傾角對(duì)不同充液率重力熱管性能的影響

張瑞瑛 鄭慶紅 賈雷雷 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

隨著經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，能 源消耗速度隨之增長(zhǎng)[1]，節(jié) 能技術(shù)和強(qiáng)化換熱技術(shù)已成為研究能源利用領(lǐng)域里的熱點(diǎn)課題。其中充分利用熱傳導(dǎo)與相變換熱原理的熱管技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用在電子元器件散熱[2]，余 熱回收系統(tǒng)[3]，鐵 路運(yùn)輸系統(tǒng)[4]，儲(chǔ) 煤降溫系統(tǒng)[5]，太 陽能發(fā)電[6]，太 陽能熱水器[7]以及太陽能熱泵系統(tǒng)[8]等系統(tǒng)和裝置中。

重力熱管在實(shí)際工程中常常不平行于重力場(chǎng)方向使用，不 同傾角工作條件下的重力熱管呈現(xiàn)的傳熱性能不盡相同。因此，國(guó) 內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)傾角對(duì)重力熱管傳熱性能的影響展開了探索性研討。K hazaee 等[9]對(duì)內(nèi)徑為 15 mm 和 25 mm 的銅—水熱管變傾角傳熱特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳 熱系數(shù)隨著傾角增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，蒸 發(fā)段和冷凝段最大換熱系數(shù)分別發(fā)生在傾角 40～60° 和 35～55° 之 間，40～50° 為 熱管最佳傾角。王鑫煜等[10]研 究表明，工 作傾角為60° 的 熱管啟動(dòng)溫度最低，啟 動(dòng)溫差最小，當(dāng) 量導(dǎo)熱率最高。Yeonghwan Kim 等[11]實(shí) 驗(yàn)研究了充液率和傾角對(duì)內(nèi)徑為25 mm 銅—水重力熱管的蒸發(fā)和冷凝傳熱的影響，結(jié)果表明在傾角為30°，充 液率為 0.5 時(shí)重力熱管具有最佳傳熱性能。杜海燕[12]實(shí) 驗(yàn)得到不同工質(zhì)最佳傳熱傾角不同，乙 醇、不 同濃度乙醇水溶液和純水重力熱管的最佳傾角及傾角范圍分別為30°、4 5°和 45～60°。

本文通過自行搭建的不銹鋼—水重力熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通 過調(diào)節(jié)三種充液率重力熱管工作傾角及加熱功率，分 析了傾角變化對(duì)壁溫，蒸 發(fā)段傳熱系數(shù)和冷凝段傳熱系數(shù)的影響，以 期望為重力熱管的工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

不銹鋼—水重力熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)主要由重力熱管，電 加熱裝置，水 冷卻裝置，數(shù) 據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成，如 圖 1 所示。

圖1 重力熱管傳熱特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

重力熱管蒸發(fā)段由 1.2 mm 厚鎳鉻電阻絲均勻螺旋纏繞在熱管下半部分構(gòu)成，與 30V-10A 穩(wěn)壓電源正負(fù)極相連，通 過改變輸入電壓和電流達(dá)到所需的功率要求。實(shí)驗(yàn)在管壁外包裹3 mm 陶瓷纖維保溫棉使熱管與環(huán)境的散熱損失最小化。

重力熱管冷凝段套有長(zhǎng)800 mm，內(nèi)徑 46 mm 的有機(jī)玻璃套管，在 套管上下端外伸長(zhǎng) 50 mm，外 徑20 mm 的有機(jī)玻璃管作為冷卻水進(jìn)出口。冷側(cè)采用17±0 .2 ℃的自來水對(duì)流冷卻。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。

實(shí)驗(yàn)使用 K 型熱電偶和四臺(tái) CENTER-309 四通道溫度記錄儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和采集。數(shù) 據(jù)每 2s 讀取并記載一次，每 組工況測(cè)量結(jié)束后通過配套軟件記錄數(shù)據(jù)。

1.2 熱管參數(shù)及熱電偶布置

實(shí)驗(yàn)用重力熱管的規(guī)格參數(shù)及研究參數(shù)詳情見表1。實(shí) 驗(yàn)中熱管是傾斜布置，因 此工質(zhì)不能均勻地潤(rùn)濕管壁，為 探求熱管工作時(shí)周向及軸向管壁溫度變化，實(shí)驗(yàn)共使用六組熱電偶對(duì)稱分布在不同高度管壁兩側(cè)。圖 2 為重力熱管熱電偶測(cè)點(diǎn)分布圖，其 中蒸發(fā)段，絕熱段和冷凝段熱電偶組數(shù)比為3:1:2。此外，在 冷卻水套的入口和出口各設(shè)置一個(gè)熱電偶，實(shí) 驗(yàn)共用14 個(gè)熱電偶。

表1 熱管的重要特征及實(shí)驗(yàn)研究參數(shù)

圖2 熱電偶分布圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壁溫特性

以35°到 90°為 研究對(duì)象，本 節(jié)研究了不同充液率在100 W 條件下傾角變化對(duì)重力熱管管壁溫度的影響。圖3 所示為重力熱管管壁上下側(cè)兩條母線上壁面溫差軸向分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖 中所示值為下側(cè)壁溫減上側(cè)壁溫。

圖3 不同傾角工況熱管軸向溫差分布圖

由圖 3 可以看出，傾 角作用使得軸向管壁上下側(cè)壁溫有不同程度的差別，溫差隨著傾角的增加而減小。傾斜布置的熱管蒸發(fā)段，管 壁上側(cè)與蒸發(fā)形成的氣泡之間有一層薄液膜，管 壁下側(cè)主要是氣泡的滑移運(yùn)動(dòng)，液 膜蒸發(fā)效應(yīng)使得上側(cè)管溫低于下側(cè)管溫。相同蒸發(fā)段長(zhǎng)度下，不 同充液率的熱管因液池高度不同其兩側(cè)軸向溫差不同。由圖 3 可以清晰地發(fā)現(xiàn)充液率15%，30%和45%的重力熱管，分 別在200 mm，400 mm和 520 mm 處溫差有急劇變化，平 均最大溫差約6.81 ℃，最 大溫差發(fā)生在低充液率小傾角工況，約 7.33 ℃左右。不 同充液率的絕熱段溫差相近，平 均溫差在0.6 ℃左右，且 管壁上測(cè)溫度小于管壁下測(cè)溫度。由于流動(dòng)阻力影響，冷凝段頂端部分蒸汽流速較小，故 冷凝段熱管兩側(cè)溫度差異相對(duì)較小，且 距蒸發(fā)段越遠(yuǎn)溫差越小。這是由于傾角的作用，冷 凝段出現(xiàn)了上層蒸汽和下側(cè)冷凝液分層流動(dòng)現(xiàn)象，所 以上側(cè)壁溫高于下側(cè)。

2.2 啟動(dòng)特性

2.2.1 傾角對(duì)啟動(dòng)溫度的影響

熱管自加熱起至冷凝段溫度突升這一段時(shí)長(zhǎng)稱為啟動(dòng)時(shí)間，某 組工況下相應(yīng)的蒸發(fā)段溫度為啟動(dòng)溫度，這二者是衡量熱管啟動(dòng)特性的重要因素。本節(jié)以三根重力熱管為研究對(duì)象，研究了在 50 W 加熱功率下傾角對(duì)重力熱管啟動(dòng)特性的影響。如 圖4 所示，對(duì) 于啟動(dòng)溫度來說，不 同傾角重力熱管其變化趨勢(shì)呈近似“M”型，且 不同傾角下充液率 15%，30%及45%的啟動(dòng)溫度的差值在8.0%，7.6%及 8.3%，這 說明傾角對(duì)同一充液率的啟動(dòng)溫度影響不大。這可能是因?yàn)閮A斜只影響管內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)，等 量充液率的起沸狀態(tài)不被改變。

圖4 傾角對(duì)啟動(dòng)溫度的影響

2.2.2 傾角對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

如圖5 所示，對(duì) 于不同傾角重力熱管來說，啟 動(dòng)時(shí)間的變化趨勢(shì)均大致為先減小后增大，其 中工作傾角為65° 時(shí) 啟動(dòng)時(shí)間最短。這是由于傾斜工作的熱管受重力軸向分量的影響，傾 角越大，重 力軸向分量越大。傾角越小，熱 管徑向重力分量越大，蒸 發(fā)段工質(zhì)蒸發(fā)形成的氣泡流動(dòng)至冷凝段的阻力變小，但 是下壁面潤(rùn)濕面積較大，使 得啟動(dòng)階段時(shí)間變長(zhǎng)。隨著傾角的增加，冷凝液回流阻力變小，啟 動(dòng)時(shí)間縮短。而傾角越大，重 力軸向分量越大，蒸 發(fā)段產(chǎn)生的氣泡需要更大的膨脹功脫離液池，能 量積累階段時(shí)間變長(zhǎng)，啟 動(dòng)時(shí)間亦會(huì)增加。所以存在一個(gè)最佳傾角或最佳傾角范圍，使得重力熱管的啟動(dòng)時(shí)間最短。

圖5 傾角對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響

2.3 傳熱特性

基于實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，本節(jié)以 35° 到 90° 為 研究對(duì)象，研 究不同充液率在 100 W 加熱功率下，傾 角對(duì)重力熱管蒸發(fā)及冷凝傳熱系數(shù)的影響。

2.3.1 傾角對(duì)蒸發(fā)段傳熱的影響

蒸發(fā)傳熱系數(shù)一般用式（1）[9]計(jì) 算：

式中：he為重力熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)，W/(m2· K)；Qin為蒸發(fā)段管外壁向管內(nèi)工質(zhì)的傳熱量，W ；D為重力熱管外徑，m；Le為重力熱管蒸發(fā)段長(zhǎng)度，m ；為蒸發(fā)段外壁平均溫度，K；為絕熱段外壁平均溫度，K 。

圖6 和圖 7 分別為蒸發(fā)段上下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨傾角變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖6～7 可知，不 同充液率蒸發(fā)段上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均低于下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是由于傾角越小，重 力的軸向分量越小，使 得氣泡攜帶液態(tài)工質(zhì)向冷凝段運(yùn)動(dòng)的阻力變小。相比蒸發(fā)段上表面，傾 角越小下表面潤(rùn)濕區(qū)域越大。小傾角工況下，蒸發(fā)段上表面的傳熱主要發(fā)生在管壁和貼附其上的氣團(tuán)之間，局 部可能發(fā)生干涸極限，故 傳熱系數(shù)較低。隨著傾角增大，蒸 發(fā)段管壁上表面濕潤(rùn)區(qū)域增加，局 部干涸現(xiàn)象減弱，氣 泡與管壁間液膜逐漸穩(wěn)定且換熱系數(shù)逐漸增大。但當(dāng)傾角增加到一定值時(shí)，液 膜的蒸發(fā)強(qiáng)度下降使得傳熱系數(shù)降低。隨著傾角的增大，重 力的軸向分量增大，從 而冷凝液流動(dòng)動(dòng)力增加大于氣泡滑移效應(yīng)，故 傳熱系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

圖6 蒸發(fā)段上表面的傳熱系數(shù)

圖7 蒸發(fā)段下表面的傳熱系數(shù)

不同充液率重力熱管受傾角的影響程度不同，這是因?yàn)楫?dāng)液體量較少時(shí)，蒸 發(fā)段液池受氣泡運(yùn)動(dòng)的影響大。并且充液率低的熱管其蒸發(fā)段長(zhǎng)度中干燥區(qū)域占比大，蒸發(fā)段熱傳遞也受到干燥區(qū)域的影響。由圖可見，當(dāng) 充液率為 30%時(shí)，小 傾角變化對(duì)蒸發(fā)傳熱的影響最明顯。結(jié)果表明，15%，30%和 45%充液率的蒸發(fā)段最大傳熱系數(shù)分別出現(xiàn)在55°，5 5°和 65°。

2.3.2 傾角對(duì)冷凝段傳熱的影響

冷凝傳熱系數(shù)一般用式（2）、（3）[9]計(jì) 算：

式中：hc為重力熱管冷凝段傳熱系數(shù)，W/(m2· K)；Qout為冷凝段管外壁向冷卻水的傳熱量，W ；D為重力熱管外徑，m ；Lc為重力熱管冷凝段長(zhǎng)度，m ；為冷凝段外壁平均溫度，K ；Tout為冷卻水套出口水溫，℃ ；Tin為冷卻水套進(jìn)口水溫，℃ 。

冷凝段上下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨傾角變化規(guī)律如圖 8和圖9 所示。由 圖可見，不 同充液率冷凝段上表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均低于下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。這是由于傾角作用使得下壁面的冷凝液相對(duì)更厚且均勻，下 側(cè)冷凝段壁溫更低，與冷卻水換熱程度更低。在充液率 15%，30%和45%范圍內(nèi)，更多液態(tài)工質(zhì)隨著氣泡的運(yùn)動(dòng)流向冷凝段，使 得冷凝段不參與冷凝的液體含量增多，導(dǎo) 致傳熱效果變差，故 冷凝段上下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)均隨充液率的增加而降低。

圖8 冷凝段上表面的傳熱系數(shù)

圖9 冷凝段下表面的傳熱系數(shù)

由圖8 和圖9 可見，重力熱管冷凝段傳熱系數(shù)隨傾角的增加呈先增后減的趨勢(shì)。其中當(dāng)充液率為15%，30%和45%時(shí)，重 力熱管在傾角為65°，6 5° 和 55°取得冷凝段下表面最大傳熱系數(shù)。這是由于小傾角工況下冷凝液回流速度較慢，使得冷凝段換熱量較小。冷凝液回流速度隨傾角增加而增大，從 而重力熱管與冷環(huán)境傳熱效果變好。但當(dāng)傾角增大到一定值時(shí)，過 大的冷凝液回流速度使得傳熱不充分，傳 熱的效果會(huì)變差。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不銹鋼—水重力熱管的實(shí)驗(yàn)研究，在 改變不同充液率熱管的工作傾角下，探 究?jī)A角對(duì)熱管壁溫及傳熱特性的影響，得 出以下結(jié)論：

1）傾 角對(duì)啟動(dòng)溫度影響不大，但 啟動(dòng)時(shí)間隨傾角的增加均出現(xiàn)先減小后增大的特點(diǎn)，且 最佳啟動(dòng)傾角為65°。

2）不同充液率的管壁上下表面溫差均隨傾角的增大而減小。蒸發(fā)段上下管壁溫差較大且在液池高度附近處達(dá)到最大。絕熱段溫差相近，平 均溫差在 0.6 ℃左右。冷凝段兩側(cè)溫度均差異相對(duì)較小。

3）重力熱管管壁上下側(cè)的蒸發(fā)和冷凝傳熱系數(shù)均隨著傾角的增大呈先增后減的趨勢(shì)，最 佳傳熱傾角在55°～ 65°左 右。