中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究.pdf

中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究 熊国辉 王银峰 严 鑫 范红途 朱跃钊 （南京工业大学机械与动力工程学院） 摘 要 研制了一套中温水平环路热管（）。 采用导热姆作为传热工质，搭建了其传热性能实验平 台，考察了该 的启动和传热性能。 实验结果表明： 形段液封结构可有效避免热管内部两相工质 的双向流动，提升其传热性能；充液率对环路热管传热性能影响较大，初始充液率为 ，加热功率为 时，启动温度为 ，启动时间为 ，启动性能优于初始充液率为 工况；工作温度为 时传热热阻 ，传热性能较好。 该 可移植和放大，设计用做槽式集热 管，实现热管在太阳能中温热利用领域的高效利用。 关键词 水平环路热虹吸管 中温 启动特性 充液率 传热性能 中图分类号 文献标识码 文章编号 - （）- - 环路热虹吸管 ， （ ，） 具有高效传热、均温性优良及适应性强等特点，正 逐渐在太阳能热利用领域、电子冷却散热及航空 冷却等领域应用 。 以两相工质的密度差为驱动力，其蒸发 段需低于冷凝段放置，且蒸发段一般为竖直管或 斜管。 等以氮气作为不凝性气体对环路热 虹吸管（蒸发器竖直放置）进行了启动性实验研 究，表明不凝性气体会延长启动时间并增加启动 过热度和温度过冲现象，同时进行了不凝性气体 对氨不锈钢环路热虹吸管稳态影响，实验表明不 凝性气体会增大热虹吸管稳态温度（特别是在低 温条件下），同时不凝性气体会降低热虹吸管总 热导率 ， 。 等将环路热虹吸管用于热 电发电厂的冷却，开发了新型冷却器，用相变冷却 方式取代直接干冷式冷却方式，得出新型冷却器 从成本和耗电性能均优于传统直接干冷式冷却 器 。 和 开发了一种用于太阳能 电池散热的环路热虹吸管冷却器，提高了其效率， 得出在工作温度下丙酮传热性能优于水和乙醇工 质，与传统冷却相比丙酮环路热虹吸管冷却效率 可以达到其 倍 。 等提出了一种 水工质两相环路热虹吸管（蒸发器倾斜放置），得 出最佳充液率为 ，并且冷却水温度为 ，流量为 时工作性能最好 。 和 对小尺寸两相闭式热虹吸管质 量流量与热流密度的关系进行了实验研究，得出 热流量高于 时用水作为传热工质传热性能 优于乙醇工质 。 有学者建立了一套自然循环 槽式太阳能集热系统，采用水平圆管作为环路蒸 发段，但由于环路内部存在双向流，因而限制了其 传热性能，集热温度不超过 。 总的来说，目 前对于环路热虹吸管的研究多集中在低温段，环 路热虹吸管蒸发段多采用竖直管或倾斜管结构， 且蒸发段水平放置时，环路内部易产生双向流动， 限制其传热性能。 基于此，本课题组研发了一种新型中温水平 环路热虹吸管 （ ， ），采用简单而有效的 形段结构，可避免 环路内部工质的双向流动问题。 此外，采用导热 姆 （和 的混合物）作为传热工 质，以拓宽其工作温度。 笔者主要对该结构 第 卷 第 期 化 工 机 械 基金项目：国家自然科学基金项目（）；国家科技支撑计划（）。 作者简介：熊国辉（- ），硕士研究生，从事太阳能热利用和热管技术方面的研究。 联 系 人：朱跃钊（- ），教授，从事热科学与工程等方面的研究， 。 万方数据 的启动和中温传热性能进行研究，探索其运行机 制，为 移植放大用于槽式集热器中的应用 提供依据。 1 中温 HLTS 设计 该中温水平环路热虹吸管结构如图 所示， 主要由蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降 管（含 形段）组成。 壳体材料为不锈钢，热管工 质采用导热姆 。 形段内可形成液封结构，以 避免环路内工质的双向流动。 其传热过程为：工 质在蒸发器内受热蒸发产生蒸汽，蒸汽上升流过 蒸汽上升管，并在冷凝器中冷却，冷凝工质从冷凝 液下降管流入 形段，而后回流到蒸发段中。 图 水平环路热虹吸管结构 的结构参数为：蒸发段为规格 的圆管，长度为；上升管、冷凝段和 下降管均为规格 的圆管，有效长度 分别为 、。 此外，冷凝段外绕有金 属翅片和冷凝换热器，换热面积为 。 2 实验 2 1 实验装置 对 启动性和传热性能进行室内实验研 究，实验系统由加热系统、冷却系统、温度测量和 数据采集系统组成。 加热系统采用特制紫铜加热 器半周加热，在半环形紫铜上均匀开孔，使加热丝 穿过孔并完全贴合，提高其加热均温性。 紫铜加 热器输出功率连续可调，由功率计和调压器控制。 实验系统温度测点热电偶布置如图 所示， 其中，测点 K和 K分别测量冷凝段入口和下冷 凝段出口温度；在蒸发段内壁面布置了 T T 根 铂电阻，对应的在蒸发器外壁面布置 K K 根 型热电偶； 形段布置 TT 根 铂电阻。 冷凝段换热器冷却水进出口分别 布置 T和 T铂电阻测量温度，并且在进口处连 接涡轮流量计测冷水循环的流量， 采用 - 进行数据采集。 系统采用硅酸铝和岩 棉包裹保温。 图 水平环路热虹吸管测温点布置图 2 2 实验过程 实验前，通过高温排气法生成热管。 其步骤 为：对 预充入 导热姆工质；设置加 热温度为 ，对蒸发段加热；当蒸发段达到设 化 工 机 械 年 万方数据 定温度时，打开环路热管冷凝段出口处的排气阀， 排出管内蒸汽（包括空气），同时将排出气体通入 冷却水中冷却并收集；排气 后，关闭排气阀， 热管生成。 通过初始充入量减去排气量计算得到环路热 管内的充液量。 而充液率则定义为环路热管蒸发 段内液体工质的体积与蒸发段容积的百分比。 由 于导热姆 的密度随温度变化较大，因此实验过 程中环路热管内的充液率将实时变化。 通过该方 法分别对充液量为 、 的环路热管进行 实验研究。 实验测试条件见表。 表 实验测试条件 工况 初始充液量 初始加热功率 冷却水流量 - 葺 枛寣 缮 枛寣 缮 枛寣 缮 枛寣 3 实验结果与讨论 3 1 温度对充液率的影响 本实验 蒸发段水平布置，导热姆 工 质的密度随温度增加而减小，造成工质体积在蒸 发段内体积随温度增加而增加。 图 为充液量为 、 时 内充液率随温度的变化曲 线（不考虑 启动后液池内气泡的影响）。 热 管充液量为 时，环境温度（）下充液 率为 ；当温度达到 时其充液率达到 ，此时蒸发段内充满工质，当温度继续升高 时，热管内工质将溢出至蒸汽上升管和冷凝液下 降管，进而影响环路热管传热性能。 充液量为 时在环境温度和 时的充液率分别为 和 。 图 不同温度下充液率变化曲线 3 2 启动性能 加热功率为 时， 在两种充液量下 的启动性能如图 、 所示。 启动开始阶段，蒸发 段内工质持续吸收热量，冷凝段入口温度测点K 保持不变。 当蒸发段内工质达到核态沸腾时，热 管内蒸汽由于存在 形段，而单向流入上升管， 冷凝段入口温度测点 K迅速上升，热管启动。 如 图 所示，冷凝段入口温度测点 K在 时开 始上升，蒸汽进入上升管，随后进入冷凝段，经冷 凝后冷凝液进入下降管，冷凝段出口温度K也因 此升高，当冷凝液回流到 形段并进入蒸发段而 导致蒸发段壁面温度和内部工质温度稍有降低， 随后热管内工质温度 T和冷凝段入口温度测点 K温差达到稳定阶段，热管进入完全启动，最终 T和 K温差不超过，热管均温性良好。 图 充液率 启动曲线 图 充液率 启动曲线 图 中由于 形段温度测点T靠近加热板， 而受加热板辐射传热影响，在未启动时温度明显 升高，当冷凝液回流到 形段时温度降低，热管 第 卷 第 期 化 工 机 械 万方数据 稳定时温度保持稳定，所以其温度曲线出现先升 高后降低再升高的情况。 充液量 、 实 验工况下启动时间分别为 、，启动温度为 、，启动后至稳定时间为 、。 所 以充液率为 时的启动性能优于 时 的启动性能。 3 3 加热功率和冷凝量对启动性能的影响 图 、 为充液量 ，加热功率分别为 、 时，运行过程冷凝器通恒定流量 冷却水时的启动性能。 与图 相比较，图 中热 管启动时间为 稍高于未通冷却水启动时 间，但启动温度相同。 这是由于 在两种工 况下的初始温度不同，初始温度越低，启动时间越 长。 此外，对比图 、，由于加热功率增加，使得 热管温度上升速率增加，因此热管启动时间变短， 但是启动温度不变。 所以启动温度与冷凝量和加 热功率均无关，启动时间随冷凝量的减少和加热 功率的增大而变短。 图 加热功率启动曲线 图 加热功率启动曲线 3 4 热阻分析 文中，对于循环冷却水时 换热器的传 热热阻 R计算公式如下： R T- T Q 式中，T为蒸发段管壁平均温度，T （K+ K+ K+ K+ K） ，T为冷却水的平均温度， T （T+ T） ，Q 为传输功率。 图 为冷却水温度 ，不同流量下总热阻 随加热功率的变化。 可见热阻随着加热功率和冷 却水流量的增加而降低。 当冷却水流 量为 时，总热阻在 加热功率下为 ， 加热功率下最小为 ， 分别比 时高出 、 。 图 不同冷却水流量下总热阻随加热功率的变化 4 结论 4 1 形段内将形成有效液封，避免环路热管内 部工质的双向流动，提升其传热稳定性。 4 2 启动特性与充液率和加热功率有关。 在加热功率为 ，充液量 时的启 动温度为 ，启动时间为 ，启动性能优 于充液量 的启动性能。 加热功率增大有 助于缩短启动时间，对启动温度无影响。 4 3 总热阻随功率的增加、冷凝量的增加 而减小，在工作温度为 时传热热阻为 ，传热性能较好。 该 可实 现蒸发段水平放置时的高效传热，可进一步移植 和放大，用作槽式太阳能集热管，为槽式集热器的 开发利用提供新的途径。 参考文献 黄素逸，黄树红 太阳能热发电原理及技术 北 化 工 机 械 年 万方数据 京：中国电力出版社， ， ， ， - - - - ， ，： - ，（）： ， ， ， ： ，： ， ， ，： ， ， ， - ，： ， ， ， - - - ，： ， ， ， - - - - ， ，： ， ， ， ，： ， ，： ，- ， ， ，： ， （） ，： 朱跃钊，王银峰，陈海军 太阳能中高温环路热管 蒸汽发生器 中国： ，- - （收稿日期：- - ） Experimental Investigation of Heat Transfer Performance of Medium- tempe