新型重力热管换热器传热性能的实验研究

曹小林，曹双俊，曾伟，王芳芳，李江，池东

(中南大学 能源科学与工程学院，流程工业节能湖南省重点实验室，湖南 长沙，410083)

摘要：基于常规重力热管换热器难以安装翅片结构以强化管外换热，提出一种新型结构形式的重力热管换热器，该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成。并建立实验测试平台，进行一系列对比实验，重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响。研究结果表明：加热功率对热管的运行性能有重要影响；当工质充液率约为20%时，热管换热器具有最小运行热阻；在最佳充液率为20%和加热功率为360 W时，运行热阻随倾角的增加有减小趋势，但当加热功率较大时，倾角对热管换热器的运行热阻影响不大；随着冷凝端风速的增加，热管换热器的运行热阻不断减小。

关键词：传热；换热器；热管；热阻

中图分类号：TK172          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)06-2419-05

Experimental investigation on heat transfer characteristics of novel gravity-assisted heat pipe heat exchanger

CAO Xiao-lin, CAO Shuang-jun, ZENG Wei, WANG Fang-fang, LI Jiang, CHI Dong

(Hunan Key Laboratory of Energy Conservation in Process Industry,

School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: Based on the fact that normal gravity-assisted heat pipes are difficult to be enhanced with fins, an innovative gravity-assisted heat pipe was developed, which is made of several rectangular channels in parallel instead of normal round channels. A test apparatus was set up, with which the influences of heating input power, filling ratio, inclination angle and air velocity at condenser section on the heat transfer performance were investigated by contrast tests. The results show that heating input power has an important effect on heat transfer characteristics. The minimum heat transfer resistance is gotten at the filling ratio of about 20%. When filling ratio is 20%, the thermal resistance decreases slightly with the increase of the inclination angle when the input power is 360 W, but the inclination angle has little effect on thermal resistance for higher heat input power. The thermal resistance decreases gradually as the air velocity with the increase of condenser section.

Key words: heat transfer; heat exchanger; heat pipe; thermal resistance

与普通热管相比，重力热管不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠。在地面上的各类传热设备中，重力热管都可作为高效传热元件^[1-2]，其应用领域与日俱增。重力热管的优点引起了国内外学者的广泛关注。Sarmasti等^[3]通过实验研究了长径比、充液率和倾角对重力热管传热性能的影响，指出当长径比不同，且倾角为60°、充液率为45%时热管具有最佳传热性能。Jouhara等^[4]对小管径的重力热管进行了实验研究，试验结果表明：当加热功率大于40 W时，以水为工质时具有较好的传热性能；而当加热功率小于40 W时，以FC-84或FC-77为工质则呈现了较好的传热性能。Wangnippanto^[5]以铜质重力热管(水为工质)为实验对象，研究了倾角对热管传热效率的影响，发现当倾角为22.5°、充液率为30%时热管具有最大传热率。Terdtoon等^[6]通过实验分析了热管长径比对倾斜重力热管传热性能的影响，发现当长径比小于10时，随着倾斜角度的增加，热管传热能力有下降的趋势，当长径比大于10时，倾角对热管传热能力影响不大。何曙等^[7]提出一种带内循环管的新型重力热管并进行了实验测试，结果表明内循环管的引入使热管蒸发段导热系数提高了11.5~13倍。郭广亮等^[8]使用水基多壁碳纳米管悬浮液为工质，进行了小型重力热管换热特性的实验研究，得到了较好的效果。彭玉辉^[9]在以水为工质的重力热管中添加纳米颗粒，使其传热能力大大提高。但Sameer等^[10]则指出纳米流体的引入使重力热管的传热性能恶化。这一方面的研究还有待深入。卫红等^[11]针对经典Nusselt理论解的局限性，进一步考虑了摩擦切应力的影响，重点对圆形重力热管层流膜状凝结进行了理论分析。焦波等^[12-14]根据管内工质的分布将重力热管工作状态分为3种形式及2种过渡，建立了综合的数学模型。Asghar等^[15]则利用商业软件FLUENT中的VOF模型对重力热管内部的温度场和流场进行了模拟。值得注意的是，常规的重力热管安装翅片较为困难，这无疑削弱了其换热效率。为此，本文作者提出一种新型结构形式的重力热管换热器，它是在常规管带式换热器的基础上进行改进，通过充注合适适量的工质，在重力热管的运行机理下工作。新型重力热管换热器采用百叶窗形式的翅片结构，换热效果大大增强，结构更加紧凑。为了拓宽应用范围，实现能源的高效利用，对其传热性能的试验研究具有重要意义。

1  实验装置与方法

1.1  新型重力热管换热器的结构形式

本实验采用的新型热管换热器是在常规管带式换热器基础上改进而成。根据需要在扁管之间钎焊翅片，两端安装端板，中间安装隔板，如图1(a)所示。翅片采用波纹状，并进行开缝加工，采用百叶窗型式。扁管内部由格栅将其分隔成若干通道，如图1(b)所示。

与常规重力热管相比，新型重力热管换热器主要有以下特点：(1) 可以方便地安装翅片结构，增强蒸发段和冷凝段的换热效果。而且翅片型式采用开缝的百叶窗结构，增大换热面积的同时，冲缝结构阻碍了翅片表面空气边界层的形成，可以进一步实现强化换热；(2) 不同于常规的重力热管(断面为圆形)，新型装置的通道截面为方形，冷凝液膜易于在角部聚集，利于液膜回流，从而冷凝段液膜厚度减小，使冷凝段热阻进一步下降。

图1  新型重力热管换热器结构形式

Fig.1  Structures of novel heat pipe heat exchanger

1.2  新型重力热管换热器测试平台

新型重力热管换热器性能测试平台如图2所示。实验时，将新型热管换热器④的蒸发段插入保温腔体⑦内的室内风管⑥中，通过室内风机②的牵引作用，经过加热器①加热的室内空气与热管蒸发段强制对流换热。同时，将冷凝段置于室外风管⑤中，通过室外风机③的作用，室外空气与热管冷凝段强制对流换热。穿过保温材料的管段即为热管绝热段。

1.3  实验测试方法

实验时，选用R22作为工质，通过调节加热器输入功率控制室内加热量，采用Pt100铂热电阻测量室内外温度。采用温度精度为0.1 K的T型热电偶测量换热器表面温度。采用QDF-3型热球式电风速仪(误差为±5%)测试冷凝段风速时，在室外风管出口截面上取9个点(3行3列)分别测量。

换热器表面温度测试点分布方式如图3所示，蒸发段、绝热段、冷凝段共计21个测温点。

此外，在实验过程中，视保温腔体传热系数为常数，由漏热量实验确定。

图2  热管换热器测试平台简图

Fig.2  Schematic of heat pipe heat exchanger test bench

图3  温度测试点分布示意图

Fig.3  Schematic of thermocouple locations

2  实验数据处理

定义热管的运行热阻为蒸发段和冷凝段的温度差与总传热量的比值，即：

          (1)

式中：R_T为运行热阻，K/W；T_e和T_c分别为蒸发段和冷凝段的温度平均值，K；Q为加热器的输入功率，W；Q_l为漏热量，W。蒸发段温度平均值T_e为：

                (2)

式中：i =1，2，3；j=1，2，3；n为蒸发段测温点数量，为9。

冷凝段温度平均值T_c为：

               (3)

式中：i =5，6，7；j =1，2，3；m为冷凝段测温点数量，为9。漏热量Q_l为：

              (4)

式中：k为保温腔体的传热系数(由漏热量试验计算确定)，W/(K·m²)；A为保温腔体的表面积，m²；T_in为保温腔体内温度，K；T_o为保温腔体外环境温度，K。

冷凝段风速为：

               (5)

3  试验结果与讨论

3.1  加热功率及工质充液率对传热性能的影响

图4所示为不同加热功率下充液率(充注液态工质体积与热管总容积的比值)与运行热阻的关系图。工质充注量直接影响管内工质的分布形式，进而影响运行热阻。由图4可知：不同加热功率下当工质充液率约为20%时热管换热器具有最小的运行热阻；当加热功率为360 W时，运行热阻较大，当加热功率为640 W或720 W时运行热阻较小，且二者相差不大。在较小加热功率下，蒸发段工质沸腾产生气泡，但数量较少，气泡之间互不干扰，换热强度相对较小；随着加热功率的增加，汽化核心增加，气泡数量增加，气泡之间相互扰动，最终使换热系数提高。

图4  工质充液率对运行热阻的影响

Fig.4  Effect of filling ratio on thermal resistance

3.2  热管换热器倾角对传热性能的影响

图5所示为热管换热器倾角与运行热阻的关系图。由图5可知：当加热功率为360 W时，随着倾角的增大，运行热阻有减小的趋势；当加热功率为640 W或720 W时，倾角对运行热阻影响较小。这与文献[6]中的结论相似。这是因为：当加热功率较小时，重力对液膜起主要作用，随着倾角增加，重力作用效果增强，利于液膜的回流；冷凝段液膜厚度减小，运行热阻下降；而当加热功率较大时，虽然此时重力作用效果随倾角的增加而增强，但由于管道尺寸较小，向上的气流速度增大，气体对液膜向上的剪切力亦随之增大，导致运行热阻受倾角影响不大。

3.3  冷凝段风速对传热性能的影响

图6所示为冷凝段风速与运行热阻的关系图。由图6可知：随着冷凝段风速的增大，热管换热器运行热阻不断减小。这是因为：当风速增大时，强制对流作用增强，冷凝段与室外空气的换热热阻减小，最终使热管换热器的运行热阻减小。

图5  倾角对运行热阻的影响

Fig.5  Effect of inclination angle on thermal resistance

图6  冷凝段风速对运行热阻的影响

Fig.6  Effect of air velocity at condenser section on thermal resistance

4  结论

(1) 加热功率对热管传热性能有重要影响。

(2) 在选用R22作为工质，当工质充液率约为20%时，热管换热器具有最小运行热阻。

(3) 当充液率为20%、加热功率为360 W时，随着倾角的增加，运行热阻有减小趋势；而当加热功率较大时，倾角对运行热阻影响较小。

(4) 随着冷凝段风速的增加，热管换热器的运行热阻不断减小。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-06-15；修回日期：2011-08-23

基金项目：中央高校基本科研业务费“中南大学自由探索研究创新基金资助项目”(201011200026)

通信作者：曹小林(1969-)，男，湖南益阳人，博士，教授，从事制冷系统热物理过程和建筑节能技术的研究；电话：13507474378；E-mail：xlcao@csu.edu.cn