傾斜重力型分離式熱管的換熱性能研究

劉玉清 郭佳超 李浩鵬 田小亮

(青島大學 機電工程學院，山東 青島266000)

對生產過程中的能量進行回收，能夠有效提高廠家的節能減排水準，對管道上的熱量進行回收，需要使用到特殊的換熱器。熱管近年來被進行了廣泛的研究，由于其在熱量傳遞性能上的優秀表現，在眾多領域均有應用，如熱管熱泵聯合干燥[1]、航空航天[2]、太陽能利用[3]、化工生產[4]、數據中心冷卻[5]等。熱管的種類形式有很多，包括虹吸式熱管、重力型熱管、分離式熱管、動力型熱管等，影響熱管換熱的因素也有很多，其中對重力型熱管而言，一個重要的影響因素就是熱管的傾斜角度。梁玉輝等[6]人對并聯式脈動熱管進行了研究，將該類熱管以60°、90°的傾斜角度進行放置，并施加以35%、50%、70%充注率的工況，發現在同一充注率時，傾斜角度60°時的傳熱性能明顯要比90°要差。戰洪仁等[7]人對重力型熱管應用Fluent 進行了模擬研究，并根據對比實驗結果發現，重力型熱管的性能最優點出現在57°。史維秀等人對多通路并聯脈動熱管進行了研究，通過對壁面溫度和傳熱熱阻的分析得出，在60°、75°、90°傾斜角度中，隨著傾斜角度的變小，傳熱熱阻逐漸增大，傳熱極限逐漸變小，重力對于該類熱管的影響效果是十分顯著的。對于環狀管中的多傾角換熱性能研究，國內的文獻略有空缺，Kang 等[8,9]人對多傾角環狀管內的換熱現象進行了研究，同時與圓管內的沸騰做了對比，表示環狀管中的沸騰與圓管略有區別，其最佳換熱性能出現在90°傾角。

綜合上述討論，傾斜角度對于熱管這種高效換熱器具有明顯的影響，對于熱管換熱器最佳傾斜角度的研究是很有意義的，故本文搭建重力型分離式熱管試驗臺，采用環狀管蒸發器，對環狀熱管蒸發器這一熱量吸收單元進行多傾角研究，提供重力型熱管關于多傾角方面的試驗結論。

1 多傾角重力型分離式熱管試驗臺

對重力型分離式熱管進行多傾角的實驗，其關鍵在于如何將換熱器轉換角度。本文設計了如圖1 所示的多傾角重力型分離式熱管試驗臺，蒸發器與冷凝器之間采用不銹鋼編織水管連接，對所有區域采用15mm 橡塑保溫棉進行保溫，主要試驗部件為一內管30mm、外管60mm、環空間隙15mm 的不銹鋼材質環形管蒸發器，管長1450mm，沿軸向設置有5 組溫度傳感器，并在入口和出口處設置壓力傳感器，用于監控工況，循環工質使用的是蒸餾水。

圖1 多傾角重力型分離式熱管試驗臺

環狀管蒸發器采用熱水供熱，冷凝器采取風冷形式。實驗開始前，先對重力型分離式熱管系統抽真空，之后分別充注36.7%、40%、43.3%、48.3%的工質水，開啟循環熱水系統，為蒸發器供熱，待循環熱水平均溫度達到約75℃時，打開冷凝器風機，調節循環熱水加熱功率，使熱管蒸發壓力穩定在26000 Pa，使環狀管蒸發器在45°、60°、75°、90°進行試驗。

2 實驗結果處理

環狀管與循環熱水之間的換熱量可以通過式（1）獲得

其中Q0為環狀管換熱量，m0為循環熱水質量流量，cp為循環熱水比熱容，△T0為循環熱水進出口溫差，Tin、Tout為循環熱水進出口溫度，環狀管蒸發器的蒸發側平均表面換熱系數havg，采用式（3）進行計算

其中q 為平均熱流密度，由式（4）計算得到，A0為整管換熱面積，Ti,o為循環熱水內管外壁面的特征溫度，由式（5）計算得到，Tsat為獲取得到的工況壓力對應的飽和溫度。

3 實驗結果分析

圖2 循環水溫度與蒸發過熱度隨角度的變化

圖3 蒸發側平均表面換熱系數隨角度的變化

如圖2 所示蒸發側平均表面換熱系數havg隨環狀管蒸發器傾斜角度的變化，可以明顯的觀察到，havg在45～90°范圍內存在一個極小值，對36.7%和48.3%而言，極小值發生在60°，對40%和43.3%而言，極小值發生在75°，故可認為，帶有環狀管蒸發器的重力型分離式熱管，在36.7%至48.3%充注量時，蒸發管在45°至90°范圍內的蒸發側表面換熱系數變化趨勢為先減小后增大。

如圖3 所示，當該類熱管蒸發器傾角處于最差換熱性能對應工況時，循環熱水溫度也是處于峰值狀態，同時過熱度的表現趨勢也與循環熱水溫度趨勢一致，同havg變化趨勢恰好相反，由式（3）可知這是符合物理規律的。

4 結論

綜上所述，在工程應用中，若要使得該類重力型分離式熱管能夠有效回收管道的能量，應當避免用于吸收熱量的環狀管蒸發器安裝在60～75°管道上，且應安裝在豎直管道，或傾斜角度較小的管道上，以獲取最大的換熱性能，實現有效的能量回收。