新型水平環(huán)路熱虹吸管啟動性能

朱　震，王銀峰，熊國輝，范紅途，朱躍釗

（1南京工業(yè)大學能源科學與工程學院，江蘇 南京 211816；2南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

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新型水平環(huán)路熱虹吸管啟動性能

朱震1，王銀峰2，熊國輝2，范紅途1，朱躍釗2

（1南京工業(yè)大學能源科學與工程學院，江蘇 南京 211816；2南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

熱管作為熱超導元件已開始應用于中高溫槽式太陽能熱利用系統(tǒng)，但太陽輻射頻繁變化的特點使得熱管啟動性能對熱管集熱性能影響很大。本文研制一套水平環(huán)路熱管（HLTS），以導熱姆為工質(zhì)，搭建了熱管啟動性能測試平臺，考察充液量、熱通量及環(huán)境溫度對啟動性能影響。結(jié)果表明，工質(zhì)流動方向為單向流，充液量對HLTS運行的影響較大，最佳充液量3.325 kg，當水平蒸發(fā)段工質(zhì)充滿度為100%時，蒸發(fā)段傳熱流型發(fā)生改變，管內(nèi)形成脈動流；熱通量增大時啟動時間減少，啟動溫度為150℃不變；環(huán)境溫度＜9℃時，對熱管啟動有很大影響，冬季工質(zhì)凝固，HLTS啟動時間延長，影響熱管集熱。

太陽能；熱虹吸管；傳熱；啟動特性；充滿度

引　言

太陽能作為清潔可再生能源，越來越受到青睞。槽式直接產(chǎn)蒸汽系統(tǒng)DSG（direct steam generation）是太陽能中高溫利用技術［1-2］的一種，目前應用在DSG技術上的核心集熱元件主要是腔體集熱管和直通式集熱管［3］，但是腔體式集熱管加工工藝復雜且不易規(guī)?；a(chǎn)；直通式集熱管熱損大、集熱效率低，現(xiàn)有DSG系統(tǒng)中集熱器內(nèi)部工質(zhì)存在氣液分離過程復雜，在較強非均勻輻射條件下造成集熱器周向傳熱不均引起炸管等問題［4-6］。環(huán)路熱管LHP［7］（loop heat pipe）因其高效傳熱、均溫性優(yōu)良及成本低等特點［8-9］，正逐漸應用于太陽能熱利用領域［10-13］。

浙江大學張良等［14］搭建一種基于U形熱管式回路集熱管的自然循環(huán)槽式DSG系統(tǒng)并產(chǎn)生了中溫蒸汽（120～200℃，0.7～0.8 MPa），其啟動時間在1 h左右，熱管集熱效率為66.2%～79.2%。倪煜［15］將槽式聚光器與熱管技術結(jié)合，建立50 kW的自然循環(huán)太陽能蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，得到0.5～0.8 MPa的飽和蒸汽，系統(tǒng)效率為35.04%。陳歡等［16-17］結(jié)合兩相流熱虹吸管技術建立了自然循環(huán)槽式DSG系統(tǒng)，經(jīng)實驗研究，得到熱管充液率增大，冷凝水入口段蒸汽逆流和上升管流動增強等結(jié)論，但系統(tǒng)運行時內(nèi)部蒸汽流動方向不清晰，無法確定內(nèi)部流動狀態(tài)，造成分析困難。此外，Zhao等［18］研發(fā)了一種適用建筑物的新型環(huán)路熱管，通過實驗證明高度為1.7 m的蒸發(fā)熱管在72℃下啟動，得出工質(zhì)以5.1 L·min-1流動速度進入熱交換器效果最好。Franco等［19］設計并測試了3種模式下小尺寸閉式兩相熱虹吸管的熱傳遞性能，研究了熱沉、運行壓力和充液量對傳熱性能的影響。

熱管技術在槽式DSG系統(tǒng)中仍面臨諸多問題。其中關鍵問題是頻繁變化的太陽能輻射使熱管面臨頻繁啟動，而要充分發(fā)揮熱管作為核心元件的超導熱性能，良好的啟動性能非常重要。其次，中高溫太陽能集熱器多使用有機工質(zhì)熱管［20］，工作溫度在150～400℃之間，具有啟動溫度高，環(huán)境溫度低時工質(zhì)會凝固等特點，再者，針對應用在太陽能集熱元件中大尺寸環(huán)路熱管啟動性能的研究較少［21］，應用到實際工程中仍需要大量研究。

為此，研發(fā)一種新型水平環(huán)路熱虹吸管HLTS（horizontal loop thermosyphon）［22］，以滿足太陽能中高溫熱利用系統(tǒng)，尤其是槽式DSG系統(tǒng)的工程需要。主要開展不同充液量、熱通量及環(huán)境溫度下該HLTS啟動性能的研究，為HLTS在太陽能槽式DSG系統(tǒng)中的應用提供實驗依據(jù)。

1　新型水平環(huán)路熱虹吸管研制

新型水平環(huán)路熱虹吸管（HLTS）由蒸發(fā)段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降管及U形儲液管等組成，以400℃為工作溫度設計，研究HLTS的傳熱性能，其尺寸參數(shù)見表1。HLTS殼體選用S30408不銹鋼材料，蒸發(fā)段腔體內(nèi)采用金屬絲網(wǎng)作為吸液芯結(jié)構(gòu)，選取導熱姆（C12H10和C12H10O的混合物）為熱管工質(zhì)。

表1　RHLTS基本設計參數(shù)Table 1　Basic design parameters of HLTS

2　實驗部分

2.1實驗裝置

對HLTS啟動性能進行室內(nèi)實驗研究，實物如圖1所示，實驗系統(tǒng)由HLTS、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成。HLTS實驗系統(tǒng)和溫度測點熱電偶分布如圖2所示，其中，測點T06與T08測量上升管溫度，T13與T14測量冷凝段進出口溫度，T07與T09分別測量下降管斜段與垂直段溫度，T17測量U形儲液段溫度，以Te表示蒸發(fā)段管殼的平均溫度，Tl表示爐膛平均溫度，F(xiàn)r表示HLTS的充滿度大小。冷卻系統(tǒng)中，布置在汽包內(nèi)的HLTS冷凝段加有翅片，以增大傳熱面積，汽包上布置有進水出汽管法蘭、壓力傳感器和安全閥等部件。加熱系統(tǒng)采用四點控溫加熱管式爐，加熱爐分4個模塊同步對蒸發(fā)段加熱，系統(tǒng)可設定加熱功率、加熱時間和加熱方式以便根據(jù)實驗需求對蒸發(fā)段熱通量進行操控。整個系統(tǒng)保溫采用硅酸鋁和巖棉，以減少散熱損失。實驗用儀器儀表見表2。

圖1　新型水平環(huán)路熱虹吸管實物圖Fig.1　Object graph of HLTS

圖2　水平環(huán)路熱虹吸管測溫點布置Fig.2　Temperature measuring point layout of horizontal loop thermosyphon

表2　R材料規(guī)格和儀器儀表Table 2　Material specifications and instrument

2.2實驗過程

對HLTS進行充液，采用高溫排氣法生成熱管，并對排氣量進行收集，用初始充液量減去排氣量即為環(huán)路熱管充液量。設定加熱爐最終加熱溫度500℃，通過調(diào)節(jié)加熱爐輸出功率模擬太陽能輻射熱通量的變化，研究不同熱通量條件下熱管的啟動性能。

在環(huán)境溫度15℃時，3種充液量分別為2.126、3.325和6.192 kg，在不同熱通量2.476、3.619、4.952、7.619、9.523 kW·m-2條件下，測試HLTS的啟動性能。

3　實驗結(jié)果與討論

3.1溫度對充滿度的影響

與直立的熱虹吸管不同，本實驗HLTS的蒸發(fā)段為水平布置，工質(zhì)體積隨工作溫度升高而增大，造成工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)體積變化，特殊情況下蒸發(fā)段的傳熱流型也將發(fā)生改變。不能簡單地用充液量研究對HLTS傳熱的影響，為此本文引用充滿度來輔助說明，所謂充滿度是指實時蒸發(fā)段工質(zhì)占有體積與蒸發(fā)段體積的百分比。

圖3為3種不同充液量在不同熱通量下對應的充滿度曲線。

圖3　不同溫度下各充滿度變化Fig.3　Changes of fullness at different temperature

在HLTS回路中除蒸發(fā)段液池及U形儲液管外，其余部分均可認定為汽相。熱管工作溫度低于355℃時，由導熱姆的物性參數(shù)計算出環(huán)路熱管內(nèi)飽和蒸汽質(zhì)量＜130.5 g，飽和蒸汽質(zhì)量占工質(zhì)總充液量的6%，因此實驗中可忽略因?qū)崮菲瘜φ麄€蒸發(fā)段內(nèi)液態(tài)工質(zhì)體積變化的影響。當環(huán)境溫度為15℃，熱管的充液量為6.192 kg時，工質(zhì)在水平蒸發(fā)段管內(nèi)的充滿度為76%，在296℃時其充滿度將達到100%，此時蒸發(fā)段充滿液態(tài)工質(zhì)，熱管啟動性能將受到很大影響，繼續(xù)升高溫度后，工質(zhì)將溢出蒸發(fā)段，延伸至上升管段；充液量3.325 kg時，在15和355℃時對應的充滿度分別為41%和58%；充液量2.126 kg時，在15和355℃時對應的充滿度分別為26%和37%。

3.2充液量對啟動性能的影響

圖4　不同充液量下的啟動曲線Fig.4　Start-up line at different filling contents（9.523 kW·m-2， 15℃）

圖4為環(huán)境溫度15℃時，3種不同充液量在熱通量9.523 kW·m-2下HLTS啟動性能測點溫度曲線圖。HLTS在初始運行階段時，蒸發(fā)段工質(zhì)不斷吸收熱量，上升管的溫度測點T06與T08起初溫度保持不變，熱管未啟動，隨著熱量的持續(xù)輸入，工質(zhì)溫度升高，達到一定過熱度后工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)發(fā)生核態(tài)沸騰，由于存在U形管段，產(chǎn)生蒸汽進入上升管，熱管瞬間啟動。如圖4（a）所示，從上升管測點T06和T08溫度曲線判斷，熱管蒸發(fā)段上加載適當?shù)臒嵬亢螅羝鬟M入上升管，但是由于啟動初始時產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過回路壁面先用于預熱管壁，因而T07與T09溫度變化滯后于T06與T08。隨著蒸發(fā)段不斷吸熱，蒸汽量增多，蒸發(fā)段產(chǎn)生的蒸汽通過下降管到達U形段，布置于U形儲液段的溫度測點T17也隨之變化，此時蒸汽開始充滿環(huán)路，熱管啟動向穩(wěn)定趨勢發(fā)展，最終實驗各充液率下T06/ T08與T07/ T09間溫差＜3℃，熱管均溫性良好。圖4（c）為充液量6.192 kg時，熱管的啟動性能實驗各溫度測點圖，隨著蒸發(fā)段溫度升高，充滿度增大，當上升管溫度和蒸發(fā)段平均溫度分別為185和275℃，充滿度Fr為97%時，HLTS開始啟動。系統(tǒng)運行20 min時，蒸發(fā)段溫度達到296℃，F(xiàn)r為100%，蒸發(fā)段體積被全充滿。

3種不同充液量下，HLTS的啟動時間、啟動溫度和穩(wěn)定運行時刻表見表3。從表中數(shù)據(jù)可見充液量2.126 kg啟動時間最長，啟動溫度最低。充液量3.325 kg啟動時間與充液量6.192 kg啟動時間基本一致，其穩(wěn)定時間與充液量2.126 kg實驗得到時間較一致。比較NHLT的啟動性能可知最佳充液量為3.325 kg。

表3　R3種不同充液量啟動性能的比較Table 3　Performance of start-up in three different filling ratio

圖5為充液量6.192 kg時，蒸發(fā)段軸向測點溫度曲線圖和蒸發(fā)段周向測點溫度曲線圖。

由圖5（a）可見，圖中起始溫度較高是由于熱管保溫效果較好，前期實驗未能完全冷卻導致，不影響蒸發(fā)段溫度特性和啟動性能分析。蒸發(fā)段整體溫度達到296℃時，蒸發(fā)段充滿度為100%，蒸發(fā)段沒有氣相空間，氣泡長大脫離壁面引起工質(zhì)劇烈波動并形成間歇式脈動流，此流動強化了HLTS的傳熱，使環(huán)路溫差減小，有利于換熱，但也易造成熱管壁熱疲勞，圖中蒸發(fā)段管壁測點T04、T11、T12、T25、T26溫度曲線呈波浪線，可驗證此脈動現(xiàn)象。從圖4（a）、（b）溫度曲線可分析其他兩組充液量條件下熱管啟動特性，HLTS穩(wěn)態(tài)運行時，充滿度分別為38%和58%，蒸發(fā)段未發(fā)生間歇式脈動流動，同時，分析蒸發(fā)段測點溫度曲線圖可發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)段頂端溫度T26最高，T04最低，從右往左有明顯溫度梯度，由于T03與T10處于蒸發(fā)段出口和進口位置，溫度低于蒸發(fā)段內(nèi)各測點溫度。因U形段存在液封，HLTS工質(zhì)只能由蒸發(fā)段流入上升管，經(jīng)冷凝段、下降管回到蒸發(fā)段。

圖5　蒸發(fā)段溫度曲線Fig.5　Graph of temperature distribution in evaporator （15℃）

由圖5（b）可見，HLTS啟動時T04與T01的最大溫差達到75℃，蒸發(fā)段頂端溫度T04高于底端溫度T01，這是由于蒸發(fā)段管內(nèi)工質(zhì)流動單向流，蒸發(fā)段頂端為飽和蒸汽，蒸汽上行到T04處出現(xiàn)過熱。HLTS啟動后，傳熱逐漸趨向穩(wěn)定，熱管達到平衡態(tài)時，最高溫度達到358℃，兩者溫差為7℃，并保持穩(wěn)定。綜上，蒸發(fā)段頂端工質(zhì)蒸汽存在過熱，頂端溫度最高，而蒸發(fā)段周向水平方位溫度近似，可知工質(zhì)在HLTS中沸騰時水平對稱。

3.3熱通量對啟動性能的影響

HLTS的啟動過程分為3個階段：time-1，啟動醞釀期；time-2，啟動波動期；time-3，啟動穩(wěn)定期。在啟動醞釀期，管壁與工質(zhì)之間為對流傳熱，液態(tài)工質(zhì)不斷吸熱升溫，直到飽和溫度；隨著熱量持續(xù)地輸入，工質(zhì)開始發(fā)生核態(tài)沸騰，熱管開始啟動，液池內(nèi)部工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽較少，HLTS運行不穩(wěn)定，出現(xiàn)溫度波動現(xiàn)象，稱為啟動波動期；隨著熱量持續(xù)輸入，工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽進入環(huán)路，HLTS各部分溫度開始穩(wěn)定，啟動進入穩(wěn)定期。

圖6為2.476、3.619和7.619 kW·m-2熱通量下HLTS的啟動特性圖，由圖可見，熱管啟動溫度均為150℃，表明啟動溫度與熱通量無關。但是熱通量越大，啟動時間越短，3種熱通量對應的啟動時間分別為80、75和30 min，圖6（a）是低熱通量下啟動溫度曲線，系統(tǒng)運行開始75 min后，蒸汽迅速流動到冷凝段進口處，隨后HLTS下降管與U形管段溫度呈波動性上升，熱損失一定情況下，輸入功率低，熱管啟動時間減慢，HLTS啟動后至穩(wěn)定期時間為45 min，熱管運行后240 min仍然沒有達到完全穩(wěn)定狀態(tài)。當熱通量7.619 kW·m-2時，HLTS啟動時間為30 min，HLTS在120 min后就處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，穩(wěn)定運行時間遠小于在2.476與3.619 kW·m-2工況所需時間。所以本實驗選擇7.619 kW·m-2為較佳熱通量，作為后期聚光器聚光面積設計參考。

3.4環(huán)境溫度對啟動性能的影響

本文選作熱管工質(zhì)的導熱姆臨界凝固溫度為9℃，低溫環(huán)境將嚴重影響熱管啟動性能，本次實驗探討兩種不同環(huán)境溫度對熱管啟動性能的影響。圖7為環(huán)境溫度15與6℃，充液量為2.126 kg下，熱通量為4.952 kW·m-2時HLTS的啟動溫度曲線。環(huán)境溫度15℃時，由圖7（a）可見當運行50 min時，上升管溫度升高，蒸發(fā)段蒸汽繼續(xù)沿著管線進入冷凝器，冷凝器出口溫度與下降管溫度升高，HLTS往穩(wěn)定運行方向發(fā)展。當環(huán)境溫度為6℃時，由圖7（b）可見，因蒸發(fā)段導熱姆凝結(jié)，嚴重影響HLTS啟動，熱管運行時蒸發(fā)段不斷輸入熱量使管內(nèi)工質(zhì)融化直至產(chǎn)生飽和蒸汽涌入上升管，上升管溫度驟升并在冷凝段停止，溫度保持140℃不變，T13溫度發(fā)生波動，由于蒸汽無法在管內(nèi)形成回路，蒸汽在冷凝段處受阻持續(xù)65 min，HLTS無法正常啟動，隨后蒸發(fā)段熱量通過管壁傳至U形管段，溫度逐漸升高使U形段內(nèi)工質(zhì)融化，此時HLTS回路通暢，滯留在冷凝段處蒸汽冷凝液流至下降管回到蒸發(fā)段，下降管與U形段溫度驟然升高，最終達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。實驗表明HLTS冬季運行模式下，由于外界溫度低，導熱姆在管內(nèi)凝結(jié)，太陽光在冬季光照時間少，熱管啟動時間加長，嚴重影響正常運行，因此在工程設計時，需增設防凍保溫措施，減少環(huán)路熱損。

圖6　不同熱通量下的啟動曲線Fig.6　Start-up line at different heat loads （3.325 kg， 15℃）

圖7　不同環(huán)境溫度下熱管啟動性能曲線Fig.7　Start-up line at different ambient temperatures

4　結(jié)　論

通過對HLTS一系列啟動實驗與分析，得出以下結(jié)論。

（1）HLTS蒸發(fā)段管內(nèi)充滿度隨蒸發(fā)段溫度的升高而增大，當導熱姆充滿蒸發(fā)段腔體，工質(zhì)傳熱流型轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇式脈動流。HLTS運行時，上升管出口處溫度最低，其后部分溫度逐漸升高，并形成明顯梯度，因U形段存液，可判定工質(zhì)是單向流動，工質(zhì)流動方向由上升管進入冷凝段，通過下降管回到蒸發(fā)段腔內(nèi)。

（2）充液量3.325 kg為最佳充液量。充液量過多時，溫度逐漸升高，腔體內(nèi)工質(zhì)全充滿，蒸發(fā)段出現(xiàn)脈動流，整個環(huán)路管段溫差減小，易造成金屬熱疲勞，影響熱管使用壽命。

（3）充液量一定時，HLTS在低熱通量下啟動溫度發(fā)生波動，形成較長啟動波動期，HLTS達到穩(wěn)定運行時間增長；而HLTS在高熱通量下啟動時間和穩(wěn)定時間短。因此，選擇合理的熱通量是設計太陽能聚光器鏡面面積的關鍵，為滿足后續(xù)DSG產(chǎn)蒸汽需要，本文選擇7.619 kW·m-2作為合理模擬太陽能輻射熱通量。

（4）HLTS應盡量在正常環(huán)境溫度（≥9℃）下運行。低環(huán)境溫度易造成工質(zhì)蒸發(fā)段及U形管段凝結(jié)，堵塞環(huán)路，嚴重影響熱管正常啟動并對設備造成損壞，實驗時必須對HLTS進行適當防凍保溫措施。

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Start-up performance of novel horizontal loop thermosyphon

ZHU Zhen1， WANG Yinfeng2， XIONG Guohui2， FAN Hongtu1， ZHU Yuezhao2
（1College of Energy Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， Jiangsu， China；2School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， Jiangsu， China）

Thermosyphon has begun to be used in the midium-high temperature trough type solar energy heat utilization system. The characteristics of the solar radiation makes a great influence on the solar collection efficiency in the start-up performance of thermosyphon， and thus solar collecting performance changes. The novel horizontal loop thermosyphon （HLTS） with the dowtherm has been developed. The platform has been set up to test the influence of filling content， heat flux and ambient temperature to the start-up performance of the HLTS. As the result， the direction flow of steam in the evaporator of HLTS is single and the filling content has influenced the operation of heat pipe. The best filling content of injection is 3.325 kg， and the pulsating flow forms in the evaporator when the ratio is 100%. The start-up time changes short when the heat flux increases in the same filling，while the start-up temperature of HLTS does not change and keeps in the temperature of 150℃ when the filling content is 3.325 kg. The best heat flux is 7.619 kW·m-2as the NHLT used in the solar collector. Moreover， the low temperature makes the oil frozen in the evaporator at below 9℃ with extending time of the start-up of thermosyphon.

solar energy； thermosyphon； heat transfer； start-up performance； fullness

date： 2015-08-19.

Prof. FAN Hongtu， fanht@njtech.edu.cn

supported by the National Science and Technology Foundation of China （2014BAJ01B06） and the National Natural Science Foundation of China （51276086）.

10.11949/j.issn.0438-1157.20151316

TK 172.4

A

0438—1157（2016）05—1755—07

2015-08-19收到初稿，2016-01-11收到修改稿。

聯(lián)系人：范紅途。第一作者：朱震（1991—），男，碩士研究生。

國家科技支撐計劃項目（2014BAJ01B06）；國家自然科學基金項目（51276086）。