變工況重力熱管性能實(shí)驗(yàn)研究

賈雷雷 鄭慶紅 張瑞瑛 張夢(mèng)遠(yuǎn)

西安建筑科技大學(xué)建筑設(shè)備科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

重力熱管是一種具有超高導(dǎo)熱性能的相變傳熱元件，憑借其結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，傳熱性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的余熱回收[1-2]、太陽能利用[3-4]、電子設(shè)備冷卻[5-6]等領(lǐng)域。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同工況下重力熱管的傳熱性能進(jìn)行了一些研究。鄭慶紅等[7]研究了不同工質(zhì)和不同充液率的重力熱管的傳熱特性，研究結(jié)果顯示：丙酮等溫性最好，且在充液率為35%時(shí)，熱管的傳熱效率達(dá)到最大。Park[8]等對(duì)兩相流銅熱管的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以 C6F14 為工質(zhì)，通過改變加熱功率和充液率，對(duì)其傳熱性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱管蒸發(fā)段的傳熱特性隨加熱功率的增大而增強(qiáng)，冷凝段受到充液率的影響較大，隨著充液率的增大，傳熱性能提高。張勁草[9]等通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)段冷凝段長度和位置改變會(huì)對(duì)重力熱管的傳熱性能產(chǎn)生一定影響，蒸發(fā)段和冷凝段長度減小都會(huì)對(duì)熱管傳熱產(chǎn)生不利影響，冷凝段適當(dāng)下移會(huì)減小熱管熱阻，提高熱管換熱性能。馬澤昆[10]等對(duì)低溫?zé)峁軅鳠崽匦赃M(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：蒸發(fā)段長度越大，加熱功率越大，蒸發(fā)段換熱系數(shù)越大。冷凝段長度越小熱管阻值越小，蒸發(fā)段長度越小熱管阻值越大。

本文通過搭建熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了不同工質(zhì)的重力熱管在自然冷卻下的啟動(dòng)性、等溫性差異，同時(shí)也分析了不同蒸發(fā)段冷凝段長度比對(duì)重力熱管總熱阻及蒸發(fā)段傳熱系數(shù)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 啟動(dòng)性、等溫性測試實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)測試裝置由重力熱管元件，電加熱系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)及輔助構(gòu)件組成，如圖 1所示。采用的重力熱管元件總長度為 1000 mm，蒸發(fā)段長度為 300 mm，絕熱段長度為 300 mm，冷凝段長度為 400 mm，不銹鋼材質(zhì)，管內(nèi)徑 24 mm，壁厚2 mm，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為水，甲醇，丙酮，充液率為30%。

圖1 等溫性、啟動(dòng)性測試實(shí)驗(yàn)裝置

電加熱系統(tǒng)由 1.2 mm 的鎳鉻電阻絲和 30V-10A直流穩(wěn)壓電源構(gòu)成，電阻絲均勻纏繞在蒸發(fā)段，兩端與穩(wěn)壓電源正負(fù)極相連，通過調(diào)節(jié)電壓控制蒸發(fā)段輸入功率。熱管蒸發(fā)段均纏繞絕緣耐高溫膠帶，以保證電加熱段正常運(yùn)行。冷凝段采用空氣自然對(duì)流冷卻。數(shù)據(jù)測量采集系統(tǒng)由 K 型熱電偶和 CENTER-309 四通道溫度記錄儀及計(jì)算機(jī)組成，每 2 s 讀取并記錄一次數(shù)據(jù)，熱電偶測點(diǎn)布置如圖2 所示。重力熱管元件由鐵架臺(tái)、固定支架固定，在蒸發(fā)段和絕熱段均包裹3 mm 陶瓷纖維保溫棉，達(dá)到減少與環(huán)境散熱的目的。

圖2 熱電偶測點(diǎn)布置圖

1.2 傳熱特性測試實(shí)驗(yàn)裝置

如圖3，本裝置主要為測量蒸發(fā)段與冷凝段長度比對(duì)不同工質(zhì)重力熱管傳熱性能的影響，該裝置與圖一區(qū)別主要在于冷卻系統(tǒng)裝置的改變。本實(shí)驗(yàn)測量裝置冷凝段采用冷卻水冷卻，在冷凝段部分固定一個(gè)長80 mm，內(nèi)徑 50 mm 的有機(jī)玻璃水套，水套進(jìn)出口管徑均為 20 mm，用橡膠軟管連接水套和水箱，在水箱出口處依次設(shè)置轉(zhuǎn)子流量計(jì)和球閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度大小來調(diào)節(jié)控制冷卻水流量。

圖3 傳熱特性測試實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)不同的蒸發(fā)段，冷凝段，絕熱段長度，均勻布置2、1、3 個(gè)熱電偶測點(diǎn)。熱管實(shí)驗(yàn)工況如下表1 所示。

表1 熱管實(shí)驗(yàn)工況

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 啟動(dòng)性、等溫性結(jié)果分析

啟動(dòng)性即熱管在給定加熱功率下，啟動(dòng)所需要的時(shí)間，啟動(dòng)的時(shí)間越短，表明熱管能更快地進(jìn)入工作狀態(tài)。時(shí)間越長，則表明熱管啟動(dòng)性差，甚至啟動(dòng)失敗。等溫性即反映熱管正常工作時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段溫差的大小，溫差越小，熱管的等溫性越好。如圖4 所示，熱管在加熱過程中，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段的溫度會(huì)逐漸增加，且最終都會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定。若加熱過程中，冷凝段溫度始終沒有上升則表明熱管啟動(dòng)失敗。實(shí)驗(yàn) 1是在加熱功率為50 W、室內(nèi)空氣自然冷卻狀態(tài)下進(jìn)行的啟動(dòng)性、等溫性實(shí)驗(yàn)，熱管正常啟動(dòng)并達(dá)到穩(wěn)定后，熱管管壁各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖 4 中 a、b、c所示。

圖4 不同工質(zhì)熱管管壁各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

通過對(duì)比圖4（a）、（b）、（c）可知：無論是熱管的工質(zhì)是水，甲醇還是丙酮，在啟動(dòng)過程中，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段各測點(diǎn)溫度都隨時(shí)間逐漸升高，并最終趨于穩(wěn)定，三種工況的熱管都能夠順利啟動(dòng)。從圖中觀察得出，不銹鋼-丙酮的啟動(dòng)時(shí)間為 564 s，所用的時(shí)間最短，不銹鋼-水熱管啟動(dòng)時(shí)間為 858 s，所用的時(shí)間最長。對(duì)比圖4（a）、（b）、（c），不同熱管在穩(wěn)定后，等溫性有較大差異，丙酮熱管的等溫性明顯優(yōu)于水和甲醇熱管，水的等溫性最差。這主要是由于丙酮的沸點(diǎn)相對(duì)水和甲醇較低，比熱容相對(duì)較小，最容易蒸發(fā)，蒸汽在冷凝段所形成較大的壓力和流速，增大了擾動(dòng)，強(qiáng)化了換熱，從而使蒸發(fā)段和冷凝段有更小的溫差，具有更好的等溫性。而水的粘度相對(duì)較大，蒸汽在冷凝段換熱后的液體不容易回流到蒸發(fā)段，在管壁上形成一層液膜，增大了熱阻，使其蒸發(fā)段和冷凝段有較大的溫差，等溫性較差。此外，水熱管在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，各測點(diǎn)溫度呈現(xiàn)周期性變化，這是由于在恒定的加熱功率下，液池內(nèi)氣泡周期性產(chǎn)生和破裂使得壁溫產(chǎn)生周期性的震蕩。

2.2 傳熱性能測試結(jié)果分析

2.2.1 蒸發(fā)、冷凝長度比對(duì)重力熱管熱阻的影響

重力熱管總傳熱熱阻計(jì)算公式為：

式中：R t為熱管的總熱阻，K/W；T z，w為蒸發(fā)段壁面平均溫度，K；Tl，w為冷凝段壁面平均溫度，K；Qin為熱管實(shí)際輸入功率，W。

熱管總熱阻的大小反映整個(gè)熱管的換熱狀態(tài)。重力熱管的總阻值變化規(guī)律如圖 5 所示，以工況 1～ 工況5 為研究對(duì)象，研究加熱功率分別為 50 W，100 W，150 W，200W，250 W 條件下蒸發(fā)段冷凝段長度比對(duì)熱管熱阻的影響。從圖5 觀察可以看出：隨著加熱功率的不斷增大，各個(gè)工況下熱管的總熱阻都在不斷減小，加熱功率從50 W 增加到100 W 時(shí)，熱管熱阻減小的幅度最大，隨著加熱功率的繼續(xù)增大，熱阻減小的幅度減緩。這是由于隨著加熱功率的增大，熱流密度也隨之增大，液池內(nèi)產(chǎn)生氣泡的的速率增大，沸騰換熱增強(qiáng)，從而使熱管整體換熱增強(qiáng)，熱阻大幅度減小。但隨著加熱功率的繼續(xù)增大，氣泡產(chǎn)生的頻率也會(huì)越來越大，最后會(huì)達(dá)到膜態(tài)沸騰，氣膜的產(chǎn)生會(huì)增大熱管的整體熱阻，但整體熱管的熱阻仍呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，減小幅度變小。

圖5 不同工質(zhì)的熱管總熱阻隨加熱功率的變化

對(duì)比三種工質(zhì)在不同工況下?lián)Q熱性能可以得出：它們?cè)趽Q熱性能達(dá)到最佳時(shí)，蒸發(fā)段冷凝段長度比也是不相同的。不銹鋼-丙酮熱管在蒸發(fā)段冷凝段長度比為 1:1.67 時(shí)，熱管的總熱阻最小，換熱性能最好；而不銹鋼-甲醇熱管和不銹鋼-水熱管分別在蒸發(fā)段冷凝段長度比為1:1.5 和1:1 時(shí)，換熱達(dá)到最佳。

2.2.2 蒸發(fā)、冷凝長度比對(duì)重力熱管蒸發(fā)段換熱系數(shù)的影響

蒸發(fā)段的換熱系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：hz為蒸發(fā)段的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Qz為蒸發(fā)段外壁面向熱管內(nèi)蒸汽的傳熱量，W ；Az為蒸發(fā)段外壁面的面積，m2；Tz,w為蒸發(fā)段外壁面平均溫度，K ；Tj,w為絕熱段外壁面平均溫度，K 。

重力熱管蒸發(fā)段段換熱系數(shù)變化規(guī)律如圖 6 所示，以工況 1～工況 5 為研究對(duì)象，研究加熱功率分別為 50 W，100 W，150 W，200 W，250 W 條件下蒸發(fā)段冷凝段長度比對(duì)蒸發(fā)段換熱系數(shù)的影響。從圖6 觀察可以看出：隨著加熱功率的增大，各工況下蒸發(fā)段的換熱系數(shù)都隨之增大。不銹鋼-丙酮熱管和不銹鋼-甲醇熱管在加熱功率從50 W 增加到100 W 時(shí)，蒸發(fā)段換熱系數(shù)增大的幅度最大，而不銹鋼-水熱管在加熱功率從100 W 增加到 150 W 時(shí)，蒸發(fā)段換熱系數(shù)增大的幅度最大。這是由于丙酮和甲醇的比熱容相對(duì)較小，在加熱功率增加到 100 W 時(shí)，蒸發(fā)段液池內(nèi)產(chǎn)生氣泡的速度迅速加快，強(qiáng)化了換熱，蒸發(fā)段換熱系數(shù)顯著提高。而水的比熱容較大，在加熱功率增加到100 W 時(shí)，液池內(nèi)產(chǎn)生氣泡的速度較為緩慢，蒸發(fā)段換熱系數(shù)增加幅度較小，在加熱功率增加到150 W 時(shí)，液池內(nèi)產(chǎn)生氣泡的速度迅速增大，蒸發(fā)段換熱系數(shù)增長幅度達(dá)到最大。

圖6 不同工質(zhì)的熱管蒸發(fā)段換熱系數(shù)隨加熱功率的變化

對(duì)比三種工質(zhì)在不同工況下蒸發(fā)段的換熱狀況可得出：不銹鋼-丙酮熱管在蒸發(fā)段冷凝段長度比為1:1.67 時(shí)，蒸發(fā)段的換熱系數(shù)最大，而不銹鋼-甲醇熱管和不銹鋼-水熱管分別在蒸發(fā)段冷凝段長度比為1:1.5 和 1:1 時(shí)，蒸發(fā)段換熱系數(shù)達(dá)到最佳，與熱管總體換熱狀況表現(xiàn)出高度一致性。

3 結(jié)論

通過搭建啟動(dòng)性，等溫性以及熱管換熱性能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了不同工質(zhì)之間啟動(dòng)性、等溫性的差異，并通過改變冷凝段長度來研究蒸發(fā)段冷凝段長度比對(duì)熱管總熱阻、蒸發(fā)段換熱系數(shù)的影響，可得出以下結(jié)論：

1）在加熱功率為50 W 時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)性、等溫性實(shí)驗(yàn)，不銹鋼-丙酮熱管的啟動(dòng)時(shí)間最短，不銹鋼-水熱管的啟動(dòng)時(shí)間最長。不銹鋼-丙酮熱管的等溫性最好，甲醇次之，不銹鋼-水熱管的等溫性最差。

2）隨著加熱功率的增加，不同工質(zhì)的熱管在各工況下的總熱阻都隨之減小，而蒸發(fā)段換熱系數(shù)都隨之增大，熱管整體換熱效果增強(qiáng)。不銹鋼-丙酮熱管在蒸發(fā)段冷凝段長度比為1:1.67 時(shí)總熱阻最小，蒸發(fā)段換熱系數(shù)最大，換熱達(dá)到最佳，而不銹鋼-甲醇熱管和不銹鋼-水熱管分別在蒸發(fā)段冷凝段長度比為 1:1.5 和1:1 時(shí)換熱達(dá)到最佳。