重力熱管在地溫條件下傳熱特性實驗研究

華 帥，趙樹興，沈 洋，許康鹿

（1.天津城建大學天津300384；2.杭州城鄉(xiāng)建設設計院股份有限公司杭州310000）

重力熱管是一種具有極高導熱性能的傳熱元件，它依靠重力作用通過在全封閉真空管內工質的蒸發(fā)與凝結來傳遞熱量.與其他類型熱管相比，由于沒有吸液芯，結構簡單，易于加工且兼具高效導熱性、均溫性、熱二極管性等優(yōu)點被廣泛應用于航天設備熱控制、電子電路冷卻和余熱回收等方面[1-2].

目前有關重力熱管的傳熱研究，工作溫度范圍多集中在100 ℃以上的高溫和-20 ℃以下的低溫[3-5]，對于淺層地溫條件下的重力熱管研究較少.田亞護等[6]利用三維有限元分析法對淺層地溫條件下的重力熱管橫向和縱向溫度場分布開展了數(shù)值模擬研究，并對其溫度場變化趨勢進行了預測；鄭廣瑞等[7]以氨為工質，對重力熱管的內壁面溫度分布及周圍土壤溫度分布進行了數(shù)值模擬計算和實驗驗證.可見關于淺層地溫條件下的重力熱管傳熱研究多與溫度分布規(guī)律的數(shù)值模擬和實驗驗證相關.本文旨在通過實驗研究的方法在淺層地溫條件下，對以甲醇為工質的重力熱管的傳熱量、壁面溫度分布和啟動時間進行初步實驗研究.

1 實驗系統(tǒng)

本文設計并搭建了模擬淺層地溫條件下的重力熱管實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)由實驗用重力熱管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[8]四個部分組成，可以測定淺層地溫條件下重力熱管的傳熱特性.系統(tǒng)基本組成詳見圖1.

1.1 實驗用重力熱管

目前，實際工程應用中淺層地溫條件下的常見重力熱管管徑范圍60～160 mm，長度范圍4～13 m.本實驗用重力熱管采用5 ∶1 等比縮小，材質為黃銅，管內工質為甲醇，長度800 mm，外徑32 mm，內徑27 mm，蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段長度分別為550、150 和100 mm.熱管外包裹有絕熱保溫棉，可減少傳熱過程中的熱量耗散.

圖1 地埋重力熱管實驗系統(tǒng)原理

1.2 加熱系統(tǒng)

由一個“220 V、50 HZ”可調電源和一條電加熱帶組成，連接溫度傳感器，可實現(xiàn)溫度調節(jié)范圍0～100 ℃；可調精度1 K，功率100 W/m；加熱段采用電阻絲均勻纏繞在重力熱管的蒸發(fā)段實現(xiàn)加熱；輸入功率可按照纏繞電熱帶的長度進行換算.

1.3 冷卻系統(tǒng)

熱管的冷凝段采用水冷方式冷卻，整個冷卻系統(tǒng)由恒溫水箱、循環(huán)水泵、流量計、水浴套筒和管路組成.恒溫水箱可提供-5～100 ℃的溫度調節(jié)范圍，最大制冷量1 500 W；并對管道及容器均以絕熱海綿包裹，盡可能避免水循環(huán)沿途過程中的熱量損失.

1.4 溫度測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該系統(tǒng)由K 型鎳鉻-鎳硅熱電偶、MX100 style S3數(shù)據(jù)采集儀和計算機終端組成.該套設備使用方便快捷，具有多個數(shù)據(jù)通道，同時處理多組采集信號，可調整測試頻率、時間間隔.溫度測量范圍-50～400 ℃，測量精度0.1 K，且在實驗開始前進行校正，熱電偶測點按要求等間距布置在熱管的外壁面，如圖2 所示.

圖2 重力熱管溫度測點分布

2 實驗研究與分析

圍繞實驗用重力熱管，通過可調電源電加熱方式模擬淺層土壤環(huán)境溫度（溫度范圍10～20 ℃），配置相應的冷、熱源，動力設備和數(shù)據(jù)采集裝置，完成實驗用重力熱管傳熱特性的測試與分析.

2.1 傳熱量測試與分析

實驗在加熱溫度為10～20 ℃的范圍內進行熱管傳熱量的測試，取測溫間隔為2 ℃，以充液量的不同分3組（充液率為20%、40%、60%），每組測6 個溫度值（加熱溫度為10，12，14，16，18，20 ℃）的數(shù)據(jù).通過恒溫水箱控制冷卻水溫度恒定在5 ℃，調節(jié)加壓水泵和閥門開度，使循環(huán)水流量穩(wěn)定在200 L/h.由于熱管實際傳熱量等于冷卻水冷卻吸收的熱量，本實驗采取供回水溫差來確定熱管實際傳熱量，具體公式如下

式中：P 為熱管實際傳熱量功率，W；PC為冷卻水冷卻功率，W；M 為冷卻水流量，kg/h；CP為冷卻水的定壓比熱，J/（kg·℃）；TO、Ti分別為冷卻水進、出口溫度，℃；V 為冷卻水體積流量，m3/s；ρ水為水的密度，kg/m3.

由公式（1）整理計算得到各工況下熱管傳熱量變化曲線如圖3 所示.從實驗結果可以看出，雖然每一組管內充液量不同，但傳熱量始終是隨著加熱溫度的升高而逐漸加大的.這是由于隨著管壁加熱溫度增加，蒸發(fā)段熱流密度逐步增加，管內液池沸騰的更為劇烈，工質蒸汽在熱壓驅動作用下向上部的冷凝段更快地移動，從而交換更多的熱量.

圖3 各工況下熱管傳熱量

同理得到各充液率下熱管傳熱量變化曲線，如圖4 所示.從圖中可以看到，隨著管內充液量的增加，熱管的傳熱量先增大后減小.這是由于蒸發(fā)段主要以沸騰換熱為主，加熱溫度一定，當管內工質充液率較小時，蒸發(fā)段液池受熱大量沸騰、蒸發(fā)，其蒸發(fā)量大于冷凝液回流量，導致底部液池降低，沸騰減弱，傳輸熱量減小.當管內充液率較大時，如60%充液率的熱管底部液池較深，液池工質蒸發(fā)過慢，冷凝液體未能充分吸熱蒸發(fā)就返回液池形成冷池，池內核態(tài)沸騰大幅降低，熱管傳熱量反而減小.

圖4 各充液率下熱管傳熱量

進一步整理數(shù)據(jù)得到在不同加熱溫度及充液率條件下的熱管每米換熱量，如表1 所示.從表中可以看到：在10～20 ℃加熱溫度下，每米傳熱量最大值出現(xiàn)在充液率40%工況下（29～54 W）；熱管每米傳熱量隨著加熱溫度的提高而逐步增大；在充液率40%工況下每提高1 ℃，每米傳熱量大約提高2.5 W.

表1 各工況條件下熱管單位長度傳熱量

2.2 壁面溫度測試與分析

基于本實驗搭建的實驗臺，在重力熱管絕熱段與冷凝段布置5 個測點，按照GB/T 14812—93 重力熱管傳熱性能試驗標準[9]，當測點溫度變化在5 min 內小于1 K 時，可認為熱管達到穩(wěn)定狀態(tài).數(shù)據(jù)采集儀每10 s采集一次數(shù)據(jù)，穩(wěn)定時不同充液率下測點的溫度分布如圖5 所示.

由圖5 可以看出，在10，15，20 ℃加熱溫度下，絕熱段與冷凝段各測點的溫度變化較小，溫差基本均小于3 ℃，變化趨勢平緩.當加熱溫度升高，重力熱管冷凝段的壁面溫差相對增大，這是由于此時管內液池部分的核態(tài)沸騰更為劇烈，部分貼壁流動的液態(tài)甲醇在到達液池之前被高速上升氣流卷回上端，出現(xiàn)內壁面局部干涸現(xiàn)象，導致壁面溫度升高.此外，根據(jù)El-Genk M等[10]的研究，當熱流密度增大至一定值時，流態(tài)轉變?yōu)楹藨B(tài)沸騰，液池出現(xiàn)大量氣泡，熱管蒸發(fā)段換熱系數(shù)也會顯著增大，所以在較高加熱溫度下，整個蒸發(fā)段內都可以處于沸騰狀態(tài)，熱管絕熱段與冷凝段的溫差反而減小.

圖5 各充液率下重力熱管各測點溫度分布

2.3 啟動時間測試與分析

熱管的啟動時間是熱管性能的重要技術參數(shù)，它表明熱管能否快速穩(wěn)定地進入工作狀態(tài)，充液量過高或者過低都可能影響熱管的正常啟動，對于實際工程具有重要意義.本實驗以甲醇為工質，模擬淺層地溫條件下的重力熱管在不同加熱溫度和不同充液量影響下的啟動特性，同時對蒸發(fā)段、冷凝段壁面溫度變化過程進行了分析.

實驗中在熱管充液率一定條件下（20%），設置加熱段的加熱溫度分別為10，15，20 ℃，測試熱管的啟動時間，即熱管首次達到上下波動溫度幅值平均值的時間點，測試結果如圖6 所示；在加熱溫度一定的條件下（15 ℃），充液率分別為20%，40%，60%時進行熱管的啟動性能測試，測試結果如圖7 所示.

圖6 加熱溫度與啟動時間關系曲線

圖7 充液率與啟動時間關系曲線

由圖6 實驗結果看出，加熱溫度越高，重力熱管啟動時間越短.熱管啟動在10，15，20 ℃加熱溫度下分別需要480，420，300 s，20 ℃與10 ℃下熱管啟動時間相差可達60%.這是由于加熱溫度越高，通過壁面向管內甲醇液體傳遞的熱量越大，管內液池沸騰更為劇烈，可讓重力熱管在更短的時間內啟動.另外，重力熱管冷凝段壁面溫度分布的曲線隨著時間的推移出現(xiàn)了一定幅度的上下波動，這是由于電加熱設備電流不夠穩(wěn)定導致的，對實驗結果影響不大.

如圖7 所示，表明重力熱管在充液率20%，40%，60%情況下均能正常啟動.在充液率分別為20%，40%，60%的工況下，實驗測試的重力熱管啟動時間分別為480，440，450 s，說明充液率對啟動時間影響不大（最長與最短啟動時間相差不到10%）；同時啟動時間并非隨著充液率的增加而單調增加，而是在一定范圍內會出現(xiàn)一個最佳值，本實驗充液率為40%的工況下，熱管啟動時間最短.

3 結 論

本文在淺層地溫條件下，對以甲醇為工質的重力熱管在不同工作溫度、不同充液率下的傳熱量及壁面溫度分布和啟動時間進行了初步實驗研究，得出如下結論.

（1）實驗用重力熱管的傳熱量受充液率的影響較大.在淺層地溫條件下（10～20 ℃），熱管的傳熱量隨著管內充液量的增加先增大后減小，充液率達到40%時傳熱量出現(xiàn)最大值（29～54 W）；熱管每米傳熱量隨著加熱溫度的提高而逐步增大，在充液率40%工況下的每米傳熱量每升高1℃大約可提高2.5 W.

（2）冷凝段與絕熱段壁面溫差受加熱溫度影響不大.在10，15，20 ℃加熱溫度下，各測點溫度變化較小且溫差均小于3 ℃；加熱溫度升高，熱管冷凝段與絕熱段的壁面溫差會相對增大，當熱流密度增大至一定值時，溫差反而減小.

（3）在充液率20%，40%，60%下，重力熱管均能正常啟動.不同充液率影響的啟動時間相差不大，最長與最短啟動時間相差不到10%；而加熱溫度對熱管的啟動性能影響顯著，且加熱溫度越高啟動時間越短，20 ℃與10 ℃下熱管啟動時間相差可達60%.