的質(zhì)量。

4 性能測(cè)試

4.1 測(cè)試裝置

加熱系統(tǒng)主要由調(diào)壓變壓器、數(shù)顯功率表、電阻加熱棒、加熱鋁塊組成。采取自然冷卻的方式，通過K型熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，利用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和整理。整體裝置如圖3。恒溫水浴箱可以很方便地調(diào)節(jié)溫度，確保加熱段溫度均勻性，方便快捷地檢測(cè)熱管是否正常工作。

圖3 整體裝置分布圖

4.2 不凝性氣體對(duì)熱管工作的影響

自然冷卻方式下，在30°傾角時(shí)，4種熱管樣品在不同水溫下，其工作溫度分布如圖4。

不凝性氣體的產(chǎn)生會(huì)在熱管工作時(shí)，被蒸汽流吹到冷凝段聚集起來(lái)形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱性能惡化［15］。它可能由以下幾個(gè)原因產(chǎn)生:工質(zhì)分解;管殼腐蝕;管芯堵塞或者管殼泄漏。3號(hào)和4號(hào)熱管是在一個(gè)月前完成，從圖中可以看出它們的工作長(zhǎng)度要比新近完成的1號(hào)和2號(hào)熱管短約20 cm。原因是人為熱夾有許多不穩(wěn)定因素，暫時(shí)性封接在一定時(shí)間積累下會(huì)產(chǎn)生漏氣。此外，4種熱管的工作長(zhǎng)度都不理想，分析原因是真空度不夠，實(shí)驗(yàn)所用真空系統(tǒng)為機(jī)械真空泵，設(shè)計(jì)方面各種誤差導(dǎo)致真空度不足以達(dá)到熱管所需真空度(10－1Pa)［16］，導(dǎo)致熱管殘留空氣。

圖4 不同加熱溫度下熱管的工作長(zhǎng)度 (傾角為30°)

4.3 等溫性

加熱段的長(zhǎng)度為30 cm，5個(gè)K型熱電偶分布在熱管表面，分別距離蒸發(fā)段端口為100，200，500，700，900 mm。自然冷卻時(shí)，一號(hào)和二號(hào)熱管在45°傾角，不同輸入功率時(shí)，其軸向溫度分布分別如圖5和圖6所示。

圖5 1號(hào)熱管不同加熱功率下軸向溫度分布 (傾角為45°)

圖6 2號(hào)熱管不同加熱功率下軸向溫度分布 (傾角為45°)

熱管是高導(dǎo)熱性元件，理論上其軸向溫度分布應(yīng)接近于水平線，但由于測(cè)量誤差、熱電偶和熱管的接觸電阻以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差，導(dǎo)致實(shí)際圖線有所偏離。

4.4 充液率對(duì)熱管傳熱性能的影響

開式槽道熱管的理想充液量為槽道體積，但考慮到工質(zhì)充裝過程的各種損失，會(huì)適當(dāng)增加額外的工質(zhì)，由于工質(zhì)損失很難計(jì)算，所以只能在實(shí)驗(yàn)過程中估算。計(jì)算的理想充液量為19.2 mL，1號(hào)和2號(hào)熱管充液量分別為24、21 mL。在自然冷卻條件下，60°傾角時(shí)，兩熱管在輸入功率為60 W時(shí)軸向溫度分布如圖7所示。

圖7 加熱功率60 W，傾角60°時(shí)熱管軸向溫度分布

充液量對(duì)熱管的傳熱性能有很重要的影響，如果充液率低，熱管會(huì)因?yàn)闆]有足夠的工質(zhì)流入蒸發(fā)段而燒干;如果充液率過高，多余的工質(zhì)則會(huì)增加熱阻，降低傳熱性能?？紤]到不凝性氣體的影響，排除最后一個(gè)溫度數(shù)值。從圖7中可以看出:1號(hào)熱管比2號(hào)熱管具有更好的等溫性，而且溫度提高了7%左右，可見24 mL是比較合適的充液量。

4.5 角度的影響

由于研究的熱管應(yīng)用于平板式太陽(yáng)能集熱板，熱管與水平面有一定的傾角，方便接收太陽(yáng)能，所以實(shí)驗(yàn)初步探討了傾角對(duì)熱管傳熱性能的影響。自然冷卻條件下，2號(hào)熱管在輸入功率為60 W時(shí)，不同角度下其軸向溫度分布如圖8所示。

圖8 加熱功率60 W，2號(hào)熱管不同傾角下軸向溫度分布

重力可以增強(qiáng)熱管的熱傳輸能力，協(xié)助工質(zhì)回流。從圖8可看出:2號(hào)熱管在60°傾角時(shí)軸向溫度分布比較均勻，而且溫度比較高，傳熱效果最好。槽道的形狀、熱管的有效工作溫度會(huì)影響最佳傾角，不同的熱管規(guī)格具有不同的最佳傾角度數(shù)。

4.6 輸入功率的影響

通常高的輸入功率會(huì)使熱管軸向溫度升高，這是因?yàn)樵龃鬅崃髅芏葧?huì)加快蒸發(fā)過程［17］。圖 5和圖 6表示了輸入功率對(duì)熱管溫度的影響，熱管軸向溫度都隨著輸入功率的增加而提高。同時(shí)，輸入功率越高，蒸發(fā)段和冷凝段的溫度差也會(huì)越大。自然冷卻條件下，在45°傾角，1號(hào)和2號(hào)熱管的軸向溫差隨輸入功率變化見圖9。

圖9 不同加熱功率下熱管軸向溫度差(傾角為 45°)

如圖9所示:溫度變化趨勢(shì)在輸入功率為100 W時(shí)出現(xiàn)分界點(diǎn)，原因是存在不凝性氣體。當(dāng)加熱功率低于100 W時(shí)，蒸汽壓不足以推動(dòng)不凝性氣體至冷凝段端部。但是當(dāng)輸入功率大于100 W時(shí)，管芯的蒸發(fā)加強(qiáng)，導(dǎo)致蒸發(fā)段熱阻增加。這引起溫度差的上升。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并制造了溝槽式平板鋁熱管，并初步探討了影響熱管的傳熱性能的一些因素，得出以下結(jié)論:

(1)不凝性氣體會(huì)縮短熱管的工作長(zhǎng)度，降低熱管傳熱性能，它的產(chǎn)生跟真空度的高低有關(guān)，對(duì)于先抽真空后充液技術(shù)，真空度要求比較高，管殼暫時(shí)性封接經(jīng)過一定時(shí)間積累也會(huì)導(dǎo)致不凝性氣體的產(chǎn)生。

(2)熱管傳熱性能對(duì)充液率很敏感，充裝過程需要額外的充液量以填補(bǔ)工質(zhì)損失，文中熱管在充液量24 mL時(shí)等溫性比充液量21 mL時(shí)提高了約7%;

(3)溝槽式平板鋁熱管可以借助重力助推傳熱過程，其與水平面的傾角最佳度數(shù)需根據(jù)槽道形狀尺寸和熱管工作長(zhǎng)度而定，此實(shí)驗(yàn)熱管最佳傾角為60°;

(4)忽略不凝性氣體和制造工藝的影響，輸入功率增加 (未達(dá)到極限功率時(shí))，熱管的軸向溫度也會(huì)增加，蒸發(fā)段和冷凝段溫度差也相應(yīng)增加。

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