无吸液芯径向热管的温度特性

焦永刚，　王乐民，　王　磊

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄　050043)



无吸液芯径向热管的温度特性

焦永刚，王乐民，王磊

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄050043)

摘要：围绕径向热管的等温性能，对无吸液芯径向热管的外管壁面和内管壁面的温度特性进行了实验研究，分析了不同充液率和不同控制温度下，无吸液芯径向热管管壁的温度分布以及径向热管的换热机理。通过实验研究发现，径向热管轴向不仅具有良好的等温性能而且具有良好的温度稳定性；由于热管本身比较大的等效热容，使得径向热管对温度波动具有明显的衰减作用。

关键词：等温；径向热管；稳定性；充液率

0引言

温度均匀性是热管的重要特点之一，而等温环境在工程应用中具有重要意义，比如，各类温度计量标准器具及工作计量器具的检定/校准都要提供检定/校准的温度场，不同种类，不同等级的计量器具对温场的均匀度要求亦不相同。再比如半导体材料的生长中，等温环境对材料生长的品质具有决定性的影响。在化工生产领域，为了防止露点腐蚀需要很好地控制换热器的壁温。形成等温环境的途径有很多，充分利用热管的等温特点与其他领域相结合越来越引起众多学者的注意。

图1　套管式径向热管示意图(Faghri)

最早提出径向热管(套管式热管)结构的是Faghri[1-2]。Faghri虽然提出了套管式径向热管的结构，但对热管的研究仍然是轴向的导热性能，即沿径向热管整个长度方向上分成了冷凝段和蒸发段，其结构如图1所示。实验用热管是由两根同心不同径的管道构成，在两个管道之间形成环行换热区域，吸液芯布置在外管的内部和内管的外部。与传统热管相比，这样的构造能明显的增强单位长度的热容量，因为从横截面来看，蒸发段和冷凝段的吸液面积均增大了。

按常规热管的分析方法，Faghri对套管式热管的分析分为蒸汽工质的流动换热、吸液芯内液体工质的流动以及汽液界面的蒸发冷凝3部分，并且指出不同的热管结构液芯内液体工质的流动以及汽液界面的蒸发冷凝这两部分的分析方法基本类似，文献主要针对环形通道内蒸汽的流动建立了可压缩流与不可压缩流模型，分析了环形通道内蒸汽的流动特性，以及热管的工作极限。

国内对于径向热管的研究主要集中在实验研究，虞斌等[3]对径向热管启动性能的研究表明，在不同的冷源流体雷诺数和加热热流密度条件下，径向热管都能正常平稳启动，且重复性能好。胡爱凤等[4]对径向热管进行的实验研究表明，径向热管换热系数随热流密度的增大而增大，但增加的幅度逐渐减小。涂福炳等[5-7]也对径向热管的换热特性进行了实验研究。

从以上分析可以看出，国外关于径向热管的研究文献很少，且都以Faghri提出的热管结构为基础，主要分析了热管的轴向流动及传热情况。国内对径向热管的研究主要集中在实验研究，并且主要围绕径向热管的换热性能，对径向热管的等温性能关注很少，且没有文献对径向热管内壁面的温度分布进行研究。本文主要针对径向热管的等温性能进行实验研究，特别测量了径向热管内管壁面的温度特性。

1径向热管结构及实验系统

无吸液芯径向热管的结构如图2所示。径向热管由内管、外管、端盖以及工质组成，热管水平放置。

常温热管中的工质为水，管壁材料为碳钢，为了增加管内工质充灌量，内管采用偏心设置。外管壁为蒸发端，管壁四周加热，管内工质受热蒸发，蒸汽在内管壁遇冷凝结释放出热量。

径向热管性能测试系统如图3所示，径向热管外部缠绕电加热丝，外部电源提供输入功率。加热丝外面包裹保温材料。热管外壁面温度通过布置的贴片式热电阻温度计测量，由于圆周的对称性，5个测点等距离布置在外管壁的半个周向，分别是A、B、C、D和E点。外管壁面轴向选取了3个测点，分别是E、F和G点，3个点间隔7 cm。温度测量设备是铂电阻温度计和高精度测温电桥。内壁面温度由手持式热电阻温度计测量。热电阻温度计的测量精度是±0.05 K，测温电桥的测量精度为±0.005 K。

图2　径向热管示意图

图3　实验系统示意图

在热管性能研究中一般采用控制功率的加热方式，本文中为了研究热管的等温性能，采用控制温度的加热方式，热源温度分别控制在343 K、353 K、363 K和373 K，热源温度的控制精度为±0.5 K。

等温特性是径向热管的主要特点，在测量内管等温性能时，等距离选取了4个测点，4个测点的位置分别位于距离中心0、5、10、15 cm处，由于使用手持式铂电阻温度计测量管内温度，内管的管口处无法做到很好的保温，出口处的温度受外界环境温度的影响很大，出口处的温度没有测量。

2实验结果

2.1径向热管内管的等温性能

图4反映了不同充液率时内管的温度分布。从图4(a)可以看出，当控温温度为343 K时，15%和30%充液率的温度均匀性低于充液率为45%和60%。从图4(b)、(c)和(d)看，除了充液率15%，其他充液率时内管的温度均匀性都很好。综合各图，不同控温温度下，充液率15%时，内管的等温性能最差，这主要是由于充液率少，热管工作时，在内管壁面无法形成连续均匀的液膜，使得不同点的温度差异较大。充液率45%和60%时，内管等温性能都很好。

图4　不同控温温度时内管温度分布

由以上分析可以看出，在内管壁面形成稳定连续的液膜有助于保持内管的温度均匀性。形成连续的液膜需要从两个方面考虑，一是增加充液率，二是提高控温温度或者是增加输入功率。

与轴向热管传热相比，径向偏心热管具有较好的轴向等温性能。在轴向热管中， 当工质沿轴向流动时，热量沿轴向从蒸发段向冷凝段传递，受管横截面的限制以及管内蒸汽流速等的影响，存在明显的温降；而径向偏心热管是径向传热，沿管长方向基本处于同一饱和蒸汽温度范围，所以在热管轴向上具有很好的等温性，而沿管周向会出现不等温性。

图5考察了内管轴向以内管中心点为中心的不同长度内的最大温差，由4幅图比较可以看出，在不同的充液率下，控温温度对最大温差的影响不明显。在图5(b)中，控温温度为343 K时的曲线明显不同与其他曲线，在内管长度20 cm和30 cm的范围内的最大温差要明显大于其他控温温度，这是因为此时由于控温温度较低，在内管壁面没有形成连续的液膜。由图5(a)可以看出，当充液率为15%时，随着长度的增加，最大温差也增大，在内管长度30 cm的范围内，最大温差可达4 K左右。

图5　不同充液率时内管最大温差

在充液率45%和60%时，不同长度内均具有很好的等温性，在充液率45%时，长度10 cm范围内的最大温差是0.44 K，长度20 cm范围内的最大温差是0.49 K，长度30 cm范围内的最大温差是0.68 K，最大温差均未超过1 K。在充液率60%时，长度10 cm范围内的最大温差是0.31 K，长度20 cm范围内的最大温差是0.32 K，长度30 cm范围内的最大温差是0.54 K。

为了全面反映径向热管的等温性能，还对中心点的温度稳定性进行了测试，一小时内中心点的温度稳定性如图6所示。由图6可以看出不同充液率时，温度稳定性虽然没有明显的规律，但温度波动的最大值不超过0.18 K，说明径向热管不但具有很好的等温性能而且稳定性也很好。

热管内壁面温度的波动主要来自热源的温度波动，由于热源是电炉丝加热，热源温度不可能控制在一个恒定温度，根据测量仪表显示，热源温度的波动为±0.5 K，由于热管管壁、吸液芯以及工质热容的影响，还有工质蒸发冷凝传热过程的影响，所以径向热管对温度波动有较大的衰减作用。

2.2径向热管对温度波动的衰减作用

在前面的分析中可以看到，径向热管内管温度波动的最大值不超过0.18 K；而同时外管壁热源的波动为±0.5 K，说明径向热管对温度波动具有明显的衰减作用。为了进一步认识径向热管对温度波动的衰减作用，又进行了如下实验，将热源的温度波动分别控制在1 K和2 K的范围内，监测热管内管壁的温度波动。

图7是热源温度波动1 K时，内管壁温的波动值。由图7可以看出，当热源温度进行周期性波动时，内管管壁温度也是周期性波动，但是从时间上看，内管管壁温度的波动要滞后于热源温度的波动，这主要是由于热量传递的滞后造成的。从波动幅度上看，热源的温度最大波动值为0.8 K，这主要是由于控制系统无法准确控制到1 K，以实际测量值为准。内管壁面的温度最大值为343.25 K，波动的最小值为343.12 K，波动差值为0.13 K。内管管壁温度波动幅度为热源波动幅度的16.25%。

图6　热管内管温度稳定性

图7　热源温度波动1 K时内管壁的温度波动

图8是热源温度波动2 K时，内管壁温的波动值。图8中曲线的波动规律与图7相似。从波动幅度上来看，热源的温度最大波动值为2 K。内管壁面的温度最大值为343.87 K，波动的最小值为343.01 K，波动差值为0.86 K。内管管壁温度波动幅度为热源波动幅度的43%。径向热管对温度波动的衰减作用主要是由于热管本身的热容引起的，热管的热容大衰减作用明显。

2.3径向热管外管壁面的温度特性

图9是控温温度353 K时热管外壁面周向的温度分布。由图9可以看出，在充液率为15%时，外壁面不同点之间的温度差较大，其他充液率时差异不大。这反映了充液率较小时，热管内液体工质所占体积和气体工质所占体积之差较大，受外管壁本身导热和管内蒸汽温度的双重影响都较大。另外，外壁面的温度分布是不均匀的，上部的温度要高于下部的温度，这是因为热管的外壁面四周受热，输入的热量不仅用来加热热管内的液体工质，也加热热管内的气体工质，气体工质在上升过程中被加热，形成了热管内部空间上部温度高下部温度低的温度分布。

图8　热源温度波动2 K时内管壁的温度波动

图9　353 K时外壁面温度分布

图10　外管壁周向最大温差

不同控温温度时，热管外壁面的周向最大温差如图10所示。由图10可以看出，随着控温温度的增加，热管外壁面周向温差也越大，这主要是因为，控温温度增加，热管的工作温度也增加，热量传递更剧烈。另外，由图还可以看出，充液率15%时，热管外壁面的周向温差最大，这主要是因为低充液率时，管内液体工质少，外壁面主要靠导热进行热量的传递，管内由于充灌量少，工作状态不稳定。而充液率在30%、45%和60%的时候，热管外壁面周向的温差变化不大。当充液率为60%、控温温度为373 K时，周向最大温差也未超过6 K。

3结论

通过对径向热管内外壁面温度的测量，得到如下结果，充液率对热管的等温性能有影响，充液率45%和60%比充液率15%和30%时等温性能要好；当充液率60%时、长度10 cm范围内的最大温差是0.31 K，长度20 cm范围内的最大温差是0.32 K，长度30 cm范围内的最大温差是0.54 K。径向热管内管不仅具有很好的等温性能而且还具有很好的稳定性，当热源温度波动为±0.5 K时，中心点温度波动的最大值不超过0.18 K，说明热管由于较大的等效热容，对于温度波动具有明显的衰减作用。

参考文献

[1]Faghri A, Thomas S. Performance characteristics of a concentric annular heat pipe：Part 1-Experimental prediction and analysis of the capillary limit[J]．Journal of Heat Transfer,1989,111:844-857.

[2]Faghri A, Parvani S. Numerical analysis of laminar flow in a double-walled annular heat pipe[J], Journal of Thermophysics and Heat Transfer，1988,2:165-169.

[3]虞斌.同轴径向传热热管传热性能的初步实验研究[J].石油化工设备技术,2000, 21( 3) 36-42

[4]胡爱凤,杨学忠.无吸液芯径向热管的传热机理研究[J].南京工业大学学报，2005(1):51-55.

[5]涂福炳,许欣,周孑民,张岭.同轴径向热管传热特性实验研究[J].中南大学学报：自然科学版，2011(4): 1145-1149.

[6]杨峻,张红,庄骏,等.径向偏心重力热管的传热性能分析[J].南京工业大学学报，2010，32(6):75-79.

[7]C M Shi, W Yang, C J Xu. Experimental Study and Analysis on Heat Transfer Coefficient of Radial Heat Pipe[J]. Journal of Thermal Science， 2010, 19(5):425-429.

The Isothermal Characteristics of the Radial Heat Pipe without Wick

Jiao Yonggang,Wang Lemin,Wang Lei

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Abstract:Radialheat pipe has more advantages than axial heat pipe in terms of isothermal. This paper presents an experimental investigation of the radial heat pipe behaviors in isothermal characteristics. In this paper, the heat transfer mechanism of radial heat pipe is analyzed under different controlled temperature and different fill ratios. The results show that radial heat pipe not only has good isothermal performance, but also has good temperature stability. Moreover，the radial heat pipe has a damping effect on the temperature fluctuations because of its equivalent heat capacity.

Key words:isothermal； radial heat pipe； stability； filling rate

中图分类号：TK172.4

文献标志码：A

文章编号：2095-0373(2016)01-0069-06

作者简介：焦永刚(1976-),男,博士,副教授，主要从事高效换热技术的研究。E-mail:jyg76@sohu.com

收稿日期：2015-03-03责任编辑:刘宪福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.13

焦永刚，王乐民，王磊.无吸液芯径向热管的温度特性[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(1):69-74.