中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實驗研究①

熊國輝 王銀峰 嚴 鑫 范紅途 朱躍釗

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實驗研究①

熊國輝 王銀峰 嚴 鑫 范紅途 朱躍釗

(南京工業(yè)大學機械與動力工程學院)

研制了一套中溫水平環(huán)路熱管(HLTS)。采用導熱姆作為傳熱工質，搭建了其傳熱性能實驗平臺，考察了該HLTS的啟動和傳熱性能。實驗結果表明：U形段液封結構可有效避免熱管內部兩相工質的雙向流動，提升其傳熱性能；充液率對環(huán)路熱管傳熱性能影響較大，初始充液率為45.5%，加熱功率為150W時，啟動溫度為130℃，啟動時間為29min，啟動性能優(yōu)于初始充液率為70.5%工況；工作溫度為200～400℃時傳熱熱阻0.91～0.69℃/W，傳熱性能較好。該HLTS可移植和放大，設計用做槽式集熱管，實現(xiàn)熱管在太陽能中溫熱利用領域的高效利用。

水平環(huán)路熱虹吸管 中溫 啟動特性 充液率 傳熱性能

環(huán)路熱虹吸管[1,2](Loop Thermosyphon，LTS)具有高效傳熱、均溫性優(yōu)良及適應性強等特點，正逐漸在太陽能熱利用領域、電子冷卻散熱及航空冷卻等領域應用[3～6]。

LTS以兩相工質的密度差為驅動力，其蒸發(fā)段需低于冷凝段放置，且蒸發(fā)段一般為豎直管或斜管。He J等以氮氣作為不凝性氣體對環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器豎直放置)進行了啟動性實驗研究，表明不凝性氣體會延長啟動時間并增加啟動過熱度和溫度過沖現(xiàn)象，同時進行了不凝性氣體對氨不銹鋼環(huán)路熱虹吸管穩(wěn)態(tài)影響，實驗表明不凝性氣體會增大熱虹吸管穩(wěn)態(tài)溫度(特別是在低溫條件下)，同時不凝性氣體會降低熱虹吸管總熱導率[7,8]。Benn S P等將環(huán)路熱虹吸管用于熱電發(fā)電廠的冷卻，開發(fā)了新型冷卻器，用相變冷卻方式取代直接干冷式冷卻方式，得出新型冷卻器從成本和耗電性能均優(yōu)于傳統(tǒng)直接干冷式冷卻器[9]。Chen S J和Yang J開發(fā)了一種用于太陽能電池散熱的環(huán)路熱虹吸管冷卻器，提高了其效率，得出在工作溫度下丙酮傳熱性能優(yōu)于水和乙醇工質，與傳統(tǒng)冷卻相比丙酮環(huán)路熱虹吸管冷卻效率可以達到其7倍[10]。Chehade A A等提出了一種水工質兩相環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器傾斜放置)，得出最佳充液率為7%～10%，并且冷卻水溫度為5℃，流量為0.7L/h時工作性能最好[11]。Franco A和Filippeschi S對小尺寸兩相閉式熱虹吸管質量流量與熱流密度的關系進行了實驗研究，得出熱流量高于1kW時用水作為傳熱工質傳熱性能優(yōu)于乙醇工質[12]。有學者建立了一套自然循環(huán)槽式太陽能集熱系統(tǒng)，采用水平圓管作為環(huán)路蒸發(fā)段，但由于環(huán)路內部存在雙向流，因而限制了其傳熱性能，集熱溫度不超過200℃?？偟膩碚f，目前對于環(huán)路熱虹吸管的研究多集中在低溫段，環(huán)路熱虹吸管蒸發(fā)段多采用豎直管或傾斜管結構，且蒸發(fā)段水平放置時，環(huán)路內部易產生雙向流動，限制其傳熱性能。

基于此，本課題組研發(fā)了一種新型中溫水平環(huán)路熱虹吸管[13](Horizontal Loop Thermosyphon，HLTS)，采用簡單而有效的U形段結構，可避免環(huán)路內部工質的雙向流動問題。此外，采用導熱姆A(C12H10和C12H10O的混合物)作為傳熱工質，以拓寬其工作溫度。筆者主要對該結構HLTS的啟動和中溫傳熱性能進行研究，探索其運行機制，為HLTS移植放大用于槽式集熱器中的應用提供依據(jù)。

1 中溫HLTS設計

該中溫水平環(huán)路熱虹吸管結構如圖1所示，主要由蒸發(fā)段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降管(含U形段)組成。殼體材料為不銹鋼，熱管工質采用導熱姆A。U形段內可形成液封結構，以避免環(huán)路內工質的雙向流動。其傳熱過程為：工質在蒸發(fā)器內受熱蒸發(fā)產生蒸汽，蒸汽上升流過蒸汽上升管，并在冷凝器中冷卻，冷凝工質從冷凝液下降管流入U形段，而后回流到蒸發(fā)段中。

圖1 水平環(huán)路熱虹吸管結構

HLTS的結構參數(shù)為：蒸發(fā)段為規(guī)格φ25mm

×2mm的圓管，長度為500mm；上升管、冷凝段和下降管均為規(guī)格φ8mm×1mm的圓管，有效長度分別為170、500、115mm。此外，冷凝段外繞有金屬翅片和冷凝換熱器，換熱面積為0.055m2。

2 實驗

2.1實驗裝置

對HLTS啟動性和傳熱性能進行室內實驗研究，實驗系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)采用特制紫銅加熱器半周加熱，在半環(huán)形紫銅上均勻開孔，使加熱絲穿過孔并完全貼合，提高其加熱均溫性。紫銅加熱器輸出功率連續(xù)可調，由功率計和調壓器控制。HLTS實驗系統(tǒng)溫度測點熱電偶布置如圖2所示，其中，測點K07和K06分別測量冷凝段入口和下冷凝段出口溫度；在蒸發(fā)段內壁面布置了T01～T055根Pt100鉑電阻，對應的在蒸發(fā)器外壁面布置K01～K055根K型熱電偶；U形段布置T06～T083根Pt100鉑電阻。冷凝段換熱器冷卻水進出口分別布置T09和T10鉑電阻測量溫度，并且在進口處連接渦輪流量計測冷水循環(huán)的流量，采用Agilent34970A進行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用硅酸鋁和巖棉包裹保溫。

圖2 水平環(huán)路熱虹吸管測溫點布置圖

2.2實驗過程

實驗前，通過高溫排氣法生成熱管。其步驟為：對HLTS預充入135.3g導熱姆工質；設置加熱溫度為350℃，對蒸發(fā)段加熱；當蒸發(fā)段達到設定溫度時，打開環(huán)路熱管冷凝段出口處的排氣閥，排出管內蒸汽(包括空氣)，同時將排出氣體通入冷卻水中冷卻并收集；排氣2min后，關閉排氣閥，熱管生成。

通過初始充入量減去排氣量計算得到環(huán)路熱管內的充液量。而充液率則定義為環(huán)路熱管蒸發(fā)段內液體工質的體積與蒸發(fā)段容積的百分比。由于導熱姆A的密度隨溫度變化較大，因此實驗過程中環(huán)路熱管內的充液率將實時變化。通過該方法分別對充液量為121.9、79.7g的環(huán)路熱管進行實驗研究。實驗測試條件見表1。

表1 HLTS實驗測試條件

3 實驗結果與討論

3.1溫度對充液率的影響

本實驗HLTS蒸發(fā)段水平布置，導熱姆A工質的密度隨溫度增加而減小，造成工質體積在蒸發(fā)段內體積隨溫度增加而增加。圖3為充液量為121.9、79.7g時HLTS內充液率隨溫度的變化曲線(不考慮HLTS啟動后液池內氣泡的影響)。熱管充液量為121.9g時，環(huán)境溫度(25℃)下充液率為70.5%；當溫度達到350℃時其充液率達到100%，此時蒸發(fā)段內充滿工質，當溫度繼續(xù)升高時，熱管內工質將溢出至蒸汽上升管和冷凝液下降管，進而影響環(huán)路熱管傳熱性能。充液量為79.7g時在環(huán)境溫度和350℃時的充液率分別為45.5%和64.0%。

圖3 不同溫度下充液率變化曲線

3.2啟動性能

加熱功率為150W時，HLTS在兩種充液量下的啟動性能如圖4、5所示。啟動開始階段，蒸發(fā)段內工質持續(xù)吸收熱量，冷凝段入口溫度測點K07保持不變。當蒸發(fā)段內工質達到核態(tài)沸騰時，熱管內蒸汽由于存在U形段，而單向流入上升管，冷凝段入口溫度測點K07迅速上升，熱管啟動。如圖4所示，冷凝段入口溫度測點K07在56min時開始上升，蒸汽進入上升管，隨后進入冷凝段，經冷凝后冷凝液進入下降管，冷凝段出口溫度K06也因此升高，當冷凝液回流到U形段并進入蒸發(fā)段而導致蒸發(fā)段壁面溫度和內部工質溫度稍有降低，隨后熱管內工質溫度Te和冷凝段入口溫度測點K07溫差達到穩(wěn)定階段，熱管進入完全啟動，最終Te和K07溫差不超過3℃，熱管均溫性良好。

圖4 充液率70.5%啟動曲線

圖5 充液率45.5%啟動曲線

圖4中由于U形段溫度測點T08靠近加熱板，而受加熱板輻射傳熱影響，在未啟動時溫度明顯升高，當冷凝液回流到U形段時溫度降低，熱管穩(wěn)定時溫度保持穩(wěn)定，所以其溫度曲線出現(xiàn)先升高后降低再升高的情況。充液量121.9、79.7g實驗工況下啟動時間分別為56、29min，啟動溫度為225、130℃，啟動后至穩(wěn)定時間為34、26min。所以充液率為45.5%時的啟動性能優(yōu)于70.5%時的啟動性能。

3.3加熱功率和冷凝量對啟動性能的影響

圖6、7為充液量79.7g，加熱功率分別為150、200W時，運行過程冷凝器通恒定流量25℃冷卻水時的啟動性能。與圖5相比較，圖6中熱管啟動時間為36min稍高于未通冷卻水啟動時間，但啟動溫度相同。這是由于HLTS在兩種工況下的初始溫度不同，初始溫度越低，啟動時間越長。此外，對比圖6、7，由于加熱功率增加，使得熱管溫度上升速率增加，因此熱管啟動時間變短，但是啟動溫度不變。所以啟動溫度與冷凝量和加熱功率均無關，啟動時間隨冷凝量的減少和加熱功率的增大而變短。

圖6 150W加熱功率啟動曲線

圖7 200W加熱功率啟動曲線

3.4熱阻分析

文中，對于循環(huán)冷卻水時HLTS換熱器的傳熱熱阻RHLTS計算公式如下：

式中，Te為蒸發(fā)段管壁平均溫度，Te=(K01+K02+K03+K04+K05)/5，Tf為冷卻水的平均溫度，Tf=(T09+T10)/2，Q為傳輸功率。

圖8為冷卻水溫度25℃，不同流量下總熱阻隨加熱功率的變化?？梢姛嶙桦S著加熱功率和冷卻水流量的增加而降低。當冷卻水流量為0.081 5m3/h時，總熱阻在200W加熱功率下為1.00℃/W，700W加熱功率下最小為0.50℃/W，分別比0.085 5m3/h時高出0.20、0.12℃/W。

圖8 不同冷卻水流量下總熱阻隨加熱功率的變化

4 結論

4.1U形段內將形成有效液封，避免環(huán)路熱管內部工質的雙向流動，提升其傳熱穩(wěn)定性。

4.2HLTS啟動特性與充液率和加熱功率有關。HLTS在加熱功率為150W，充液量79.7g時的啟動溫度為130℃，啟動時間為29min，啟動性能優(yōu)于充液量121.9g的啟動性能。加熱功率增大有助于縮短啟動時間，對啟動溫度無影響。

4.3HLTS總熱阻隨功率的增加、冷凝量的增加而減小，在工作溫度為200～400℃時傳熱熱阻為0.91～0.69℃/W，傳熱性能較好。該HLTS可實現(xiàn)蒸發(fā)段水平放置時的高效傳熱，可進一步移植和放大，用作槽式太陽能集熱管，為槽式集熱器的開發(fā)利用提供新的途徑。

[1] 黃素逸，黃樹紅.太陽能熱發(fā)電原理及技術[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] Zhang P L，Wang B L，Shi W X，et al.Experimental Investigation on Two-phase Thermosyphon Loop with Partially Liquid-filled Downcomer[J].Applied Energy，2015，160：10～17.

[3] Filippeschi S.Comparison between Miniature Periodic Two-phase Thermosyphons and Miniature LHP Applied to Electronic Cooling Equipment[J].Applied Thermal Engineering，2011，31(5)：795～802.

[4] Bai L Z，Zhang L P，Lin G P，et al.Development of Cryogenic Loop Heat Pipes：A Review and Comparative Analysis[J]. Applied Thermal Engineering，2015，89：180～191.

[5] Wang Z Y，Yang W S.A Review on Loop Heat Pipe for Use in Solar Water Heating[J].Energy and Buildings，2014，79：143～154.

[6] Oliveira J L G，Tecchio C，Paiva K V，et al.In-flight Testing of Loop Thermosyphons for Aircraft Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2016，98：144～156.

[7] He J，Lin G P，Bai L Z，et al.Effect of Non-condensable Gas on Startup of a Loop Thermosyphon[J].International Journal of Thermal Sciences，2013，72：184～194.

[8] He J，Lin G P，Bai L Z，et al.Effect of Non-condensable Gas on Steady-state Operation of a Loop Thermosyphon[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014，81：59～67.

[9] Benn S P，Poplaski L M，F(xiàn)aghri A，et al.Analysis of Thermosyphon/Heat Pipe Integration for Feasibility of Dry Cooling for Thermoelectric Power Generation[J].Applied Thermal Engineering，2016，104：358～374.

[10] Chen S J，Yang J.Loop Thermosyphon Performance Study for Solar Cells Cooling[J].Energy Conversion and Management，2016，121：297～304.

[11] Chehade A A，Louahlia-Gualous H，Le Masson S，et al.Experimental Investigation of Thermosyphon Loop Thermal Performance[J].Energy Conversion and Management，2014，84：671～680.

[12] Franco A，F(xiàn)ilippeschi S.Experimental Analysis of Closed Loop Two Phase Thermosyphon (CLTPT) for Energy Systems[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，51：302～311.

[13] 朱躍釗，王銀峰，陳海軍.太陽能中高溫環(huán)路熱管蒸汽發(fā)生器[P].中國：201410535919.0，2015-01-14.

ExperimentalInvestigationofHeatTransferPerformanceofMedium-temperatureHorizontalLoopThermosyphon

XIONG Guo-hui, WANG Yin-feng，YAN Xin,FAN Hong-tu，ZHU Yue-zhao

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

A medium-temperature horizontal loop thermosyphon (HLTS) was developed. Through taking the dowtherm as working fluid, a platform was set up to investigate the HLTS’ start-up performance and heat transfer performance. The results show that, the liquid seal structure at the U-segment can effectively prevent two-way flow of two-phase dowtherm within the HLTS and enhance its heat transfer performance; the filling rate has a significant influence on the HLTS’ heat transfer performance. When the filling rate is 45.5% along with a 150W heat power, 130℃ start-up temperature and 29min-long start-up time, the HLTS’ starting performance is better than that of the HLTS with a 70.5% filling rate. The HLTS has better heat transfer performance when the heat transfer resistance ranges from 0.91℃/W to 0.69℃/W with the working temperature ranging from 200℃ to 400℃. The HLTS can be transplanted and amplified and taken as a thermal-collecting tube for the groove-type collector used in solar energy utilization.

HLTS, medium-temperature,start-up performance, filling rate, heat transfer performance

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

熊國輝(1990-)，碩士研究生，從事太陽能熱利用和熱管技術方面的研究。

聯(lián)系人朱躍釗(1958-)，教授，從事熱科學與工程等方面的研究，zyz@njtech.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)05-0507-05

2016-11-23)