中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究①

熊國輝 王銀峰 嚴(yán) 鑫 范紅途 朱躍釗

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究①

熊國輝 王銀峰 嚴(yán) 鑫 范紅途 朱躍釗

(南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

研制了一套中溫水平環(huán)路熱管(HLTS)。采用導(dǎo)熱姆作為傳熱工質(zhì)，搭建了其傳熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考察了該HLTS的啟動(dòng)和傳熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：U形段液封結(jié)構(gòu)可有效避免熱管內(nèi)部兩相工質(zhì)的雙向流動(dòng)，提升其傳熱性能；充液率對環(huán)路熱管傳熱性能影響較大，初始充液率為45.5%，加熱功率為150W時(shí)，啟動(dòng)溫度為130℃，啟動(dòng)時(shí)間為29min，啟動(dòng)性能優(yōu)于初始充液率為70.5%工況；工作溫度為200～400℃時(shí)傳熱熱阻0.91～0.69℃/W，傳熱性能較好。該HLTS可移植和放大，設(shè)計(jì)用做槽式集熱管，實(shí)現(xiàn)熱管在太陽能中溫?zé)崂妙I(lǐng)域的高效利用。

水平環(huán)路熱虹吸管 中溫 啟動(dòng)特性 充液率 傳熱性能

環(huán)路熱虹吸管[1,2](Loop Thermosyphon，LTS)具有高效傳熱、均溫性優(yōu)良及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，正逐漸在太陽能熱利用領(lǐng)域、電子冷卻散熱及航空冷卻等領(lǐng)域應(yīng)用[3～6]。

LTS以兩相工質(zhì)的密度差為驅(qū)動(dòng)力，其蒸發(fā)段需低于冷凝段放置，且蒸發(fā)段一般為豎直管或斜管。He J等以氮?dú)庾鳛椴荒詺怏w對環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器豎直放置)進(jìn)行了啟動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究，表明不凝性氣體會(huì)延長啟動(dòng)時(shí)間并增加啟動(dòng)過熱度和溫度過沖現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)行了不凝性氣體對氨不銹鋼環(huán)路熱虹吸管穩(wěn)態(tài)影響，實(shí)驗(yàn)表明不凝性氣體會(huì)增大熱虹吸管穩(wěn)態(tài)溫度(特別是在低溫條件下)，同時(shí)不凝性氣體會(huì)降低熱虹吸管總熱導(dǎo)率[7,8]。Benn S P等將環(huán)路熱虹吸管用于熱電發(fā)電廠的冷卻，開發(fā)了新型冷卻器，用相變冷卻方式取代直接干冷式冷卻方式，得出新型冷卻器從成本和耗電性能均優(yōu)于傳統(tǒng)直接干冷式冷卻器[9]。Chen S J和Yang J開發(fā)了一種用于太陽能電池散熱的環(huán)路熱虹吸管冷卻器，提高了其效率，得出在工作溫度下丙酮傳熱性能優(yōu)于水和乙醇工質(zhì)，與傳統(tǒng)冷卻相比丙酮環(huán)路熱虹吸管冷卻效率可以達(dá)到其7倍[10]。Chehade A A等提出了一種水工質(zhì)兩相環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器傾斜放置)，得出最佳充液率為7%～10%，并且冷卻水溫度為5℃，流量為0.7L/h時(shí)工作性能最好[11]。Franco A和Filippeschi S對小尺寸兩相閉式熱虹吸管質(zhì)量流量與熱流密度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出熱流量高于1kW時(shí)用水作為傳熱工質(zhì)傳熱性能優(yōu)于乙醇工質(zhì)[12]。有學(xué)者建立了一套自然循環(huán)槽式太陽能集熱系統(tǒng)，采用水平圓管作為環(huán)路蒸發(fā)段，但由于環(huán)路內(nèi)部存在雙向流，因而限制了其傳熱性能，集熱溫度不超過200℃。總的來說，目前對于環(huán)路熱虹吸管的研究多集中在低溫段，環(huán)路熱虹吸管蒸發(fā)段多采用豎直管或傾斜管結(jié)構(gòu)，且蒸發(fā)段水平放置時(shí)，環(huán)路內(nèi)部易產(chǎn)生雙向流動(dòng)，限制其傳熱性能。

基于此，本課題組研發(fā)了一種新型中溫水平環(huán)路熱虹吸管[13](Horizontal Loop Thermosyphon，HLTS)，采用簡單而有效的U形段結(jié)構(gòu)，可避免環(huán)路內(nèi)部工質(zhì)的雙向流動(dòng)問題。此外，采用導(dǎo)熱姆A(C12H10和C12H10O的混合物)作為傳熱工質(zhì)，以拓寬其工作溫度。筆者主要對該結(jié)構(gòu)HLTS的啟動(dòng)和中溫傳熱性能進(jìn)行研究，探索其運(yùn)行機(jī)制，為HLTS移植放大用于槽式集熱器中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 中溫HLTS設(shè)計(jì)

該中溫水平環(huán)路熱虹吸管結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由蒸發(fā)段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降管(含U形段)組成。殼體材料為不銹鋼，熱管工質(zhì)采用導(dǎo)熱姆A。U形段內(nèi)可形成液封結(jié)構(gòu)，以避免環(huán)路內(nèi)工質(zhì)的雙向流動(dòng)。其傳熱過程為：工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽上升流過蒸汽上升管，并在冷凝器中冷卻，冷凝工質(zhì)從冷凝液下降管流入U(xiǎn)形段，而后回流到蒸發(fā)段中。

圖1 水平環(huán)路熱虹吸管結(jié)構(gòu)

HLTS的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：蒸發(fā)段為規(guī)格φ25mm

×2mm的圓管，長度為500mm；上升管、冷凝段和下降管均為規(guī)格φ8mm×1mm的圓管，有效長度分別為170、500、115mm。此外，冷凝段外繞有金屬翅片和冷凝換熱器，換熱面積為0.055m2。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

對HLTS啟動(dòng)性和傳熱性能進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)采用特制紫銅加熱器半周加熱，在半環(huán)形紫銅上均勻開孔，使加熱絲穿過孔并完全貼合，提高其加熱均溫性。紫銅加熱器輸出功率連續(xù)可調(diào)，由功率計(jì)和調(diào)壓器控制。HLTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度測點(diǎn)熱電偶布置如圖2所示，其中，測點(diǎn)K07和K06分別測量冷凝段入口和下冷凝段出口溫度；在蒸發(fā)段內(nèi)壁面布置了T01～T055根Pt100鉑電阻，對應(yīng)的在蒸發(fā)器外壁面布置K01～K055根K型熱電偶；U形段布置T06～T083根Pt100鉑電阻。冷凝段換熱器冷卻水進(jìn)出口分別布置T09和T10鉑電阻測量溫度，并且在進(jìn)口處連接渦輪流量計(jì)測冷水循環(huán)的流量，采用Agilent34970A進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用硅酸鋁和巖棉包裹保溫。

圖2 水平環(huán)路熱虹吸管測溫點(diǎn)布置圖

2.2實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，通過高溫排氣法生成熱管。其步驟為：對HLTS預(yù)充入135.3g導(dǎo)熱姆工質(zhì)；設(shè)置加熱溫度為350℃，對蒸發(fā)段加熱；當(dāng)蒸發(fā)段達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，打開環(huán)路熱管冷凝段出口處的排氣閥，排出管內(nèi)蒸汽(包括空氣)，同時(shí)將排出氣體通入冷卻水中冷卻并收集；排氣2min后，關(guān)閉排氣閥，熱管生成。

通過初始充入量減去排氣量計(jì)算得到環(huán)路熱管內(nèi)的充液量。而充液率則定義為環(huán)路熱管蒸發(fā)段內(nèi)液體工質(zhì)的體積與蒸發(fā)段容積的百分比。由于導(dǎo)熱姆A的密度隨溫度變化較大，因此實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)路熱管內(nèi)的充液率將實(shí)時(shí)變化。通過該方法分別對充液量為121.9、79.7g的環(huán)路熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測試條件見表1。

表1 HLTS實(shí)驗(yàn)測試條件

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1溫度對充液率的影響

本實(shí)驗(yàn)HLTS蒸發(fā)段水平布置，導(dǎo)熱姆A工質(zhì)的密度隨溫度增加而減小，造成工質(zhì)體積在蒸發(fā)段內(nèi)體積隨溫度增加而增加。圖3為充液量為121.9、79.7g時(shí)HLTS內(nèi)充液率隨溫度的變化曲線(不考慮HLTS啟動(dòng)后液池內(nèi)氣泡的影響)。熱管充液量為121.9g時(shí)，環(huán)境溫度(25℃)下充液率為70.5%；當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)其充液率達(dá)到100%，此時(shí)蒸發(fā)段內(nèi)充滿工質(zhì)，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，熱管內(nèi)工質(zhì)將溢出至蒸汽上升管和冷凝液下降管，進(jìn)而影響環(huán)路熱管傳熱性能。充液量為79.7g時(shí)在環(huán)境溫度和350℃時(shí)的充液率分別為45.5%和64.0%。

圖3 不同溫度下充液率變化曲線

3.2啟動(dòng)性能

加熱功率為150W時(shí)，HLTS在兩種充液量下的啟動(dòng)性能如圖4、5所示。啟動(dòng)開始階段，蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)持續(xù)吸收熱量，冷凝段入口溫度測點(diǎn)K07保持不變。當(dāng)蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)達(dá)到核態(tài)沸騰時(shí)，熱管內(nèi)蒸汽由于存在U形段，而單向流入上升管，冷凝段入口溫度測點(diǎn)K07迅速上升，熱管啟動(dòng)。如圖4所示，冷凝段入口溫度測點(diǎn)K07在56min時(shí)開始上升，蒸汽進(jìn)入上升管，隨后進(jìn)入冷凝段，經(jīng)冷凝后冷凝液進(jìn)入下降管，冷凝段出口溫度K06也因此升高，當(dāng)冷凝液回流到U形段并進(jìn)入蒸發(fā)段而導(dǎo)致蒸發(fā)段壁面溫度和內(nèi)部工質(zhì)溫度稍有降低，隨后熱管內(nèi)工質(zhì)溫度Te和冷凝段入口溫度測點(diǎn)K07溫差達(dá)到穩(wěn)定階段，熱管進(jìn)入完全啟動(dòng)，最終Te和K07溫差不超過3℃，熱管均溫性良好。

圖4 充液率70.5%啟動(dòng)曲線

圖5 充液率45.5%啟動(dòng)曲線

圖4中由于U形段溫度測點(diǎn)T08靠近加熱板，而受加熱板輻射傳熱影響，在未啟動(dòng)時(shí)溫度明顯升高，當(dāng)冷凝液回流到U形段時(shí)溫度降低，熱管穩(wěn)定時(shí)溫度保持穩(wěn)定，所以其溫度曲線出現(xiàn)先升高后降低再升高的情況。充液量121.9、79.7g實(shí)驗(yàn)工況下啟動(dòng)時(shí)間分別為56、29min，啟動(dòng)溫度為225、130℃，啟動(dòng)后至穩(wěn)定時(shí)間為34、26min。所以充液率為45.5%時(shí)的啟動(dòng)性能優(yōu)于70.5%時(shí)的啟動(dòng)性能。

3.3加熱功率和冷凝量對啟動(dòng)性能的影響

圖6、7為充液量79.7g，加熱功率分別為150、200W時(shí)，運(yùn)行過程冷凝器通恒定流量25℃冷卻水時(shí)的啟動(dòng)性能。與圖5相比較，圖6中熱管啟動(dòng)時(shí)間為36min稍高于未通冷卻水啟動(dòng)時(shí)間，但啟動(dòng)溫度相同。這是由于HLTS在兩種工況下的初始溫度不同，初始溫度越低，啟動(dòng)時(shí)間越長。此外，對比圖6、7，由于加熱功率增加，使得熱管溫度上升速率增加，因此熱管啟動(dòng)時(shí)間變短，但是啟動(dòng)溫度不變。所以啟動(dòng)溫度與冷凝量和加熱功率均無關(guān)，啟動(dòng)時(shí)間隨冷凝量的減少和加熱功率的增大而變短。

圖6 150W加熱功率啟動(dòng)曲線

圖7 200W加熱功率啟動(dòng)曲線

3.4熱阻分析

文中，對于循環(huán)冷卻水時(shí)HLTS換熱器的傳熱熱阻RHLTS計(jì)算公式如下：

式中，Te為蒸發(fā)段管壁平均溫度，Te=(K01+K02+K03+K04+K05)/5，Tf為冷卻水的平均溫度，Tf=(T09+T10)/2，Q為傳輸功率。

圖8為冷卻水溫度25℃，不同流量下總熱阻隨加熱功率的變化。可見熱阻隨著加熱功率和冷卻水流量的增加而降低。當(dāng)冷卻水流量為0.081 5m3/h時(shí)，總熱阻在200W加熱功率下為1.00℃/W，700W加熱功率下最小為0.50℃/W，分別比0.085 5m3/h時(shí)高出0.20、0.12℃/W。

圖8 不同冷卻水流量下總熱阻隨加熱功率的變化

4 結(jié)論

4.1U形段內(nèi)將形成有效液封，避免環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)的雙向流動(dòng)，提升其傳熱穩(wěn)定性。

4.2HLTS啟動(dòng)特性與充液率和加熱功率有關(guān)。HLTS在加熱功率為150W，充液量79.7g時(shí)的啟動(dòng)溫度為130℃，啟動(dòng)時(shí)間為29min，啟動(dòng)性能優(yōu)于充液量121.9g的啟動(dòng)性能。加熱功率增大有助于縮短啟動(dòng)時(shí)間，對啟動(dòng)溫度無影響。

4.3HLTS總熱阻隨功率的增加、冷凝量的增加而減小，在工作溫度為200～400℃時(shí)傳熱熱阻為0.91～0.69℃/W，傳熱性能較好。該HLTS可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)段水平放置時(shí)的高效傳熱，可進(jìn)一步移植和放大，用作槽式太陽能集熱管，為槽式集熱器的開發(fā)利用提供新的途徑。

[1] 黃素逸，黃樹紅.太陽能熱發(fā)電原理及技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2] Zhang P L，Wang B L，Shi W X，et al.Experimental Investigation on Two-phase Thermosyphon Loop with Partially Liquid-filled Downcomer[J].Applied Energy，2015，160：10～17.

[3] Filippeschi S.Comparison between Miniature Periodic Two-phase Thermosyphons and Miniature LHP Applied to Electronic Cooling Equipment[J].Applied Thermal Engineering，2011，31(5)：795～802.

[4] Bai L Z，Zhang L P，Lin G P，et al.Development of Cryogenic Loop Heat Pipes：A Review and Comparative Analysis[J]. Applied Thermal Engineering，2015，89：180～191.

[5] Wang Z Y，Yang W S.A Review on Loop Heat Pipe for Use in Solar Water Heating[J].Energy and Buildings，2014，79：143～154.

[6] Oliveira J L G，Tecchio C，Paiva K V，et al.In-flight Testing of Loop Thermosyphons for Aircraft Cooling[J].Applied Thermal Engineering，2016，98：144～156.

[7] He J，Lin G P，Bai L Z，et al.Effect of Non-condensable Gas on Startup of a Loop Thermosyphon[J].International Journal of Thermal Sciences，2013，72：184～194.

[8] He J，Lin G P，Bai L Z，et al.Effect of Non-condensable Gas on Steady-state Operation of a Loop Thermosyphon[J]. International Journal of Thermal Sciences，2014，81：59～67.

[9] Benn S P，Poplaski L M，F(xiàn)aghri A，et al.Analysis of Thermosyphon/Heat Pipe Integration for Feasibility of Dry Cooling for Thermoelectric Power Generation[J].Applied Thermal Engineering，2016，104：358～374.

[10] Chen S J，Yang J.Loop Thermosyphon Performance Study for Solar Cells Cooling[J].Energy Conversion and Management，2016，121：297～304.

[11] Chehade A A，Louahlia-Gualous H，Le Masson S，et al.Experimental Investigation of Thermosyphon Loop Thermal Performance[J].Energy Conversion and Management，2014，84：671～680.

[12] Franco A，F(xiàn)ilippeschi S.Experimental Analysis of Closed Loop Two Phase Thermosyphon (CLTPT) for Energy Systems[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2013，51：302～311.

[13] 朱躍釗，王銀峰，陳海軍.太陽能中高溫環(huán)路熱管蒸汽發(fā)生器[P].中國：201410535919.0，2015-01-14.

ExperimentalInvestigationofHeatTransferPerformanceofMedium-temperatureHorizontalLoopThermosyphon

XIONG Guo-hui, WANG Yin-feng，YAN Xin,FAN Hong-tu，ZHU Yue-zhao

(SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

A medium-temperature horizontal loop thermosyphon (HLTS) was developed. Through taking the dowtherm as working fluid, a platform was set up to investigate the HLTS’ start-up performance and heat transfer performance. The results show that, the liquid seal structure at the U-segment can effectively prevent two-way flow of two-phase dowtherm within the HLTS and enhance its heat transfer performance; the filling rate has a significant influence on the HLTS’ heat transfer performance. When the filling rate is 45.5% along with a 150W heat power, 130℃ start-up temperature and 29min-long start-up time, the HLTS’ starting performance is better than that of the HLTS with a 70.5% filling rate. The HLTS has better heat transfer performance when the heat transfer resistance ranges from 0.91℃/W to 0.69℃/W with the working temperature ranging from 200℃ to 400℃. The HLTS can be transplanted and amplified and taken as a thermal-collecting tube for the groove-type collector used in solar energy utilization.

HLTS, medium-temperature,start-up performance, filling rate, heat transfer performance

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276086)；國家科技支撐計(jì)劃(2014BAJ01B06)。

熊國輝(1990-)，碩士研究生，從事太陽能熱利用和熱管技術(shù)方面的研究。

聯(lián)系人朱躍釗(1958-)，教授，從事熱科學(xué)與工程等方面的研究，zyz@njtech.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)05-0507-05

2016-11-23)