蒸發(fā)段和冷凝段長度比對銅—水熱管傳熱性能的影響

趙建會 王 豆 段 杰 楊 楠

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蒸發(fā)段和冷凝段長度比對銅—水熱管傳熱性能的影響

趙建會 王 豆 段 杰 楊 楠

（西安科技大學(xué)能源學(xué)院 西安 710054）

以銅-水熱管為對象，設(shè)計了熱管冷凝段的自然冷卻實驗，來探究不同熱管蒸發(fā)段和冷凝段長度比對其傳熱性能的影響。實驗測量了不同熱源溫度下，銅-水熱管蒸發(fā)段/冷凝段分別為1:6、1:3和1:1.5時的冷凝段測點表面溫度。通過對實驗數(shù)據(jù)的對比分析，得出以下結(jié)論：不同蒸發(fā)段和冷凝段長度比下，銅-水熱管冷凝段的溫度均隨蒸發(fā)段溫度的升高而升高，且在熱源溫度較低時均具有良好的等溫性，當(dāng)熱源為45℃，熱管蒸發(fā)段與冷凝段為1:6時，冷凝段溫度與熱源溫度的溫差最小，僅為2.4℃，熱管的等溫性最佳。此研究期望對應(yīng)用于熱管供暖系統(tǒng)，特別是低溫?zé)崴疅峁艿匕遢椛涔┡臒峁苓x型提供基本實驗數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

銅-水熱管；傳熱；蒸發(fā)；冷凝

0 引言

熱管作為一種具有高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，經(jīng)過70多年的發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到了充分發(fā)展與應(yīng)用，如化工、動力、冶金、建材、輕工、航天、電子電工等[1]。隨著我國節(jié)能建筑的普及以及低碳社區(qū)的打造，低能耗的熱管供暖技術(shù)已經(jīng)完全具備了融入綠色節(jié)能建筑設(shè)計條件[2]。

1975年，前蘇聯(lián)就已將熱管應(yīng)用于供暖系統(tǒng)，并對不同類型的熱管做了試驗研究，得出了充水后的熱管沿長度方向的溫度與供熱量的關(guān)系等一系列數(shù)據(jù)[3]。1981年，M Shiraish等建立了兩相閉式熱管的簡單傳熱模型[4]，得到它的傳熱過程。2003年，Jong Soo Kim等人在低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中引入震蕩熱管，進行了相關(guān)的實驗研究，將之與塑料熱管的供熱性能進行對比后，得出了熱管系統(tǒng)的性能系數(shù)要優(yōu)于塑料管的結(jié)論[5]。日本主要將熱管應(yīng)用于地面，如地面融雪、回收余熱的熱交換器及電機冷卻等許多場合[1]。國內(nèi)對于熱管輻射供暖的研究起步較晚，但對于熱管技術(shù)的開發(fā)研究從一開始就有明確的目標，經(jīng)過多年的努力，在20世紀末期，我國的熱管技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用便已處于國際領(lǐng)先水平，工程實踐中也多次應(yīng)用熱管供熱系統(tǒng)，并取得令人滿意的效果[6]。上個世紀80年代，新疆勘察設(shè)計研究院申恩惠利用熱管原理，研制了真空散熱器，在國內(nèi)較早的利用熱管進行供暖方面研究，其后又有清華大學(xué)、航空設(shè)計研究院也進行了該方面的研究。1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王懷彬等人對熱水供暖系統(tǒng)和熱管供暖系統(tǒng)進行了技術(shù)經(jīng)濟性比較，2007年，天津大學(xué)的張于峰，郝斌等人對熱管地板輻射供暖系統(tǒng)的熱工特性進行了研究，2010年撖文輝研究了采用熱管技術(shù)的地板輻射系統(tǒng)的供暖特性[7]。由此可見，熱管在各領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，在建筑供暖系統(tǒng)中的應(yīng)用將會得到前所未有的發(fā)展[8]。

在熱管供暖系統(tǒng)中，熱管的選用參數(shù)尤為重要，而蒸發(fā)段和冷凝段長度比變化影響熱管的傳熱性能。2015年天津大學(xué)的汪健生、馬赫[9]研究了蒸發(fā)/冷凝段長度比對脈動熱管性能的影響發(fā)現(xiàn)隨蒸發(fā)段和冷凝段長度比值增大，脈動熱管啟動時間縮短，且換熱性能有一定提高；但在低充液率時，容易出現(xiàn)“干燒”現(xiàn)象。2017年山東大學(xué)的張勁草[10]等人探究了蒸發(fā)段和冷凝段變化對重力熱管性能的影響，得到加熱段適當(dāng)向冷凝端方向移動有利于熱管的傳熱性能提升，蒸發(fā)段長度的減小對熱管傳熱產(chǎn)生不利影響，實際應(yīng)用中應(yīng)避免的結(jié)論。本文通過熱管冷凝段的自然冷卻實驗，來探究熱管蒸發(fā)段和冷凝段長度比變化對其傳熱性能的影響。

1 銅—水熱管冷凝段的自然冷卻實驗裝置

實驗由恒溫水箱a、循環(huán)泵b、熱水管道c、熱管d、和溫度測量儀e組成。實驗示意圖如圖1所示。恒溫水箱a提供系統(tǒng)所需熱水，在水泵b提供動力的情況下，恒溫水箱熱水沿?zé)崴艿纁流動，在熱管蒸發(fā)段處對熱管d加熱，熱管內(nèi)部的介質(zhì)發(fā)生相變換熱，將熱量從蒸發(fā)段傳送至冷凝段。因為熱管具有很好的等溫性，所以熱管冷凝段的表面溫度與恒溫水箱中的熱水溫度基本相同。在熱管d的表面敷設(shè)熱電阻的溫度探頭，熱電阻另一端連接溫度測量儀e，記錄恒溫水箱溫度1和熱管冷凝段表面溫度2-6。

a. 水箱；b.水泵；c.熱水管；d.熱管；e.溫度測量儀；1.水箱溫度；2~6.熱管冷凝段表面溫度

實驗根據(jù)熱管蒸發(fā)段和冷凝段長度比分別為1:6、1:3和1:1.5，每個工況在熱源溫度為35℃、45℃、55℃、65℃、75℃時，對熱管蒸發(fā)段不同測點位置的溫度進行測量，以此得到銅-水熱管溫度隨熱源溫度改變而變化的規(guī)律。為保證熱管冷凝段的換熱達到穩(wěn)態(tài)，以實驗進行至10min時各測點的溫度為最終溫度。本實驗為銅-水熱管，熱管長度520mm，熱管蒸發(fā)段和冷凝段長度比分別為1:6、1:3和1:1.5時的測點位置如圖2、3、4所示。

圖2 蒸發(fā)段和冷凝段為比1:6時測點位置

圖3 蒸發(fā)段和冷凝段比1:3的測點位置圖

圖4 蒸發(fā)段和冷凝段比1:1.5各測點位置圖

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 不同長度比下熱管冷凝段溫度受熱源溫度的影響

在不同熱源溫度時，蒸發(fā)段和冷凝段比為1:6時各測點溫度如圖5所示。

圖5 蒸發(fā)段和冷凝段比為1:6時各測點溫度隨熱源溫度變化圖

由圖5可以看出，隨著熱源溫度升高，各測點的溫度也逐漸升高，這是因為熱管蒸發(fā)段的溫度升高使蒸發(fā)段內(nèi)的液體工質(zhì)的表面張力減小，液體的密度減小，液體內(nèi)部生成的氣泡脫離液體的頻率加快，從而工質(zhì)循環(huán)的周期減小，增加熱管的傳熱量；另一方面，溫度升高使蒸汽在管內(nèi)的流動速度增加，對冷凝段的液膜產(chǎn)生擾動和破壞，減小冷凝段的換熱熱阻，增大冷凝段的換熱系數(shù)。

不同熱源溫度時，蒸發(fā)段和冷凝段比為1:3時各測點溫度變化情況如圖6所示。

圖6 蒸發(fā)段和冷凝段比為1:3時各測點溫度隨熱源溫度變化圖

由圖6可以看出，隨著熱源溫度的增加，熱管冷凝段的溫度升高，其變化規(guī)律與蒸發(fā)段和冷凝段為比1:6時各測點溫度隨熱源溫度變化基本保持一致。但是熱管冷凝段各測點溫度相對熱源溫度有所降低。

不同熱源溫度時，蒸發(fā)段和冷凝段比1:1.5各測點溫度變化情況如圖7所示。

圖7 蒸發(fā)段和冷凝段比為1:1.5各測點溫度隨熱源溫度變化

由圖7可知，熱管的蒸發(fā)段和冷凝段比1:1.5時，熱管冷凝段的溫度變化情況與熱管1:6工況和1:3變化情況基本相同，即熱管冷凝段的溫度隨著熱源溫度的增加而增加。

2.2 不同長度比下熱管冷凝段溫度隨熱源溫度變化的規(guī)律

為了深入了解熱管銅-水熱管溫度隨熱源溫度改變而變化的規(guī)律，取測點2～6溫度的算術(shù)平均值作為熱管冷凝段溫度，并將熱源溫度與冷凝段溫度進行對比，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 熱管冷凝段溫度和熱源溫度對比圖

由圖8可以看出，在35℃～65℃之間，熱管冷凝段溫度隨著熱源溫度的升高而增大，并且呈線性變化，這說明熱源溫度增加，熱管保持了良好的傳熱性能。當(dāng)熱源熱水溫度超過65℃時，熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差達到9℃左右，此時熱管的等溫性已經(jīng)遭到破壞，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因與熱管的“干涸極限”有關(guān)。其原因在于，隨著熱管蒸發(fā)段溫度的升高，蒸發(fā)段內(nèi)液體工質(zhì)越來越多地蒸發(fā)為汽體而涌至冷凝段，然而由于冷凝段的換熱面積小、對流換熱熱阻大等原因，冷凝段處的汽體工質(zhì)不能快速冷凝而聚集在冷凝段，造成冷凝液不能正?；亓鞫鹫舭l(fā)段“燒干”的現(xiàn)象，因此熱管蒸發(fā)段和冷凝段的溫差變大，即熱管的等溫性將會失效。

可以看出隨著熱源溫度的升高，熱管冷凝段溫度的斜率與熱源保持一致。熱管蒸發(fā)段與冷凝段長度為1:3時，熱管保持了穩(wěn)定的傳熱性能，但是與工況1:6相比，工況1:3在不同熱源時冷凝段的溫度下降了2～3℃。

2.3 不同長度比對熱管冷凝段等溫性的影響

為了衡量熱管冷凝段的等溫性，通過比較不同工況下冷凝段與蒸發(fā)段的溫差，溫差值越小，表明熱管的均勻性越好。不同工況下熱管冷凝段與蒸發(fā)段的溫差如圖9所示。

圖9 三種工況下熱管冷凝段與熱源的溫差

由圖9可以看出，當(dāng)熱管的傳熱達到穩(wěn)定狀態(tài)時，蒸發(fā)段與冷凝段長度比為1:6時，冷凝段與熱源的溫差最小，基本在2℃～3℃之間，熱源在45℃時，溫差達到最小值。隨著蒸發(fā)段與冷凝段比值的減小，溫差有逐漸增大的趨勢。從圖中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)段與冷凝段比值為1:3時，最小溫差為3.6℃，比值為1:1.5時，最小溫差為4.7℃，并且隨著熱源溫度的增加，熱管冷凝段與熱源的溫差有逐漸增大的趨勢。因此說明，熱管在溫度較低時的等溫性要優(yōu)于溫度較高時。

從銅-水熱管冷凝段在空氣中自然冷卻實驗可知，當(dāng)熱源為45℃，熱管蒸發(fā)段與冷凝段為1:6時，冷凝段與熱源的溫差最小，冷凝段各測點溫度分布更加均勻一致。

3 實驗誤差分析

就本文研究的主要誤差包括以下兩個方面：

（1）實驗中，系統(tǒng)的供回水管為熱水塑料管，并沒有進行外壁保溫，在實驗進行過程中，仍然存在著不可忽略的熱損失。同時在實驗中，熱水管道內(nèi)熱水的流動狀態(tài)極為復(fù)雜，也難以對其進行劃分確定。此外，實驗系統(tǒng)供回水管路較短，還會存在入口效應(yīng)，對系統(tǒng)的供熱有一定的影響。

（2）在進行實驗之前對實驗所用熱電偶進行校核，使冷端溫度穩(wěn)定在0℃，實驗須測量多組，多組測量之后也會產(chǎn)生一定的誤差，主要原因是數(shù)字巡檢顯示控制儀在多次使用后，精確度和靈敏度都會下降。

4 結(jié)論

通過實驗研究了熱管在空氣中自然冷卻的溫度特性，分析對比得出銅-水熱管在空氣中的溫度變化規(guī)律，主要的研究結(jié)論如下：

（1）不同蒸發(fā)段和冷凝段長度比下，銅-水熱管冷凝段的溫度均隨蒸發(fā)段溫度的升高而升高。

（2）不同蒸發(fā)段和冷凝段長度比下，銅-水熱管冷凝段均在熱源溫度較低時具有良好的等溫性，隨著熱源溫度的升高，熱管的等溫性逐漸變差。

（3）對于銅-水熱管，當(dāng)蒸發(fā)段與冷凝段比值分別為1:6、1:3和1:1.5時，隨著熱源溫度的升高，冷凝段與熱源的溫差呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)熱源為45℃，熱管蒸發(fā)段與冷凝段為1:6時，冷凝段溫度與熱源溫度的溫差最小，僅為2.4℃，熱管的等溫性最佳。

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Influence of the Length of Evaporator/Condenser Section on theHeat Transfer Performance of Copper-water Heat Pipe

Zhao Jianhui Wang Dou Duan Jie Yang Nan

( School of energy, Xi’an university of Science and Technology, Xi’an, 710054 )

In this paper, the natural cooling experiment of heat tube condensing section was designed with the copper-water heat pipe as the object to explore the influence of the different length proportion between evaporator and condenser on the heat transfer performance. The surface temperature of the condensation section of the copper-water heat pipe was measured while The length proportion between evaporator and condenser were 1:6, 1:3 and 1:1.5 respectively at different heat source temperatures. the following conclusion drawn by analyzing the experimental data : under the different length proportion between evaporation and condensation, the temperature of the condensation section of the copper-water heat pipe rise all along with the evaporation temperature, all present good isothermal performance at a lower heat source, the isothermal performance is best when the heat source up to 45℃ and the length proportion is 1:6 that minimum temperature difference between condensing temperature and heat source temperature is 2.4℃. This study is expected to provide basic experimental data and technical support for the heat pipe selection of heat pipe heating system, especially for the heat pipe of low-temperature hot water floor radiant heating system.

copper - water heat pipe; heat transfer; evaporation; condensation

1671-6612（2018）01-098-05

TK172

A

趙建會（1964-），男，研究生導(dǎo)師，教授，主要從事礦井通風(fēng)、建筑節(jié)能研究等，E-mail：zhaojh2098@sina.com

王 豆（1993-），女，在讀研究生，主要從事建筑節(jié)能研究等，E-mail：651314728@qq.com

2017-12-07