倾角对不同充液率重力热管性能的影响

2021-04-25张瑞瑛郑庆红贾雷雷张梦远

建筑热能通风空调 2021年3期

张瑞瑛郑庆红贾雷雷张梦远

西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院

0 引言

随着经济迅猛发展，能源消耗速度随之增长[1]，节能技术和强化换热技术已成为研究能源利用领域里的热点课题。其中充分利用热传导与相变换热原理的热管技术已被广泛的应用在电子元器件散热[2]，余热回收系统[3]，铁路运输系统[4]，储煤降温系统[5]，太阳能发电[6]，太阳能热水器[7]以及太阳能热泵系统[8]等系统和装置中。

重力热管在实际工程中常常不平行于重力场方向使用，不同倾角工作条件下的重力热管呈现的传热性能不尽相同。因此，国内外学者们针对倾角对重力热管传热性能的影响展开了探索性研讨。K hazaee 等[9]对内径为 15 mm 和 25 mm 的铜—水热管变倾角传热特性的实验结果表明，传热系数随着倾角增加呈现先增后减的变化趋势，蒸发段和冷凝段最大换热系数分别发生在倾角 40～60° 和 35～55° 之间，40～50° 为热管最佳倾角。王鑫煜等[10]研究表明，工作倾角为60° 的热管启动温度最低，启动温差最小，当量导热率最高。Yeonghwan Kim 等[11]实验研究了充液率和倾角对内径为25 mm 铜—水重力热管的蒸发和冷凝传热的影响，结果表明在倾角为30°，充液率为 0.5 时重力热管具有最佳传热性能。杜海燕[12]实验得到不同工质最佳传热倾角不同，乙醇、不同浓度乙醇水溶液和纯水重力热管的最佳倾角及倾角范围分别为30°、4 5°和 45～60°。

本文通过自行搭建的不锈钢—水重力热管传热性能实验台，通过调节三种充液率重力热管工作倾角及加热功率，分析了倾角变化对壁温，蒸发段传热系数和冷凝段传热系数的影响，以期望为重力热管的工程应用提供实验数据及理论支撑。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

不锈钢—水重力热管传热特性实验研究系统主要由重力热管，电加热装置，水冷却装置，数据测量和采集系统以及辅助系统组成，如图 1 所示。

图1 重力热管传热特性实验系统图

重力热管蒸发段由 1.2 mm 厚镍铬电阻丝均匀螺旋缠绕在热管下半部分构成，与 30V-10A 稳压电源正负极相连，通过改变输入电压和电流达到所需的功率要求。实验在管壁外包裹3 mm 陶瓷纤维保温棉使热管与环境的散热损失最小化。

重力热管冷凝段套有长800 mm，内径 46 mm 的有机玻璃套管，在套管上下端外伸长 50 mm，外径20 mm 的有机玻璃管作为冷却水进出口。冷侧采用17±0 .2 ℃的自来水对流冷却。在水箱出口处依次设置转子流量计和球阀，通过调节阀门开度大小来调节控制冷却水流量。

实验使用 K 型热电偶和四台 CENTER-309 四通道温度记录仪表进行数据测量和采集。数据每 2s 读取并记载一次，每组工况测量结束后通过配套软件记录数据。

1.2 热管参数及热电偶布置

实验用重力热管的规格参数及研究参数详情见表1。实验中热管是倾斜布置，因此工质不能均匀地润湿管壁，为探求热管工作时周向及轴向管壁温度变化，实验共使用六组热电偶对称分布在不同高度管壁两侧。图 2 为重力热管热电偶测点分布图，其中蒸发段，绝热段和冷凝段热电偶组数比为3:1:2。此外，在冷却水套的入口和出口各设置一个热电偶，实验共用14 个热电偶。

表1 热管的重要特征及实验研究参数

图2 热电偶分布图

2 实验结果及分析

2.1 壁温特性

以35°到 90°为研究对象，本节研究了不同充液率在100 W 条件下倾角变化对重力热管管壁温度的影响。图3 所示为重力热管管壁上下侧两条母线上壁面温差轴向分布的实验结果，图中所示值为下侧壁温减上侧壁温。

图3 不同倾角工况热管轴向温差分布图

由图 3 可以看出，倾角作用使得轴向管壁上下侧壁温有不同程度的差别，温差随着倾角的增加而减小。倾斜布置的热管蒸发段，管壁上侧与蒸发形成的气泡之间有一层薄液膜，管壁下侧主要是气泡的滑移运动，液膜蒸发效应使得上侧管温低于下侧管温。相同蒸发段长度下，不同充液率的热管因液池高度不同其两侧轴向温差不同。由图 3 可以清晰地发现充液率15%，30%和45%的重力热管，分别在200 mm，400 mm和 520 mm 处温差有急剧变化，平均最大温差约6.81 ℃，最大温差发生在低充液率小倾角工况，约 7.33 ℃左右。不同充液率的绝热段温差相近，平均温差在0.6 ℃左右，且管壁上测温度小于管壁下测温度。由于流动阻力影响，冷凝段顶端部分蒸汽流速较小，故冷凝段热管两侧温度差异相对较小，且距蒸发段越远温差越小。这是由于倾角的作用，冷凝段出现了上层蒸汽和下侧冷凝液分层流动现象，所以上侧壁温高于下侧。

2.2 启动特性

2.2.1 倾角对启动温度的影响

热管自加热起至冷凝段温度突升这一段时长称为启动时间，某组工况下相应的蒸发段温度为启动温度，这二者是衡量热管启动特性的重要因素。本节以三根重力热管为研究对象，研究了在 50 W 加热功率下倾角对重力热管启动特性的影响。如图4 所示，对于启动温度来说，不同倾角重力热管其变化趋势呈近似“M”型，且不同倾角下充液率 15%，30%及45%的启动温度的差值在8.0%，7.6%及 8.3%，这说明倾角对同一充液率的启动温度影响不大。这可能是因为倾斜只影响管内工质状态，等量充液率的起沸状态不被改变。

图4 倾角对启动温度的影响

2.2.2 倾角对启动时间的影响

如图5 所示，对于不同倾角重力热管来说，启动时间的变化趋势均大致为先减小后增大，其中工作倾角为65° 时启动时间最短。这是由于倾斜工作的热管受重力轴向分量的影响，倾角越大，重力轴向分量越大。倾角越小，热管径向重力分量越大，蒸发段工质蒸发形成的气泡流动至冷凝段的阻力变小，但是下壁面润湿面积较大，使得启动阶段时间变长。随着倾角的增加，冷凝液回流阻力变小，启动时间缩短。而倾角越大，重力轴向分量越大，蒸发段产生的气泡需要更大的膨胀功脱离液池，能量积累阶段时间变长，启动时间亦会增加。所以存在一个最佳倾角或最佳倾角范围，使得重力热管的启动时间最短。

图5 倾角对启动时间的影响

2.3 传热特性

基于实验所得数据，本节以 35° 到 90° 为研究对象，研究不同充液率在 100 W 加热功率下，倾角对重力热管蒸发及冷凝传热系数的影响。

2.3.1 倾角对蒸发段传热的影响

蒸发传热系数一般用式（1）[9]计算：

式中：he为重力热管蒸发段传热系数，W/(m2· K)；Qin为蒸发段管外壁向管内工质的传热量，W ；D为重力热管外径，m；Le为重力热管蒸发段长度，m ；为蒸发段外壁平均温度，K；为绝热段外壁平均温度，K 。

图6 和图 7 分别为蒸发段上下表面传热系数随倾角变化的实验结果。由图6～7 可知，不同充液率蒸发段上表面传热系数均低于下表面传热系数。这是由于倾角越小，重力的轴向分量越小，使得气泡携带液态工质向冷凝段运动的阻力变小。相比蒸发段上表面，倾角越小下表面润湿区域越大。小倾角工况下，蒸发段上表面的传热主要发生在管壁和贴附其上的气团之间，局部可能发生干涸极限，故传热系数较低。随着倾角增大，蒸发段管壁上表面湿润区域增加，局部干涸现象减弱，气泡与管壁间液膜逐渐稳定且换热系数逐渐增大。但当倾角增加到一定值时，液膜的蒸发强度下降使得传热系数降低。随着倾角的增大，重力的轴向分量增大，从而冷凝液流动动力增加大于气泡滑移效应，故传热系数呈现先增大后减小的趋势。

图6 蒸发段上表面的传热系数

图7 蒸发段下表面的传热系数

不同充液率重力热管受倾角的影响程度不同，这是因为当液体量较少时，蒸发段液池受气泡运动的影响大。并且充液率低的热管其蒸发段长度中干燥区域占比大，蒸发段热传递也受到干燥区域的影响。由图可见，当充液率为 30%时，小倾角变化对蒸发传热的影响最明显。结果表明，15%，30%和 45%充液率的蒸发段最大传热系数分别出现在55°，5 5°和 65°。

2.3.2 倾角对冷凝段传热的影响

冷凝传热系数一般用式（2）、（3）[9]计算：

式中：hc为重力热管冷凝段传热系数，W/(m2· K)；Qout为冷凝段管外壁向冷却水的传热量，W ；D为重力热管外径，m ；Lc为重力热管冷凝段长度，m ；为冷凝段外壁平均温度，K ；Tout为冷却水套出口水温，℃ ；Tin为冷却水套进口水温，℃ 。

冷凝段上下表面传热系数随倾角变化规律如图 8和图9 所示。由图可见，不同充液率冷凝段上表面传热系数均低于下表面传热系数。这是由于倾角作用使得下壁面的冷凝液相对更厚且均匀，下侧冷凝段壁温更低，与冷却水换热程度更低。在充液率 15%，30%和45%范围内，更多液态工质随着气泡的运动流向冷凝段，使得冷凝段不参与冷凝的液体含量增多，导致传热效果变差，故冷凝段上下表面传热系数均随充液率的增加而降低。

图8 冷凝段上表面的传热系数

图9 冷凝段下表面的传热系数

由图8 和图9 可见，重力热管冷凝段传热系数随倾角的增加呈先增后减的趋势。其中当充液率为15%，30%和45%时，重力热管在倾角为65°，6 5° 和 55°取得冷凝段下表面最大传热系数。这是由于小倾角工况下冷凝液回流速度较慢，使得冷凝段换热量较小。冷凝液回流速度随倾角增加而增大，从而重力热管与冷环境传热效果变好。但当倾角增大到一定值时，过大的冷凝液回流速度使得传热不充分，传热的效果会变差。