沟槽式平板铝热管设计与性能分析

沈玉琴，陆龙生，张仕伟，黄光汉

(华南理工大学机械与汽车工程学院，表面功能结构先进制造广东普通高校重点实验室，广东广州510641)

平板热管是灌有二相流体的密闭容腔，依靠热管内部工作介质 (工质)的流动和相变来实现热量传递［1］。轴向槽道热管的流体通道是带有微小液压直径的微槽道［2］，对于槽道形式的吸液芯，最早见于KEMME 在 1966 年［3］和 1969 年［4］的报告，他指出槽道界面张力具有使液相工作介质回流从而实现吸液芯的功能。沟槽式平板铝热管质量轻、厚度薄、强度可靠，是各种热控制装置的优先选择［5－6］。随着能源危机和环境污染的不断逼近，太阳能将不可避免地占领未来能源市场［7－8］。中国太阳能丰富，年度总太阳能辐射超过5 020 MJ/m2，太阳能应用得到普遍关注，太阳能集热器在全国广泛应用［9－10］。应用于太阳能集热器的热管可以解决温度太低、管道腐蚀等传统太阳能集热器带来的问题［11］。有别于微电子行业常采用的铜－水微热管，应用于太阳能平板集热器的热管常采用纯铝制造，蒸发段占总长的比例大，截面采用矩形沟槽式结构。因此，面向太阳能平板集热器的沟槽式平板铝热管的设计有着特殊性，需要开展专门的研究。

1 沟槽式平板热管在平板集热器的应用

平板集热器是当今世界最普遍用于家用热水器的集热器。第一个精确的平板太阳能集热器模型是由HOTTEL等在20世纪50年代研制而成［12］。平板型太阳能集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成，其中外壳包括盖板、框架、底板，如图1所示。

平板型太阳能集热器结构简单、运行可靠、成本适宜，同时具备承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。

图1 平板太阳能集热器结构

2 沟槽式平板铝热管的设计

热管设计的任务是根据热管工作条件及其使用要求对工质和管壳材料、管壳几何尺寸和管芯结构进行优化设计。

2.1 管芯或者毛细结构

管芯设计时，需要考虑一下特性:

(1)管芯的毛细压力

对于一些弯月面为柱形的毛细芯，例如轴向槽及周向槽，其最大毛细压力按式 (1)计算，即

rc为有效毛细孔半径，式中最小弯月面半径Rmin与rc的关系按式 (2)。一般的丝网和烧结芯，其θ≈0°，即cosθ≈1，但对于槽道毛细芯，在计算其最小弯月面半径时应考虑θ角的影响。

对于矩形槽道毛细芯，Rmin与rc分别按式 (3)和 (4)计算:

(2)管芯热阻

矩形槽道管芯可以看成槽道肋脊和液体的并联结构。对于冷凝段，其有效导热系数按并联热阻模型计算，则其有效导热系数如下［13］:

然而，蒸发段则由两条热流通路并联，其有效导热系数为

2.2 管壳的形状及结构

采用平板式热管管壳可以方便地将平板热管贴放在集热板上，而且平板式的管壳和集热板是面与面结合，热流量传递效率更高。

综合工质和管壳材料选择原则，选择铝6063选作管壳材料。铝6063是代表性的挤出用合金，挤出性能良好，通过挤压成型可以很方便地制造出轴向槽道。工质选用丙酮。采用矩形沟槽槽道，矩形沟槽的尺寸定为ω=0.5 mm，δ=0.7 mm。

热管和沟槽的几何尺寸及由上述公式得出的特性分别如表1—2所示。

表1 整体结构尺寸和特性

表2 沟槽尺寸和特性

2.3 管壳的强度计算

热管不工作时，一般处于负压状态 (低温热管除外)，外界压力一般为大气压力，故可不考虑管壳失稳的问题，因而管壳的设计主要从强度考虑［14］。热管带模型面积可见图2，其中p=饱和蒸汽压力－外界大气压。

图2 热管带模型各部分面积示意图

设横截面上受应力σ'，则有:σ'S－pA=0，即:

设纵截面上受应力 σ″，带长 L，宽度 W，则σ″(L·4d)=pWL，即:

由此，得到σ'和σ″计算公式，代入相应数据进行计算。取饱和蒸汽压力0.5 MPa，则p=0.4 MPa，计算得:σ'≈0.566 MPa，σ″≈6.01 MPa，热管带的强度在6063铝合金力学性能范围内，明显安全;且伸长应力σp0.2≥110 MPa，故变形也很小。

2.4 工质的充装量

工质充装量将按管芯而定，计算时原则上应考虑:工作蒸汽温度下管芯内液体工质及蒸汽空间内饱和蒸汽，计算如式 (9):

式中:m为工质总的质量，Vw为芯内的实际空间容积，Vv为热管蒸汽空间容积，ρl及ρv为工作温度下的液体工质及饱和蒸汽之密度。

由克拉伯龙方程式可得其饱和蒸汽压下的气体密度ρv:

式中:M为物质的摩尔质量，数值上等于物质的分子量;ρv为气态物质的密度;R表示气体常数;T表示绝对温度。热管平均工作温度约为80℃，ρl=720.2 kg/m3，p=214.2 kPa，M=58 g/mol，可 得ρv=4.233 4 g/m3。热管长度为 L=1.2 m，则由式(9)— (11)式得m≈19.2 g。

由于一定温度下工质液体的密度ρl要比此温度下饱和蒸汽的密度ρv要大很多，所以，对于开式轴向槽道热管，可以忽略工作温度下饱和蒸汽的质量，而将工质质量定为液体工质的质量。

3 沟槽式平板铝热管的制造

课题组成员试验所制热管分为3个独立不相通的腔，分别向3个腔进行工质的充装比较困难，因此在中间增加两个加强肋开通孔解决充装均匀分布问题。清洗和烘干后将铝管加热到300℃，用液压钳将热管一端夹断，对热管进行封口。由于抽真空除气系统只能通过φ4 mm的圆管进行抽真空除气，所以通过铜制三通管将平板铝管和φ4 mm铜圆管进行转接。对于挥发性强的工质如丙酮，一般采用先抽真空后充液的充装工艺。工质充装后立即将抽真空一端的铜管夹断、封口以确保真空的质量。

4 性能测试

4.1 测试装置

加热系统主要由调压变压器、数显功率表、电阻加热棒、加热铝块组成。采取自然冷却的方式，通过K型热电偶进行温度测量，利用安捷伦34970A数据采集系统进行数据采集和整理。整体装置如图3。恒温水浴箱可以很方便地调节温度，确保加热段温度均匀性，方便快捷地检测热管是否正常工作。

图3 整体装置分布图

4.2 不凝性气体对热管工作的影响

自然冷却方式下，在30°倾角时，4种热管样品在不同水温下，其工作温度分布如图4。

不凝性气体的产生会在热管工作时，被蒸汽流吹到冷凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶化［15］。它可能由以下几个原因产生:工质分解;管壳腐蚀;管芯堵塞或者管壳泄漏。3号和4号热管是在一个月前完成，从图中可以看出它们的工作长度要比新近完成的1号和2号热管短约20 cm。原因是人为热夹有许多不稳定因素，暂时性封接在一定时间积累下会产生漏气。此外，4种热管的工作长度都不理想，分析原因是真空度不够，实验所用真空系统为机械真空泵，设计方面各种误差导致真空度不足以达到热管所需真空度(10－1Pa)［16］，导致热管残留空气。

图4 不同加热温度下热管的工作长度 (倾角为30°)

4.3 等温性

加热段的长度为30 cm，5个K型热电偶分布在热管表面，分别距离蒸发段端口为100，200，500，700，900 mm。自然冷却时，一号和二号热管在45°倾角，不同输入功率时，其轴向温度分布分别如图5和图6所示。

图5 1号热管不同加热功率下轴向温度分布 (倾角为45°)

图6 2号热管不同加热功率下轴向温度分布 (倾角为45°)

热管是高导热性元件，理论上其轴向温度分布应接近于水平线，但由于测量误差、热电偶和热管的接触电阻以及数据采集系统的误差，导致实际图线有所偏离。

4.4 充液率对热管传热性能的影响

开式槽道热管的理想充液量为槽道体积，但考虑到工质充装过程的各种损失，会适当增加额外的工质，由于工质损失很难计算，所以只能在实验过程中估算。计算的理想充液量为19.2 mL，1号和2号热管充液量分别为24、21 mL。在自然冷却条件下，60°倾角时，两热管在输入功率为60 W时轴向温度分布如图7所示。

图7 加热功率60 W，倾角60°时热管轴向温度分布

充液量对热管的传热性能有很重要的影响，如果充液率低，热管会因为没有足够的工质流入蒸发段而烧干;如果充液率过高，多余的工质则会增加热阻，降低传热性能。考虑到不凝性气体的影响，排除最后一个温度数值。从图7中可以看出:1号热管比2号热管具有更好的等温性，而且温度提高了7%左右，可见24 mL是比较合适的充液量。

4.5 角度的影响

由于研究的热管应用于平板式太阳能集热板，热管与水平面有一定的倾角，方便接收太阳能，所以实验初步探讨了倾角对热管传热性能的影响。自然冷却条件下，2号热管在输入功率为60 W时，不同角度下其轴向温度分布如图8所示。

图8 加热功率60 W，2号热管不同倾角下轴向温度分布

重力可以增强热管的热传输能力，协助工质回流。从图8可看出:2号热管在60°倾角时轴向温度分布比较均匀，而且温度比较高，传热效果最好。槽道的形状、热管的有效工作温度会影响最佳倾角，不同的热管规格具有不同的最佳倾角度数。

4.6 输入功率的影响

通常高的输入功率会使热管轴向温度升高，这是因为增大热流密度会加快蒸发过程［17］。图 5和图 6表示了输入功率对热管温度的影响，热管轴向温度都随着输入功率的增加而提高。同时，输入功率越高，蒸发段和冷凝段的温度差也会越大。自然冷却条件下，在45°倾角，1号和2号热管的轴向温差随输入功率变化见图9。

图9 不同加热功率下热管轴向温度差(倾角为 45°)

如图9所示:温度变化趋势在输入功率为100 W时出现分界点，原因是存在不凝性气体。当加热功率低于100 W时，蒸汽压不足以推动不凝性气体至冷凝段端部。但是当输入功率大于100 W时，管芯的蒸发加强，导致蒸发段热阻增加。这引起温度差的上升。

5 结论

设计并制造了沟槽式平板铝热管，并初步探讨了影响热管的传热性能的一些因素，得出以下结论:

(1)不凝性气体会缩短热管的工作长度，降低热管传热性能，它的产生跟真空度的高低有关，对于先抽真空后充液技术，真空度要求比较高，管壳暂时性封接经过一定时间积累也会导致不凝性气体的产生。

(2)热管传热性能对充液率很敏感，充装过程需要额外的充液量以填补工质损失，文中热管在充液量24 mL时等温性比充液量21 mL时提高了约7%;

(3)沟槽式平板铝热管可以借助重力助推传热过程，其与水平面的倾角最佳度数需根据槽道形状尺寸和热管工作长度而定，此实验热管最佳倾角为60°;

(4)忽略不凝性气体和制造工艺的影响，输入功率增加 (未达到极限功率时)，热管的轴向温度也会增加，蒸发段和冷凝段温度差也相应增加。

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