华 帅，赵树兴，沈 洋，许康鹿

（1.天津城建大学天津300384；2.杭州城乡建设设计院股份有限公司杭州310000）

重力热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它依靠重力作用通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量.与其他类型热管相比，由于没有吸液芯，结构简单，易于加工且兼具高效导热性、均温性、热二极管性等优点被广泛应用于航天设备热控制、电子电路冷却和余热回收等方面[1-2].

目前有关重力热管的传热研究，工作温度范围多集中在100 ℃以上的高温和-20 ℃以下的低温[3-5]，对于浅层地温条件下的重力热管研究较少.田亚护等[6]利用三维有限元分析法对浅层地温条件下的重力热管横向和纵向温度场分布开展了数值模拟研究，并对其温度场变化趋势进行了预测；郑广瑞等[7]以氨为工质，对重力热管的内壁面温度分布及周围土壤温度分布进行了数值模拟计算和实验验证.可见关于浅层地温条件下的重力热管传热研究多与温度分布规律的数值模拟和实验验证相关.本文旨在通过实验研究的方法在浅层地温条件下，对以甲醇为工质的重力热管的传热量、壁面温度分布和启动时间进行初步实验研究.

1 实验系统

本文设计并搭建了模拟浅层地温条件下的重力热管实验系统，该系统由实验用重力热管、加热系统、冷却系统、温度测量和数据采集系统[8]四个部分组成，可以测定浅层地温条件下重力热管的传热特性.系统基本组成详见图1.

1.1 实验用重力热管

目前，实际工程应用中浅层地温条件下的常见重力热管管径范围60～160 mm，长度范围4～13 m.本实验用重力热管采用5 ∶1 等比缩小，材质为黄铜，管内工质为甲醇，长度800 mm，外径32 mm，内径27 mm，蒸发段、绝热段和冷凝段长度分别为550、150 和100 mm.热管外包裹有绝热保温棉，可减少传热过程中的热量耗散.

图1 地埋重力热管实验系统原理

1.2 加热系统

由一个“220 V、50 HZ”可调电源和一条电加热带组成，连接温度传感器，可实现温度调节范围0～100 ℃；可调精度1 K，功率100 W/m；加热段采用电阻丝均匀缠绕在重力热管的蒸发段实现加热；输入功率可按照缠绕电热带的长度进行换算.

1.3 冷却系统

热管的冷凝段采用水冷方式冷却，整个冷却系统由恒温水箱、循环水泵、流量计、水浴套筒和管路组成.恒温水箱可提供-5～100 ℃的温度调节范围，最大制冷量1 500 W；并对管道及容器均以绝热海绵包裹，尽可能避免水循环沿途过程中的热量损失.

1.4 温度测量和数据采集系统

该系统由K 型镍铬-镍硅热电偶、MX100 style S3数据采集仪和计算机终端组成.该套设备使用方便快捷，具有多个数据通道，同时处理多组采集信号，可调整测试频率、时间间隔.温度测量范围-50～400 ℃，测量精度0.1 K，且在实验开始前进行校正，热电偶测点按要求等间距布置在热管的外壁面，如图2 所示.

图2 重力热管温度测点分布

2 实验研究与分析

围绕实验用重力热管，通过可调电源电加热方式模拟浅层土壤环境温度（温度范围10～20 ℃），配置相应的冷、热源，动力设备和数据采集装置，完成实验用重力热管传热特性的测试与分析.

2.1 传热量测试与分析

实验在加热温度为10～20 ℃的范围内进行热管传热量的测试，取测温间隔为2 ℃，以充液量的不同分3组（充液率为20%、40%、60%），每组测6 个温度值（加热温度为10，12，14，16，18，20 ℃）的数据.通过恒温水箱控制冷却水温度恒定在5 ℃，调节加压水泵和阀门开度，使循环水流量稳定在200 L/h.由于热管实际传热量等于冷却水冷却吸收的热量，本实验采取供回水温差来确定热管实际传热量，具体公式如下

式中：P 为热管实际传热量功率，W；PC为冷却水冷却功率，W；M 为冷却水流量，kg/h；CP为冷却水的定压比热，J/（kg·℃）；TO、Ti分别为冷却水进、出口温度，℃；V 为冷却水体积流量，m3/s；ρ水为水的密度，kg/m3.

由公式（1）整理计算得到各工况下热管传热量变化曲线如图3 所示.从实验结果可以看出，虽然每一组管内充液量不同，但传热量始终是随着加热温度的升高而逐渐加大的.这是由于随着管壁加热温度增加，蒸发段热流密度逐步增加，管内液池沸腾的更为剧烈，工质蒸汽在热压驱动作用下向上部的冷凝段更快地移动，从而交换更多的热量.

图3 各工况下热管传热量

同理得到各充液率下热管传热量变化曲线，如图4 所示.从图中可以看到，随着管内充液量的增加，热管的传热量先增大后减小.这是由于蒸发段主要以沸腾换热为主，加热温度一定，当管内工质充液率较小时，蒸发段液池受热大量沸腾、蒸发，其蒸发量大于冷凝液回流量，导致底部液池降低，沸腾减弱，传输热量减小.当管内充液率较大时，如60%充液率的热管底部液池较深，液池工质蒸发过慢，冷凝液体未能充分吸热蒸发就返回液池形成冷池，池内核态沸腾大幅降低，热管传热量反而减小.

图4 各充液率下热管传热量

进一步整理数据得到在不同加热温度及充液率条件下的热管每米换热量，如表1 所示.从表中可以看到：在10～20 ℃加热温度下，每米传热量最大值出现在充液率40%工况下（29～54 W）；热管每米传热量随着加热温度的提高而逐步增大；在充液率40%工况下每提高1 ℃，每米传热量大约提高2.5 W.

表1 各工况条件下热管单位长度传热量

2.2 壁面温度测试与分析

基于本实验搭建的实验台，在重力热管绝热段与冷凝段布置5 个测点，按照GB/T 14812—93 重力热管传热性能试验标准[9]，当测点温度变化在5 min 内小于1 K 时，可认为热管达到稳定状态.数据采集仪每10 s采集一次数据，稳定时不同充液率下测点的温度分布如图5 所示.

由图5 可以看出，在10，15，20 ℃加热温度下，绝热段与冷凝段各测点的温度变化较小，温差基本均小于3 ℃，变化趋势平缓.当加热温度升高，重力热管冷凝段的壁面温差相对增大，这是由于此时管内液池部分的核态沸腾更为剧烈，部分贴壁流动的液态甲醇在到达液池之前被高速上升气流卷回上端，出现内壁面局部干涸现象，导致壁面温度升高.此外，根据El-Genk M等[10]的研究，当热流密度增大至一定值时，流态转变为核态沸腾，液池出现大量气泡，热管蒸发段换热系数也会显著增大，所以在较高加热温度下，整个蒸发段内都可以处于沸腾状态，热管绝热段与冷凝段的温差反而减小.

图5 各充液率下重力热管各测点温度分布

2.3 启动时间测试与分析

热管的启动时间是热管性能的重要技术参数，它表明热管能否快速稳定地进入工作状态，充液量过高或者过低都可能影响热管的正常启动，对于实际工程具有重要意义.本实验以甲醇为工质，模拟浅层地温条件下的重力热管在不同加热温度和不同充液量影响下的启动特性，同时对蒸发段、冷凝段壁面温度变化过程进行了分析.

实验中在热管充液率一定条件下（20%），设置加热段的加热温度分别为10，15，20 ℃，测试热管的启动时间，即热管首次达到上下波动温度幅值平均值的时间点，测试结果如图6 所示；在加热温度一定的条件下（15 ℃），充液率分别为20%，40%，60%时进行热管的启动性能测试，测试结果如图7 所示.

图6 加热温度与启动时间关系曲线

图7 充液率与启动时间关系曲线

由图6 实验结果看出，加热温度越高，重力热管启动时间越短.热管启动在10，15，20 ℃加热温度下分别需要480，420，300 s，20 ℃与10 ℃下热管启动时间相差可达60%.这是由于加热温度越高，通过壁面向管内甲醇液体传递的热量越大，管内液池沸腾更为剧烈，可让重力热管在更短的时间内启动.另外，重力热管冷凝段壁面温度分布的曲线随着时间的推移出现了一定幅度的上下波动，这是由于电加热设备电流不够稳定导致的，对实验结果影响不大.

如图7 所示，表明重力热管在充液率20%，40%，60%情况下均能正常启动.在充液率分别为20%，40%，60%的工况下，实验测试的重力热管启动时间分别为480，440，450 s，说明充液率对启动时间影响不大（最长与最短启动时间相差不到10%）；同时启动时间并非随着充液率的增加而单调增加，而是在一定范围内会出现一个最佳值，本实验充液率为40%的工况下，热管启动时间最短.

3 结 论

本文在浅层地温条件下，对以甲醇为工质的重力热管在不同工作温度、不同充液率下的传热量及壁面温度分布和启动时间进行了初步实验研究，得出如下结论.

（1）实验用重力热管的传热量受充液率的影响较大.在浅层地温条件下（10～20 ℃），热管的传热量随着管内充液量的增加先增大后减小，充液率达到40%时传热量出现最大值（29～54 W）；热管每米传热量随着加热温度的提高而逐步增大，在充液率40%工况下的每米传热量每升高1℃大约可提高2.5 W.

（2）冷凝段与绝热段壁面温差受加热温度影响不大.在10，15，20 ℃加热温度下，各测点温度变化较小且温差均小于3 ℃；加热温度升高，热管冷凝段与绝热段的壁面温差会相对增大，当热流密度增大至一定值时，温差反而减小.

（3）在充液率20%，40%，60%下，重力热管均能正常启动.不同充液率影响的启动时间相差不大，最长与最短启动时间相差不到10%；而加热温度对热管的启动性能影响显著，且加热温度越高启动时间越短，20 ℃与10 ℃下热管启动时间相差可达60%.