傾角對不同充液率重力熱管性能的影響

張瑞瑛 鄭慶紅 賈雷雷 張夢遠

西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院

0 引言

隨著經濟迅猛發展，能 源消耗速度隨之增長[1]，節 能技術和強化換熱技術已成為研究能源利用領域里的熱點課題。其中充分利用熱傳導與相變換熱原理的熱管技術已被廣泛的應用在電子元器件散熱[2]，余 熱回收系統[3]，鐵 路運輸系統[4]，儲 煤降溫系統[5]，太 陽能發電[6]，太 陽能熱水器[7]以及太陽能熱泵系統[8]等系統和裝置中。

重力熱管在實際工程中常常不平行于重力場方向使用，不 同傾角工作條件下的重力熱管呈現的傳熱性能不盡相同。因此，國 內外學者們針對傾角對重力熱管傳熱性能的影響展開了探索性研討。K hazaee 等[9]對內徑為 15 mm 和 25 mm 的銅—水熱管變傾角傳熱特性的實驗結果表明，傳 熱系數隨著傾角增加呈現先增后減的變化趨勢，蒸 發段和冷凝段最大換熱系數分別發生在傾角 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 熱管啟動溫度最低，啟 動溫差最小，當 量導熱率最高。Yeonghwan Kim 等[11]實 驗研究了充液率和傾角對內徑為25 mm 銅—水重力熱管的蒸發和冷凝傳熱的影響，結果表明在傾角為30°，充 液率為 0.5 時重力熱管具有最佳傳熱性能。杜海燕[12]實 驗得到不同工質最佳傳熱傾角不同，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驗臺，通 過調節三種充液率重力熱管工作傾角及加熱功率，分 析了傾角變化對壁溫，蒸 發段傳熱系數和冷凝段傳熱系數的影響，以 期望為重力熱管的工程應用提供實驗數據及理論支撐。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

不銹鋼—水重力熱管傳熱特性實驗研究系統主要由重力熱管，電 加熱裝置，水 冷卻裝置，數 據測量和采集系統以及輔助系統組成，如 圖 1 所示。

圖1 重力熱管傳熱特性實驗系統圖

重力熱管蒸發段由 1.2 mm 厚鎳鉻電阻絲均勻螺旋纏繞在熱管下半部分構成，與 30V-10A 穩壓電源正負極相連，通 過改變輸入電壓和電流達到所需的功率要求。實驗在管壁外包裹3 mm 陶瓷纖維保溫棉使熱管與環境的散熱損失最小化。

重力熱管冷凝段套有長800 mm，內徑 46 mm 的有機玻璃套管，在 套管上下端外伸長 50 mm，外 徑20 mm 的有機玻璃管作為冷卻水進出口。冷側采用17±0 .2 ℃的自來水對流冷卻。在水箱出口處依次設置轉子流量計和球閥，通 過調節閥門開度大小來調節控制冷卻水流量。

實驗使用 K 型熱電偶和四臺 CENTER-309 四通道溫度記錄儀表進行數據測量和采集。數 據每 2s 讀取并記載一次，每 組工況測量結束后通過配套軟件記錄數據。

1.2 熱管參數及熱電偶布置

實驗用重力熱管的規格參數及研究參數詳情見表1。實 驗中熱管是傾斜布置，因 此工質不能均勻地潤濕管壁，為 探求熱管工作時周向及軸向管壁溫度變化，實驗共使用六組熱電偶對稱分布在不同高度管壁兩側。圖 2 為重力熱管熱電偶測點分布圖，其 中蒸發段，絕熱段和冷凝段熱電偶組數比為3:1:2。此外，在 冷卻水套的入口和出口各設置一個熱電偶，實 驗共用14 個熱電偶。

表1 熱管的重要特征及實驗研究參數

圖2 熱電偶分布圖

2 實驗結果及分析

2.1 壁溫特性

以35°到 90°為 研究對象，本 節研究了不同充液率在100 W 條件下傾角變化對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兩條母線上壁面溫差軸向分布的實驗結果，圖 中所示值為下側壁溫減上側壁溫。

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段，管 壁上側與蒸發形成的氣泡之間有一層薄液膜，管 壁下側主要是氣泡的滑移運動，液 膜蒸發效應使得上側管溫低于下側管溫。相同蒸發段長度下，不 同充液率的熱管因液池高度不同其兩側軸向溫差不同。由圖 3 可以清晰地發現充液率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 管壁上測溫度小于管壁下測溫度。由于流動阻力影響，冷凝段頂端部分蒸汽流速較小，故 冷凝段熱管兩側溫度差異相對較小，且 距蒸發段越遠溫差越小。這是由于傾角的作用，冷 凝段出現了上層蒸汽和下側冷凝液分層流動現象，所 以上側壁溫高于下側。

2.2 啟動特性

2.2.1 傾角對啟動溫度的影響

熱管自加熱起至冷凝段溫度突升這一段時長稱為啟動時間，某 組工況下相應的蒸發段溫度為啟動溫度，這二者是衡量熱管啟動特性的重要因素。本節以三根重力熱管為研究對象，研究了在 50 W 加熱功率下傾角對重力熱管啟動特性的影響。如 圖4 所示，對 于啟動溫度來說，不 同傾角重力熱管其變化趨勢呈近似“M”型，且 不同傾角下充液率 15%，30%及45%的啟動溫度的差值在8.0%，7.6%及 8.3%，這 說明傾角對同一充液率的啟動溫度影響不大。這可能是因為傾斜只影響管內工質狀態，等 量充液率的起沸狀態不被改變。

圖4 傾角對啟動溫度的影響

2.2.2 傾角對啟動時間的影響

如圖5 所示，對 于不同傾角重力熱管來說，啟 動時間的變化趨勢均大致為先減小后增大，其 中工作傾角為65° 時 啟動時間最短。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 發段工質蒸發形成的氣泡流動至冷凝段的阻力變小，但 是下壁面潤濕面積較大，使 得啟動階段時間變長。隨著傾角的增加，冷凝液回流阻力變小，啟 動時間縮短。而傾角越大，重 力軸向分量越大，蒸 發段產生的氣泡需要更大的膨脹功脫離液池，能 量積累階段時間變長，啟 動時間亦會增加。所以存在一個最佳傾角或最佳傾角范圍，使得重力熱管的啟動時間最短。

圖5 傾角對啟動時間的影響

2.3 傳熱特性

基于實驗所得數據，本節以 35° 到 90° 為 研究對象，研 究不同充液率在 100 W 加熱功率下，傾 角對重力熱管蒸發及冷凝傳熱系數的影響。

2.3.1 傾角對蒸發段傳熱的影響

蒸發傳熱系數一般用式（1）[9]計 算：

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

圖6 和圖 7 分別為蒸發段上下表面傳熱系數隨傾角變化的實驗結果。由圖6～7 可知，不 同充液率蒸發段上表面傳熱系數均低于下表面傳熱系數。這是由于傾角越小，重 力的軸向分量越小，使 得氣泡攜帶液態工質向冷凝段運動的阻力變小。相比蒸發段上表面，傾 角越小下表面潤濕區域越大。小傾角工況下，蒸發段上表面的傳熱主要發生在管壁和貼附其上的氣團之間，局 部可能發生干涸極限，故 傳熱系數較低。隨著傾角增大，蒸 發段管壁上表面濕潤區域增加，局 部干涸現象減弱，氣 泡與管壁間液膜逐漸穩定且換熱系數逐漸增大。但當傾角增加到一定值時，液 膜的蒸發強度下降使得傳熱系數降低。隨著傾角的增大，重 力的軸向分量增大，從 而冷凝液流動動力增加大于氣泡滑移效應，故 傳熱系數呈現先增大后減小的趨勢。

圖6 蒸發段上表面的傳熱系數

圖7 蒸發段下表面的傳熱系數

不同充液率重力熱管受傾角的影響程度不同，這是因為當液體量較少時，蒸 發段液池受氣泡運動的影響大。并且充液率低的熱管其蒸發段長度中干燥區域占比大，蒸發段熱傳遞也受到干燥區域的影響。由圖可見，當 充液率為 30%時，小 傾角變化對蒸發傳熱的影響最明顯。結果表明，15%，30%和 45%充液率的蒸發段最大傳熱系數分別出現在55°，5 5°和 65°。

2.3.2 傾角對冷凝段傳熱的影響

冷凝傳熱系數一般用式（2）、（3）[9]計 算：

式中：hc為重力熱管冷凝段傳熱系數，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為冷卻水套進口水溫，℃ 。

冷凝段上下表面傳熱系數隨傾角變化規律如圖 8和圖9 所示。由 圖可見，不 同充液率冷凝段上表面傳熱系數均低于下表面傳熱系數。這是由于傾角作用使得下壁面的冷凝液相對更厚且均勻，下 側冷凝段壁溫更低，與冷卻水換熱程度更低。在充液率 15%，30%和45%范圍內，更多液態工質隨著氣泡的運動流向冷凝段，使 得冷凝段不參與冷凝的液體含量增多，導 致傳熱效果變差，故 冷凝段上下表面傳熱系數均隨充液率的增加而降低。

圖8 冷凝段上表面的傳熱系數

圖9 冷凝段下表面的傳熱系數

由圖8 和圖9 可見，重力熱管冷凝段傳熱系數隨傾角的增加呈先增后減的趨勢。其中當充液率為15%，30%和45%時，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。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 而重力熱管與冷環境傳熱效果變好。但當傾角增大到一定值時，過 大的冷凝液回流速度使得傳熱不充分，傳 熱的效果會變差。

3 結論

本文通過對不銹鋼—水重力熱管的實驗研究，在 改變不同充液率熱管的工作傾角下，探 究傾角對熱管壁溫及傳熱特性的影響，得 出以下結論：

1）傾 角對啟動溫度影響不大，但 啟動時間隨傾角的增加均出現先減小后增大的特點，且 最佳啟動傾角為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。蒸發段上下管壁溫差較大且在液池高度附近處達到最大。絕熱段溫差相近，平 均溫差在 0.6 ℃左右。冷凝段兩側溫度均差異相對較小。

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