微通道型分离式热管传热性能实验研究

金 鑫 瞿晓华 祁照岗 陈江平

(上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

分离式热管由于其蒸发器和冷凝器的可分离性，具有诸多优点，应用范围广泛[1]。目前，大型和中型分离式热管得到了比较充分的研究，其应用也获得了长足的发展[2]。但是，随着科技的发展，小型紧凑型热管的需求正在增加，出现了各种各样的换热器形式。郝莹等对采用蛇形翅片管作为分离式热管的换热器的情况进行了研究，得出各影响因素与热管换热量的规律，实验表明，随着蒸发器进风温度的升高。蒸发器与冷凝器换热系数都是呈现先增大后减小的趋势。在冷凝端进风温度恒定为16.55℃、蒸发端进风温度低于60℃时，以R600a为工质的分离式热管的传热量曲线近似于二次曲线，蒸发端进风温度高于60℃时，其传热量曲线近似于一条直线。加大充液率及增加蒸发器与冷凝器的高度差，分离式热管的传热能力均会得到提高[3]。陈岚等则对水平排管串联型分离式热管进行了实验研究，分析了充液率与换热量和换热系数的关系，得出该分离式热管在以丙酮为工质、设定的加热功率为1400W、空气流速1.3m/s时，最佳充液率为70%～114%[4]。唐志伟等对由5根直径20mm的无缝钢管短管束组成的换热器作为分离式热管换热器进行了实验研究，结果表明该小型分离式热管最佳充液率按蒸发段总容量计为48%～63%，按管束总容量计为20%～40%[5]。微通道型换热器因为其结构紧凑、风阻小和换热能力强等优点，在空调行业得到了广泛的应用。但是将其作为分离式热管换热器的研究报道较少，对于微通道型分离式热管的充液率与换热量和换热系数的变化规律更是鲜有报道。

这里使用微通道型换热器作为分离式热管的蒸发器和冷凝器，并搭建试验台对其性能进行实验研究。主要研究充液率、高度差、温差和进出口数量等不同因素对微通道型分离式热管单位面积换热量的影响规律。

1 实验装置及数据分析

1.1 实验装置

实验所用分离式热管系统如图1所示，系统由蒸发器、冷凝器、上升管和下降管等部件组成。蒸发器和冷凝器结构完全相同，其中冷凝器位于上部，两器的高度差为1.2m，足以克服换热器内的压力损失。下降管处装有排气阀，同时排气阀还可作为工质的充注口。系统以R134a为工质。

图1 分离式热管系统图Fig.1 System of the separate heat pipe

图2 微通道管结构Fig.2 Structure of the microchannel

此分离式热管的特点是采用微通道型换热器作为蒸发器和冷凝器，微通道型换热器具有换热能力强和风阻小等优点，有助于分离式热管提高换热能力，换热器由铝制微通道管和百叶窗翅片组成，如图2所示。表1为微通道型换热器的结构参数。

表1 微通道换热器结构参数Tab.1 Parameters of microchannel heat exchanger

实验装置中有两组风机分别与蒸发器和冷凝器组装在一起，风机出口有均流格栅，使得风均匀的吹在蒸发器和冷凝器表面。分离式热管系统的蒸发器和冷凝器分别处于两个可以控制温湿度的房间内，在实验过程通过制冷机组和湿度机组保持房间内温湿度恒定。在蒸发器工质进出管路和换热器表面均布有10个铜康铜T型热电偶，测量蒸发器各部分的温度。

实验装置热电偶的分布位置如图3所示，10个热电偶分布于蒸发器的进出管壁面以及换热器表面。其中5、6是进口，2、3、4是出口。

实验时，保持其他实验参数不变，通过改变研究的因素得出该因素对微通道型分离式热管传热性能的影响，总结得出规律。

图3 蒸发器热电偶位置分布图Fig.3 Position distribution of the thermocopule

1.2 数据分析

充液率是指20℃时充入工质质量所对应体积与蒸发段的体积比。采用工程上常用的间接测量法，根据传热计算基本方程式，得出传热系数为:

式中 x—c或e,c表示冷凝，e表示蒸发；F0—换热器空气侧换热面积，m2；Δtm—对数平均温差，℃。

蒸发器或冷凝器的换热量为

式中x—空气密度，kg/m3；V —风量，m3/s；Cp—空气比定压热容，J/(kg.K)；t1x, t2x—换热器前后平均空气风温，℃。

2 结果与讨论

2.1 温差对单位面积换热量的影响

图4所示的是不同温差对微通道型分离式热管单位面积换热量的影响。从图中看出，当有5℃的温差时，热管即可运行，且随着温差的变大，单位面积换热量也会成倍的增加。图5所示的是不同温差与EER的关系，可以看出，温差越大系统的EER越大，是一种非常节能的装置。热管单位面积换热量在温差为20℃时比温差为10℃时增加了106%，故可看出温差对此类型热管单位面积换热量的影响是显著的。在温差为10℃时此类型热管的换热量就可达到1734W，且具有高的能效比，可以利用其实现节能的目的，具有广泛的应用前景。

图4 不同温差与单位面积换热量的关系Fig.4 Heat transfer at the different temperature difference

图5 不同温差与EER关系Fig.5 EER under the different temperature difference

2.2 充液率对单位面积换热量的影响

实验主要测量的参数是蒸发器表面的温度，通过只改变工质的充液率，研究不同充液率时微通道型分离式热管的单位面积换热量和换热系数。

表2所示的是蒸发器进出口的温度分布，可以看出系统充液率的不同会引起蒸发器进出口温度的变化，这也将会影响蒸发器的换热量。图6所示的是不同充液率情况下蒸发器的单位面积换热量。图7所示的是不同充液率的平均换热系数。

从图6中可以看出，以单位面积换热量为指标本系统的最佳充液率介于113%～140%，在此区间内的单位面积换热量最大。如图7所示，若以换热系数为指标，蒸发器换热系数在充液率为140%左右时达到最大。两个范围基本吻合，所以微通道型分离式热管系统的最佳充液率为113%～140%。

表2中可以看出，在低充液率时，蒸发器出口的温度要明显高于其他充液率情况，这是由于系统工质不足，工质在蒸发器底部时就已全部蒸发变成气态，以后均为过热蒸汽，所以出口的温度较高。因为分离式热管换热主要是靠工质的相变潜热，在工质过热和过冷时的换热量远小于相变潜热的换热量，低充液率时虽然进出口工质的焓差很大，但系统的质量流量很小，所以低充液率时的单位面积换热量较小。

表2 蒸发器进出口温度分布Tab.2 Inlets and outlets temperature of evap

图6 不同充液率与单位面积换热量的关系Fig.6 Heat transfer at the diverse fi lling rate

当系统处于高充液率时，蒸发器出口的温度较高，这是因为系统的压力会随着充液率的增加而提高，而工质的相变温度也会提高，所以蒸发器出口的温度较高。如图6和图7所示，蒸发器的换热系数和单位面积换热量在高充液率时反而降低了，这是因为相变温度的提高使蒸发器工质蒸发变成气态的质量比充液率为84.6%、169.2%和211.5%时少，蒸发器出口处于两相区，虽然工质质量流量变大了，但进出口状态的焓差减小了很多，所以单位面积换热量反而降低了。不难看出，如果充液率继续增大，当达到一定值时，蒸发器中全部是液体工质，分离式热管将无法启动，彻底丧失功能。

图7 不同充液率与平均换热系数关系Fig.7 Average heat transfer coeff i cient at diverse fi lling rate

2.3 高度差对单位面积换热量的影响

图8所示的是两器高度差对热管单位面积换热量的影响。从图中看出，当高度差从0.75m增加到1.2m时，热管的单位面积换热量增加了267%，说明对于微通道型分离式热管高度差也是一个很重要的参数，会对单位面积换热量产生很大的影响。在一定范围内，单位面积换热量会随着高度差的增加而增大，但是它存在一个最佳值。因为密度差是热管的驱动力，它会随着高度差的增大而增大，可用公式(P1-Pv)H表示，但是高度差的增加也会使管路长度增加，也就增加了管路的沿程阻力，在两个因素共同影响下，系统的高度差是存在最优值的。但是因为不同系统具有不同的运行工况和管路设置方式，一般系统认为高度差只要可以保证系统能稳定运行即可。但对于微通道型分离式热管，高度差对单位面积换热量的影响显著，故调整高度差可作为提高单位面积换热量的一种有效的方式。

图8 不同高度差对单位面积换热量的影响Fig.8 Heat transfer at diverse height difference

2.4 进出口数量对单位面积换热量的影响

图9为不同进出口数与微通道型分离式热管单位面积换热量的关系。表3所列的是不同进出口数微通道型分离式热管的类型。除进出口数不同外，换热器的其他参数均保持一致。进出口数对换热器的影响主要是影响工质的分配。如图9所示，三进三出和五进五出两种结构的单位面积换热量基本一致，三进三出和五进五出两种结构的单位面积换热量明显优于其余两种结构，三进三出的结构比一进一出和二进二出的换热量提高了102%和38%。

表3 不同结构形式微通道型分离式热管Tab.3 Different types of the microchannel separate heat pipe

图9 进出口数量与单位面积换热量的关系Fig.9 Heat transfer of different types

图10 不同进出口数量的热像图Fig.10 Thermograph of different types

图10所示的是不同进出口数量微通道型换热器的热像图。从中看出，一进一出形式的表面温度分布非常不均匀，换热器右侧上部为过热蒸汽，而换热器的左侧上下温差很小，所以一进一出形式的工质分配极不均匀，单位面积换热量最小。二进二出的温度分布有了一定的改善，但上下温差还是较小，说明工质的分配并没有达到最好，故这种形式的单位面积换热量介于一进一出和三进三出之间。三进三出的温度分布均匀，且有明显的温度分层，说明这种结构形式的工质分配较好，所以此形式的单位面积换热量较大。五进五出的温度分布和三进三出的基本一致，而且单位面积换热量也相差不多，说明三进三出的结构形式就已经可以将换热器的能力很好的发挥，没有必要再增加进出口。

3 结论

通过实验研究，得出了微通道型分离式热管单位面积换热量和传热系数随温差、充液率、高度差、进出口数量等因素的变化系。得出结论:

1)微通道型分离式热管的单位面积换热量会随着温差的增加而增大，热管单位面积换热量在温差为20℃时比温差为10℃时增加了106%，可看出温差对此类型热管单位面积换热量影响是显著的。而且此类型的热管具有高能效比，节能潜力巨大。

2)以单位面积换热量为指标，此系统的最佳充液率介于113%～140%，在此区间内的单位面积换热量最大。

3)此类型热管的单位面积换热量会随着高度差增大而增加，但存在一个最佳值。当高度差从0.75m增加到1.2m时，热管的单位面积换热量增加了267%，说明对于微通道型分离式热管来说高度差也是一个很重要的参数，会对单位面积换热量产生很大的影响。

4)通过对四种不同结构形式的比较，得出三进三出形式的工质分配较好，能充分发挥微通道型分离式热管的性能。

[1] 陈远国. 分离式热管换热器的研究, 应用与评价[A][C]//第三届全国热管会议论文集. 重庆: 重庆大学版社,199l, 17-24.

[2] 王越, 陈东, 刘振义, 等.国内分离式热管概况与热环研究的小结及展望[J].节能技术, 2000, 5(3):5-6.(Wang Yue, Chen Dong, Liu Zhenyi, et al. Summary and outlook of separate heat pipe and thermal profiles in China[J].Energy Conservation Technology, 2000, 5(3):5-6.)

[3] 郝莹, 臧润清, 金育义.以R600a为工质的分离式热管的实验研究[J]. 低温与超导, 2009, 37(12):37-41.(Hao Ying, Zang Runqing,Jin Yuyi. Experimental research of separated heat pipe using R600a as working fluid[J].Cryogenics and Superconductivity, 2009,37(12):37-41.)

[4] 陈岚, 苏俊林, 伍贻文.分离式热管充液率实验研究[J].上海理工大学学报, 2003,25(3):285-288. (Chen lan,Su Junlin, Wu Yiwen. Experimental study on the working fluid filling rates of a special separate type heat pipe[J].J.University of Shanghai for Science and Technology, 2003,25(3):285-288.)

[5] 唐志伟, 马重芳, 蒋章焰.小型分离式热管工作温度与传热特性的实验研究[J].工程热物理学报, 2004,25(6):1043-1045.(Tang Zhiwei, Ma Chongfang, Jiang Zhangyan. Experimental study to working temperature with heat exchanging of the small separated heat pipes [J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25(6): 1043-1045.)

[6] 方贵银, 张曼, 吴双茂, 等.分离式热管蓄冷空调系统充冷性能实验研究[J].制冷学报, 2009,30(4): 46-50. (Fang Guiyin, Zhang, Man, Wu Shuangmao, et al. Experimental study on charging performance of cool storage airconditioning system with separate-type heat pipe[J].Journal of Refrigeration,2009, 30(4): 46-50.)

[7] Chen Yuanguo, Gao Mingchong, Xin Mingdao.Experiments of Heat Transfer Performance of Separate Type Thermosyphony[C]// International Heat Pipe Symposium, 1986, 0saka, Japan.

[8] 庄正宁, 张焕, 沈月芬, 等. 分离式热管倾斜布置蒸发段传热特性的试验研究[J]. 西安交通大学学报，1998,32(11):36-39.(Zhuang Zhengning, Zhang Huan, Shen Yuefen, et al. Heat transfer characteristics of inclined evaporator section for separate-type heat pipe[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University,1998, 32(11): 36-39.)

[9] 王建伟, 曹子栋, 郑蒲燕, 等. 分离式热管蒸发段传热特性试验研究[J]. 西安交通大学学报, 2000,34(9):33-37.(Wang Jianwei, Cao Zidong, Zheng Puyan, et al. Heat transfer characteristics of evaporator section for separate-type heat pipe[J].Journal of Xi'an Jiaotong University,2000,34(9): 33-37.)