并聯(lián)分離式熱管內(nèi)傳熱特性的試驗(yàn)研究

劉姍姍，張志剛，齊 航

1 前言

熱管以其高效的導(dǎo)熱能力、良好的等溫性、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力而被人們所熟知，其導(dǎo)熱系數(shù)非常大，是金屬良導(dǎo)體（Ag，Cu，Al）的103～104倍，因此，其應(yīng)用也突破了最初的宇航范圍，擴(kuò)大到核反應(yīng)堆、電子電工、機(jī)械、化工、輕工等生產(chǎn)部門［1］。特別是在能源問(wèn)題已成為國(guó)際問(wèn)題的今天，熱管在能源開(kāi)發(fā)和節(jié)能技術(shù)中更是具有廣闊的前景［2,3］。與傳統(tǒng)熱管相比，重力熱管沒(méi)有傳統(tǒng)熱管的吸液芯結(jié)構(gòu)，依靠重力作用實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的吸熱、放熱的循環(huán)過(guò)程。重力熱管內(nèi)工作過(guò)程同時(shí)涉及兩相流動(dòng)和相變換熱，是一個(gè)復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題。其導(dǎo)熱能力會(huì)受到一定條件的限制，如尺寸、工質(zhì)、充液率、加熱密度等。為了使熱管傳熱應(yīng)用于更廣的領(lǐng)域，適用于更多的需要傳熱的范圍，本文在張志剛等進(jìn)行的熱管置入式墻體（WIHP）的研究基礎(chǔ)上對(duì)毫米級(jí)的并聯(lián)分離式熱管（即蒸發(fā)段與冷凝段分離，分別由并聯(lián)的一排尺寸較小的豎直的立管組成，二者由兩根橫向的連接管即絕熱段連接起來(lái)）進(jìn)行可視化試驗(yàn)研究，這種形式的熱管在一定范圍內(nèi)可以隨意更改水平方向上的位移，使得熱量傳輸?shù)姆较蚨鄻踊?,5］。通過(guò)試驗(yàn)揭示毫米級(jí)微管徑熱管內(nèi)部工質(zhì)的復(fù)雜流動(dòng)狀況，了解熱管內(nèi)部氣液兩相流的流動(dòng)特征和換熱機(jī)理，對(duì)熱管置入式墻體的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)而為太陽(yáng)能被動(dòng)式利用技術(shù)高效傳熱特性研究提供理論依據(jù)［6～9］。

2 試驗(yàn)裝置

本文采用可視化的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置中的可視化的熱管形式如圖1所示，管柵上部為冷凝段，下部為蒸發(fā)段，均由7根透明石英玻璃立管（管間距為30 mm，內(nèi)徑4 mm，壁厚2 mm）并聯(lián)組成，并通過(guò)2根金屬軟管（絕熱段）連接。蒸發(fā)段和冷凝段長(zhǎng)度均為210 mm，橫向管及連接管的內(nèi)徑為14 mm，壁厚2 mm，充液口設(shè)置在蒸發(fā)段頂部，由三通連接充液口和壓力表。測(cè)試時(shí)熱管傾角為90°，工質(zhì)為甲醇。

圖1 并聯(lián)分離式熱管形式及測(cè)點(diǎn)分布

試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示，試驗(yàn)系統(tǒng)由熱管加熱冷卻系統(tǒng)、試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)以及真空充注系統(tǒng)3個(gè)部分組成。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意

加熱冷卻系統(tǒng)是由具有雙視透明窗的2個(gè)恒溫箱組成，恒溫水箱采用最新設(shè)計(jì)的恒溫控制系統(tǒng)，可以通過(guò)控制面板設(shè)置控制水溫。試驗(yàn)中將蒸發(fā)段與冷凝段分別放在兩個(gè)恒溫箱內(nèi)，而絕熱段暴露在室內(nèi)，并做保溫。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)是采用K型銅－鎳鉻熱電偶進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)溫，直徑為0.3 mm，精度為0.1 ℃。試驗(yàn)共布置12個(gè)熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量（測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示），最大誤差在±0.5 ℃。

試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)由Aglient34970A高速數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，每30 s讀取記錄一次數(shù)據(jù)。真空充注系統(tǒng)是由真空泵、真空表及充液裝置組成。真空泵采用2XZ-0.25旋片式真空泵，極限真空度可達(dá)6×10-1Pa。真空表的最小刻度為0.005 MPPa，量程為-1～0 MPa。在試驗(yàn)前用真空泵將熱管抽真空，并根據(jù)需要充注工質(zhì)。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)用電子稱測(cè)定循環(huán)水量來(lái)計(jì)算冷卻段的傳熱量。

本文對(duì)同一工質(zhì)在不同的加熱功率及充液率情況下的工質(zhì)流動(dòng)及傳熱性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。

傳熱量根據(jù)冷凝端冷卻水的進(jìn)出口溫差和質(zhì)量流量來(lái)計(jì)算：

其中m=M /t

式中 c——冷卻水比熱容，J/（kg·℃）

m——質(zhì)量流量，kg/s

Ti，T0——冷卻水進(jìn)、出口溫度，℃

M——冷卻水質(zhì)量，kg

t——獲得冷卻水的時(shí)間，s

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

在試驗(yàn)研究過(guò)程中，并聯(lián)分離式熱管內(nèi)的壓力保持在0.2 atm，熱管蒸發(fā)段的加熱溫度范圍為30～50 ℃，冷凝段冷卻溫度為18 ℃。本試驗(yàn)在不同的充液率（30%～100%）、不同的加熱溫度下，觀察熱管內(nèi)部工質(zhì)的流態(tài)，并測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的溫度及冷凝段的傳熱量等，分析其對(duì)并聯(lián)分離式熱管的影響。

3.1 不同工況下熱管內(nèi)工質(zhì)的流型變化

當(dāng)熱管在相同充液率下運(yùn)行時(shí)，不同的加熱溫度會(huì)出現(xiàn)不同的流型。同樣，在相同的加熱溫度下，不同的充液率也會(huì)出現(xiàn)不同的流型。在熱管運(yùn)行過(guò)程中，在不同工況下出現(xiàn)的流型大致分為三種：波動(dòng)流、彈狀流、振蕩流。

本文對(duì)熱管在充液率為75%，管內(nèi)壓力為0.2 atm的條件下進(jìn)行觀察其流型變化，如表1所示。

表1 不同加熱溫度下工質(zhì)流型變化

當(dāng)加熱溫度較低（30～35 ℃）時(shí)，熱管內(nèi)可清晰看到在蒸發(fā)段立管內(nèi)的液體出現(xiàn)波動(dòng)，隨著加熱時(shí)間的增加，波動(dòng)幅度從小到大。當(dāng)提高加熱溫度到一定程度（35～40 ℃）時(shí)，熱管內(nèi)的波動(dòng)轉(zhuǎn)換為彈狀流如圖3（a）所示，可以看到氣泡依稀從熱管蒸發(fā)段的液池中產(chǎn)生，然后緩慢的上升，在上升的過(guò)程中變大，最后在氣液交界面上破裂，隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，氣泡產(chǎn)生的速度增加，而且上升的速度也越來(lái)越快，甚至沖擊到蒸發(fā)段頂部的橫管上，然后破裂。當(dāng)加熱溫度到達(dá)40～45℃時(shí)，熱管內(nèi)由原先的小氣泡慢慢的上升，變?yōu)榱艘贿B串的氣塞液塞相間，快速的向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也可以看到氣塞逐漸變長(zhǎng)，液塞變短。

圖3 管內(nèi)部分流型

熱管內(nèi)的彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)檎袷幜魅鐖D3（b）所示，氣塞和液塞在熱管內(nèi)上下振蕩，隨著加熱時(shí)間的增加，氣塞不斷變小，振蕩速率增大。當(dāng)溫度達(dá)到45～50 ℃時(shí)，熱管內(nèi)的流型仍是氣塞液塞相間，長(zhǎng)氣塞逐漸變的越來(lái)越短，隨著時(shí)間的增加，振蕩也越來(lái)越有規(guī)律，并且出現(xiàn)一定的間歇運(yùn)動(dòng)，偶爾會(huì)有相鄰兩根立管之間形成環(huán)形，現(xiàn)象如同脈動(dòng)熱管內(nèi)的單向脈動(dòng)流動(dòng)，這時(shí)熱管達(dá)到了較穩(wěn)定的振蕩運(yùn)動(dòng)［10～13］。

在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，雖然熱管內(nèi)工質(zhì)的充液率不同，但是熱管內(nèi)隨著加熱溫度的增加蒸發(fā)段出現(xiàn)的流型轉(zhuǎn)變是一致的。然而不同之處是，在低充液率時(shí)，熱管內(nèi)每次出現(xiàn)流型轉(zhuǎn)變時(shí)所需的加熱溫度要比高充液率時(shí)所需的加熱溫度高，也就是說(shuō)，隨著充液率的增加，熱管啟動(dòng)所需的加熱溫度會(huì)降低即所需的過(guò)熱度較低。

在較高加熱溫度時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱管內(nèi)出現(xiàn)振蕩流，這種振蕩現(xiàn)象會(huì)存在一個(gè)間歇過(guò)程，而隨著充液率的升高，振蕩現(xiàn)象的間歇時(shí)間會(huì)越來(lái)越短，這是因?yàn)樵诘统湟郝氏拢軆?nèi)的工質(zhì)較少，振蕩的速度很快，一定程度上使液池內(nèi)的工質(zhì)不足以沸騰，出現(xiàn)了間歇。

在高充液率下，相同的加熱溫度時(shí)，熱管內(nèi)的工質(zhì)出現(xiàn)流型所需的時(shí)間較長(zhǎng)，即啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，且更易出現(xiàn)振蕩流，形成單方向振蕩。

3.2 蒸發(fā)段加熱溫度對(duì)并聯(lián)分離式熱管的影響

圖4給出了不同加熱溫度下冷凝段壁面溫度分布。

圖4 不同加熱溫度下冷凝段外壁溫度分布

在測(cè)量過(guò)程中滿足的條件是充液率為75%，工質(zhì)為甲醇，管內(nèi)壓力為0.2 atm，冷凝段自然冷卻。該圖中蒸發(fā)段的加熱溫度分別為35，40，45，50 ℃，各測(cè)點(diǎn)的測(cè)量溫度是在熱管正常運(yùn)行下采用數(shù)據(jù)采集儀計(jì)數(shù)30 min內(nèi)的平均溫度。從圖中可以看出，在冷凝段立管上布置的1～8測(cè)點(diǎn)中，3點(diǎn)和8點(diǎn)的溫度均低于其他測(cè)點(diǎn)的溫度，1點(diǎn)和6點(diǎn)溫度均高于其他點(diǎn)，說(shuō)明隨著立管的高度增加，冷凝段的溫度降低。由圖還可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)段加熱溫度越高，熱管的均溫性更佳，冷凝段的最大溫差均不超過(guò)1.5 ℃。蒸發(fā)段出口測(cè)點(diǎn)11、12的溫度與冷凝段各測(cè)點(diǎn)溫度的差值比較大，這是由于試驗(yàn)條件的限制，絕熱段的保溫效果不夠好，導(dǎo)致熱量的少量散失。

圖5給出的是在不同加熱溫度時(shí)熱管冷凝段壁面的溫度波動(dòng)。

圖5 不同加熱溫度對(duì)并聯(lián)分離式熱管的影響

由圖可知，在加熱溫度為30 ℃時(shí)，冷凝段的溫度波動(dòng)較小，基本保持水平，這是因?yàn)榇藭r(shí)熱管蒸發(fā)段內(nèi)的流型為波動(dòng)流如圖6（a）所示，振蕩不明顯；在加熱溫度為50 ℃時(shí)，熱管冷凝段壁面溫度波動(dòng)比較大，最大溫差在1 ℃左右，熱管蒸發(fā)段內(nèi)的流型為充塞流，如圖6（b）所示，出現(xiàn)了振蕩現(xiàn)象。

圖6 熱管蒸發(fā)段不同流型

3.3 充液率對(duì)并聯(lián)分離式熱管的影響

圖7 所示為加熱溫度為50 ℃不同充液率下熱管冷凝段壁面溫度的變化曲線。由圖可知，當(dāng)充液率較低時(shí)，熱管內(nèi)冷凝段的壁溫波動(dòng)較?。浑S著充液率的增加，熱管內(nèi)冷凝段壁面溫度的波動(dòng)增大，而在充液率為75%時(shí)，波動(dòng)最明顯，壁面平均溫度也最高。由此可見(jiàn)，最佳充液率范圍在75%～90%之間。

圖7 不同充液率下熱管冷凝段壁溫變化

試驗(yàn)過(guò)程中，由于熱管是可視化的，在冷凝段溫度波動(dòng)的同時(shí)可以觀察到熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)的流型。低充液率的熱管內(nèi)的工質(zhì)流型為波動(dòng)流，如充液率為50%時(shí)，此時(shí)尚未達(dá)到穩(wěn)定的振蕩流，壁面溫度較低，且波動(dòng)很??；中等充液率的熱管此時(shí)正好達(dá)到了穩(wěn)定的振蕩流，如充液率為75%、90%時(shí)，冷凝段出現(xiàn)了一定的溫度波動(dòng)，而且當(dāng)充液率不同時(shí)，冷凝段的平均溫度也有所不同，從圖中可以看出充液率為75%時(shí)熱管的導(dǎo)溫性最佳；高等充液率的熱管中的振蕩現(xiàn)象不夠明顯，如充液率為100%時(shí)，這是因?yàn)槠涑湟郝侍撸霈F(xiàn)振蕩現(xiàn)象所需的加熱溫度會(huì)更高，所需的啟動(dòng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，所以很難達(dá)到穩(wěn)定的振蕩流。

3.4 冷凝段傳熱量對(duì)并聯(lián)分離式熱管的影響

本文在測(cè)試熱管性能的同時(shí)也進(jìn)行了熱管傳熱量測(cè)定。通過(guò)對(duì)冷凝段循環(huán)水量的測(cè)定來(lái)計(jì)算熱管的傳熱量，表2給出的是冷凝段傳熱量的計(jì)算。其中循環(huán)水量的測(cè)定是熱管穩(wěn)定工作后15 min內(nèi)的循環(huán)水流量，通過(guò)對(duì)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出口溫差及循環(huán)水量來(lái)計(jì)算熱管的傳熱量。

表2 冷凝段傳熱量計(jì)算

圖8給出了熱管在不同加熱溫度下的傳熱量曲線。隨著加熱溫度的升高，熱管冷凝段的傳熱量也在增加。這是因?yàn)楫?dāng)加熱溫度低于40 ℃時(shí)，蒸發(fā)段內(nèi)出現(xiàn)的流型為波動(dòng)流，換熱方式是以自然對(duì)流換熱為主，此時(shí)的工質(zhì)沸騰量較小，傳熱量較低。而當(dāng)隨著加熱溫度升高，熱管蒸發(fā)段內(nèi)的流型轉(zhuǎn)化為振蕩流，工質(zhì)的振蕩增強(qiáng)換熱效果，傳熱量較大幅度的提高。從圖中可以看出，當(dāng)熱管加熱溫度達(dá)到48 ℃以后，傳熱量將不再增加，可見(jiàn)當(dāng)加熱溫度達(dá)到一定值時(shí)，熱管的工作能力達(dá)到了最大。

圖8 熱管不同加熱溫度下冷凝段傳熱量

4 結(jié)論

（1）熱管內(nèi)的工質(zhì)在不同的蒸發(fā)段加熱溫度下呈現(xiàn)出不同的流型，溫度越高，管內(nèi)的流動(dòng)越強(qiáng)，隨著溫度的增加，熱管內(nèi)工質(zhì)的大致流型為波動(dòng)流—彈狀流—長(zhǎng)塞振蕩流—短塞振蕩流—環(huán)形振蕩流。

（2）當(dāng)蒸發(fā)段加熱溫度相同時(shí)，在不同的充液率下，熱管內(nèi)工質(zhì)也表現(xiàn)出不同的流型變化。當(dāng)熱管內(nèi)出現(xiàn)振蕩流時(shí)，隨著充液率的增加，間歇振蕩會(huì)越來(lái)越短，振蕩持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，這說(shuō)明熱管的工作越穩(wěn)定。

（3）通過(guò)試驗(yàn)研究表明，在熱管運(yùn)行過(guò)程中，隨著加熱溫度的升高，傳熱量也會(huì)增加，而最佳加熱溫度為45 ℃。

（4）通過(guò)試驗(yàn)研究表明，在并聯(lián)分離式熱管運(yùn)行過(guò)程中，隨著充液率的增加，熱管的穩(wěn)定性越好，其最佳充液率在75%～90%之間。

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