兩相閉式熱虹吸管的強(qiáng)化傳熱

戰(zhàn)洪仁，史 勝，張倩倩，惠 堯，王立鵬

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142)

兩相閉式熱虹吸管又稱重力熱管，是一種簡(jiǎn)單高效的相變傳熱元件.因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、傳熱性能好、效率高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱回收[1]、永凍土層保護(hù)[2-4]、供暖通風(fēng)[5]、冷卻空調(diào)[6]、太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用[7-9]，以及電子設(shè)備的冷卻[10]等領(lǐng)域.

隨著能源的高效利用以及強(qiáng)化傳熱技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)熱管強(qiáng)化傳熱的研究越來(lái)越關(guān)注與重視.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)研究者對(duì)兩相閉式熱虹吸管的強(qiáng)化傳熱進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并提出了多種強(qiáng)化傳熱的途徑.一些研究者通過(guò)使用高效工質(zhì)[11]來(lái)實(shí)現(xiàn)熱管的強(qiáng)化傳熱.T Paramatthanuwat等[12]研究了在正常工作條件下使用銀納米流體(去離子水與大小不超過(guò)100 nm的銀納米顆粒混合)對(duì)兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響，混合銀納米流體的去離子水的傳熱速率比純水提高了大約70 %.Tayfun Menlik等[13]研究了MgO/水納米流體在各種運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響，結(jié)果表明：MgO納米流體的傳熱性能優(yōu)于去離子水，而且傳熱效率也提高了26 %.相比于氧化鋁納米流體，帶有MgO納米流體的熱管的效率平均提高了6.6 %～11.5 %.但由于納米流體制備過(guò)程復(fù)雜、成本高和穩(wěn)定性差等原因，導(dǎo)致其在熱虹吸管中實(shí)際應(yīng)用前景較差，影響了其在重力條件下的應(yīng)用范圍.許多研究者通過(guò)改變熱虹吸管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)強(qiáng)化其傳熱性能，如添加內(nèi)插件[14]、改變表面結(jié)構(gòu)等.Babak Aghel等[15]通過(guò)在原有熱管的絕熱段添加內(nèi)置熱管的方法，研究了在加熱功率為71～960 W條件下改進(jìn)的熱虹吸管的傳熱性能.結(jié)果表明：在加熱功率較高的情況下，內(nèi)置熱管的熱虹吸管比無(wú)內(nèi)置熱管的熱虹吸管有更高的效率，且平均熱阻減少了20 %.何曙[16]等提出了一種帶內(nèi)循環(huán)管的新型重力熱管，此結(jié)構(gòu)通過(guò)引入內(nèi)循環(huán)，增加了換熱面積，并且在蒸發(fā)段實(shí)現(xiàn)了降膜蒸發(fā)，提高了重力熱管的熱傳導(dǎo)性能.Solomon等[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了傾角、輸入功率和多孔薄銅層對(duì)兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在熱流密度為10 W/m2、傾角為45°時(shí)，帶有多孔薄銅層的兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)可提高44 %～45 %；在所有傾角條件下，熱虹吸管的傳熱系數(shù)都隨著熱流密度的增加而增加.Han[18]研究了分別具有50、60、70、80、90個(gè)凹槽的兩相閉式熱虹吸管的傳熱性能.實(shí)驗(yàn)中使用的工質(zhì)分別為水、甲醇和乙醇，充液率為10 %～40 %.結(jié)果表明：充液率在25 %～30 %之間，帶有60個(gè)凹槽熱管的傳熱性能最佳，是普通熱管的2.5倍.劉國(guó)維等[19]在兩相閉式熱虹吸管的沸騰段與冷凝段中分別插入內(nèi)管形成新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明：新型結(jié)構(gòu)的兩相閉式熱虹吸管操作穩(wěn)定,傳熱性能好,操作極限高.這些研究都表明了改變熱虹吸管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以使其傳熱性能得到強(qiáng)化，但是，僅對(duì)蒸發(fā)段的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變的研究相對(duì)較少.為考察蒸發(fā)段對(duì)熱虹吸管強(qiáng)化傳熱的影響，本文通過(guò)改變熱虹吸管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即僅在蒸發(fā)段內(nèi)置銅彈簧，研究新型結(jié)構(gòu)對(duì)兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的兩根熱虹吸管參數(shù)為：長(zhǎng)600 mm，外徑10 mm，壁厚1 mm，管殼選用紫銅.工作介質(zhì)為去離子水，充液率為100 %(充液量占蒸發(fā)段管殼容積的百分比)，其中蒸發(fā)段長(zhǎng)200 mm，絕熱段長(zhǎng)100 mm，冷凝段長(zhǎng)300 mm.管材需要經(jīng)過(guò)清洗、去油、抽真空處理，以確保熱虹吸管的質(zhì)量.未強(qiáng)化的熱虹吸管為光滑管(下稱光滑管)，強(qiáng)化的熱虹吸管(下稱強(qiáng)化管)為在蒸發(fā)段內(nèi)插入一根長(zhǎng)200 mm、外徑8 mm的銅彈簧，緊貼管殼內(nèi)壁面.強(qiáng)化管示意圖如圖2所示.

圖2 強(qiáng)化管示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置是由熱管加熱系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、熱管冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和熱虹吸管組成.加熱系統(tǒng)是靠均勻纏繞在熱管蒸發(fā)段的鎳鉻合金電阻絲向蒸發(fā)段輸入熱量，通過(guò)使用一個(gè)最大功率為1 kW、電壓為220 V的電功率調(diào)節(jié)器(接觸式調(diào)壓器TDGC2-1)來(lái)改變加熱電壓，從而改變加熱功率，并由量程為220 V的交流電壓表(測(cè)量精度為±0.5 %FS)和量程為20 A的交流電流表(測(cè)量精度為±0.5 %FS)上的示數(shù)來(lái)計(jì)算加熱功率.為了防止加熱系統(tǒng)短路，在兩相閉式熱虹吸管管殼與電阻絲之間采用陶瓷珠絕緣.實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的加熱功率分別為200 W、275 W、350 W、425 W、500 W.絕熱系統(tǒng)是在蒸發(fā)段與絕熱段管壁外側(cè)周圍包裹了一層厚為75 mm的陶瓷保溫棉，冷卻段的冷卻水套外側(cè)周圍包裹了一層厚為25 mm的陶瓷保溫棉，以起到保溫的效果.冷卻系統(tǒng)的冷卻方式采用的是水冷式，是由冷卻水套、量程為4 L/min的流量計(jì)(測(cè)量精度為±0.5 %FS)、自吸式水泵、冷卻水供給水箱和冷卻水出口水箱構(gòu)成.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冷卻水的流量通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)固定為1.2 L/min.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由K型熱電偶(測(cè)量精度為±1 ℃)、數(shù)據(jù)采集器(Fluke 2638A)、電腦構(gòu)成.測(cè)量熱虹吸管軸向溫度的測(cè)溫元件是K型熱電偶，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器傳輸?shù)诫娔X上，以此來(lái)記錄數(shù)據(jù).整個(gè)熱虹吸管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中包含12根熱電偶，熱電偶的分布如圖3所示.其中4根安裝在熱管蒸發(fā)段，2根安裝在絕熱段，4根安裝到冷凝段.考慮到實(shí)際操作中如果將熱電偶固定在內(nèi)壁面，會(huì)對(duì)管內(nèi)工質(zhì)的運(yùn)行造成一定的影響，產(chǎn)生更大的實(shí)驗(yàn)誤差，且操作比較復(fù)雜，因此將以上10根熱電偶布置在熱管外壁面.剩余的2根熱電偶分別布置在冷卻水進(jìn)出口，用以測(cè)量冷卻水進(jìn)出口溫度.為保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性，熱電偶與管壁應(yīng)緊密接觸.在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)所有的電器(如熱電偶)和所有的機(jī)械(如轉(zhuǎn)子流量計(jì))都進(jìn)行了校準(zhǔn).為了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性與實(shí)驗(yàn)的可靠性，每次測(cè)試重復(fù)3次.

圖3 熱電偶分布圖

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了研究蒸發(fā)段內(nèi)插彈簧的結(jié)構(gòu)對(duì)兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響，下面給出一些重要參數(shù)的計(jì)算公式.

兩相閉式熱虹吸管傳熱效率的計(jì)算公式[5]為

(1)

式中：Qout為通過(guò)冷凝段吸收的熱量，W；Qin為通過(guò)電功率調(diào)節(jié)器提供給蒸發(fā)段的加熱功率，W.

由于實(shí)驗(yàn)中采用了很好的保溫措施，在熱管周圍用陶瓷保溫棉包裹，漏熱較小，故在工作中的熱損失可忽略不計(jì).

Qout=qvρcP(tout-tin),

(2)

Qin=UI.

(3)

式中：qv為冷卻水體積流量，m3/s；ρ為冷卻水密度，kg/m3；cP為冷卻水的比定壓熱容，J/(kg·℃)；tout、tin分別為冷卻水進(jìn)出口溫度，℃.

兩相閉式熱虹吸管加熱段的傳熱系數(shù)計(jì)算公式[5]為

(4)

兩相閉式熱虹吸管冷凝段的傳熱系數(shù)計(jì)算公式[5]為

(5)

兩相閉式熱虹吸管的總傳熱系數(shù)計(jì)算公式[5]為

(6)

兩相閉式熱虹吸管的等效對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算公式[21]為

(7)

式中：heff為熱管的等效對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了研究比較不同加熱功率下光滑管與強(qiáng)化管的傳熱性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了光滑管與強(qiáng)化管在不同加熱功率下的管壁溫度分布，分別如圖4(a)和(b)所示.從圖4中可以看出：不同加熱功率下的光滑管與強(qiáng)化管的管壁溫度分布趨勢(shì)一致，同一測(cè)溫位置的管壁溫度都隨著加熱功率的增大而增大.通過(guò)比較兩圖，可以發(fā)現(xiàn)在同一加熱功率下強(qiáng)化管在蒸發(fā)段和冷凝段段間的溫差較光滑管的低，因此，由式(6)可得強(qiáng)化管的總傳熱系數(shù)較光滑管高，強(qiáng)化了熱虹吸管的傳熱.而且強(qiáng)化管加熱段的管壁溫度分布較為均勻.這是由于銅簧絲具有良好的導(dǎo)熱性能，可以使蒸發(fā)段中液池的溫度更趨于均勻，避免了在加熱段出現(xiàn)局部過(guò)熱的現(xiàn)象.根據(jù)公式(1)計(jì)算在不同功率下強(qiáng)化管與光滑管的傳熱效率，如表1所示.

圖4 不同加熱功率下光滑管和強(qiáng)化管的管壁溫度分布

表1 不同加熱功率下強(qiáng)化管與光滑管的傳熱效率

表1結(jié)果表明：在同一加熱功率下強(qiáng)化管的傳熱效率比光滑管的高，提高了約8 %～14 %.這說(shuō)明采用內(nèi)置彈簧的結(jié)構(gòu)可在一定程度上強(qiáng)化熱虹吸管的傳熱性能.

為驗(yàn)證兩相閉式熱虹吸管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，在加熱功率為200 W、傾角為90°的操作條件下，對(duì)兩相閉式熱虹吸管(光滑管)各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)壁溫進(jìn)行測(cè)量并與數(shù)值模擬[22]結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示.可以發(fā)現(xiàn)光滑管的蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段壁溫平均誤差分別為4.69 %、2.97 %、0.23 %.表明兩相閉式熱虹吸管的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合度較好，所建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可靠.

表2 普通兩相閉式熱虹吸管壁溫的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模擬值對(duì)比

由于熱虹吸管管內(nèi)復(fù)雜的相變換熱過(guò)程從根本上講是一個(gè)對(duì)流換熱的過(guò)程,因此，在保證傳熱功率與溫差相同時(shí),引入管內(nèi)等效對(duì)流換熱系數(shù),通過(guò)管內(nèi)等效對(duì)流換熱系數(shù)等價(jià)描述兩相閉式熱虹吸管的綜合傳熱能[23].不同加熱功率下的強(qiáng)化管與光滑管的等效對(duì)流換熱系數(shù)如圖5所示.從圖5中可以明顯看出：強(qiáng)化管與光滑管的等效對(duì)流換熱系數(shù)均隨著加熱功率的增大而增大，但強(qiáng)化管的等效對(duì)流換熱系數(shù)較光滑管略有增大，增加了約10 %～15 %.這是因?yàn)閺椈删o貼熱管內(nèi)壁面，彈簧螺紋的存在不僅增加了熱虹吸管管壁的換熱面積，而且在彈簧螺紋表面的凸峰與凹槽表面形成更多的汽化核心，生成氣泡的速率大大增加，增強(qiáng)了氣泡的擾動(dòng)作用，進(jìn)而強(qiáng)化了熱管的傳熱性能.另外，工質(zhì)靠近彈簧內(nèi)側(cè)的部分流體會(huì)沿著螺紋方向螺旋流動(dòng)，形成局部二次流，使流體徑向速度增加，強(qiáng)化了傳熱.

對(duì)強(qiáng)化管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸整理，得到強(qiáng)化管等效對(duì)流換熱系數(shù)與加熱功率的關(guān)系式為

圖5 不同加熱功率下光滑管與強(qiáng)化管的等效對(duì)流換熱系數(shù)

3 結(jié) 論

為提高熱虹吸管的傳熱性能，考察蒸發(fā)段對(duì)熱虹吸管傳熱性能的影響，提出一種改進(jìn)的新型結(jié)構(gòu)：在蒸發(fā)段內(nèi)置彈簧制成新的強(qiáng)化管.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

(1)在不同加熱功率下強(qiáng)化管的管壁溫度略高于光滑管的管壁溫度，管壁溫度分布趨勢(shì)一致，且在同一測(cè)溫點(diǎn)處的管壁溫度隨加熱功率的增大而增大.強(qiáng)化管的蒸發(fā)段與冷凝段的溫差要低于光滑管的，且強(qiáng)化管的管壁溫度分布更為均勻.

(2)強(qiáng)化管與光滑管的等效對(duì)流換熱系數(shù)均隨加熱功率的增大而增大，通過(guò)比較可得強(qiáng)化管的等效對(duì)流換熱系數(shù)比光滑管的提高了5 %～10 %.