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)

中温水平环路热虹吸管传热性能实验研究①

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)

研制了一套中温水平环路热管(HLTS)。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HLTS的启动和传热性能。实验结果表明：U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45.5%，加热功率为150W时，启动温度为130℃，启动时间为29min，启动性能优于初始充液率为70.5%工况；工作温度为200～400℃时传热热阻0.91～0.69℃/W，传热性能较好。该HLTS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。

水平环路热虹吸管 中温 启动特性 充液率 传热性能

环路热虹吸管[1,2](Loop Thermosyphon，LTS)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[3～6]。

LTS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。He J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[7,8]。Benn S P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[9]。Chen S J和Yang J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7倍[10]。Chehade A A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7%～10%，并且冷却水温度为5℃，流量为0.7L/h时工作性能最好[11]。Franco A和Filippeschi S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1kW时用水作为传热工质传热性能优于乙醇工质[12]。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200℃。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[13](Horizontal Loop Thermosyphon，HLTS)，采用简单而有效的U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A(C12H10和C12H10O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HLTS的启动和中温传热性能进行研究，探索其运行机制，为HLTS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1所示，主要由蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降管(含U形段)组成。壳体材料为不锈钢，热管工质采用导热姆A。U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U形段，而后回流到蒸发段中。

图1 水平环路热虹吸管结构

HLTS的结构参数为：蒸发段为规格φ25mm

×2mm的圆管，长度为500mm；上升管、冷凝段和下降管均为规格φ8mm×1mm的圆管，有效长度分别为170、500、115mm。此外，冷凝段外绕有金属翅片和冷凝换热器，换热面积为0.055m2。

2 实验

2.1实验装置

对HLTS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。HLTS实验系统温度测点热电偶布置如图2所示，其中，测点K07和K06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T01～T055根Pt100铂电阻，对应的在蒸发器外壁面布置K01～K055根K型热电偶；U形段布置T06～T083根Pt100铂电阻。冷凝段换热器冷却水进出口分别布置T09和T10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Agilent34970A进行数据采集。系统采用硅酸铝和岩棉包裹保温。

图2 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HLTS预充入135.3g导热姆工质；设置加热温度为350℃，对蒸发段加热；当蒸发段达到设定温度时，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2min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A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121.9、79.7g的环路热管进行实验研究。实验测试条件见表1。

表1 HLTS实验测试条件

3 实验结果与讨论

3.1温度对充液率的影响

本实验HLTS蒸发段水平布置，导热姆A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3为充液量为121.9、79.7g时HLTS内充液率随温度的变化曲线(不考虑HLTS启动后液池内气泡的影响)。热管充液量为121.9g时，环境温度(25℃)下充液率为70.5%；当温度达到350℃时其充液率达到100%，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79.7g时在环境温度和350℃时的充液率分别为45.5%和64.0%。

图3 不同温度下充液率变化曲线

3.2启动性能

加热功率为150W时，HLTS在两种充液量下的启动性能如图4、5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K07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U形段，而单向流入上升管，冷凝段入口温度测点K07迅速上升，热管启动。如图4所示，冷凝段入口温度测点K07在56min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K06也因此升高，当冷凝液回流到U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Te和冷凝段入口温度测点K07温差达到稳定阶段，热管进入完全启动，最终Te和K07温差不超过3℃，热管均温性良好。

图4 充液率70.5%启动曲线

图5 充液率45.5%启动曲线

图4中由于U形段温度测点T08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U形段时温度降低，热管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121.9、79.7g实验工况下启动时间分别为56、29min，启动温度为225、130℃，启动后至稳定时间为34、26min。所以充液率为45.5%时的启动性能优于70.5%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6、7为充液量79.7g，加热功率分别为150、200W时，运行过程冷凝器通恒定流量25℃冷却水时的启动性能。与图5相比较，图6中热管启动时间为36min稍高于未通冷却水启动时间，但启动温度相同。这是由于HLTS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6、7，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6 150W加热功率启动曲线

图7 200W加热功率启动曲线

3.4热阻分析

文中，对于循环冷却水时HLTS换热器的传热热阻RHLTS计算公式如下：

式中，Te为蒸发段管壁平均温度，Te=(K01+K02+K03+K04+K05)/5，Tf为冷却水的平均温度，Tf=(T09+T10)/2，Q为传输功率。

图8为冷却水温度25℃，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0.081 5m3/h时，总热阻在200W加热功率下为1.00℃/W，700W加热功率下最小为0.50℃/W，分别比0.085 5m3/h时高出0.20、0.12℃/W。

图8 不同冷却水流量下总热阻随加热功率的变化

4 结论

4.1U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。

4.2HLTS启动特性与充液率和加热功率有关。HLTS在加热功率为150W，充液量79.7g时的启动温度为130℃，启动时间为29min，启动性能优于充液量121.9g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。

4.3HLTS总热阻随功率的增加、冷凝量的增加而减小，在工作温度为200～400℃时传热热阻为0.91～0.69℃/W，传热性能较好。该HLTS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。

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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

国家自然科学基金项目(51276086)；国家科技支撑计划(2014BAJ01B06)。

熊国辉(1990-)，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(1958-)，教授，从事热科学与工程等方面的研究，zyz@njtech.edu.cn。

TQ051.21

A

0254-6094(2017)05-0507-05

2016-11-23)