蒸发段和冷凝段长度比对铜—水热管传热性能的影响

赵建会 王 豆 段 杰 杨 楠



蒸发段和冷凝段长度比对铜—水热管传热性能的影响

赵建会 王 豆 段 杰 杨 楠

（西安科技大学能源学院 西安 710054）

以铜-水热管为对象，设计了热管冷凝段的自然冷却实验，来探究不同热管蒸发段和冷凝段长度比对其传热性能的影响。实验测量了不同热源温度下，铜-水热管蒸发段/冷凝段分别为1:6、1:3和1:1.5时的冷凝段测点表面温度。通过对实验数据的对比分析，得出以下结论：不同蒸发段和冷凝段长度比下，铜-水热管冷凝段的温度均随蒸发段温度的升高而升高，且在热源温度较低时均具有良好的等温性，当热源为45℃，热管蒸发段与冷凝段为1:6时，冷凝段温度与热源温度的温差最小，仅为2.4℃，热管的等温性最佳。此研究期望对应用于热管供暖系统，特别是低温热水热管地板辐射供暖的热管选型提供基本实验数据和技术支撑。

铜-水热管；传热；蒸发；冷凝

0 引言

热管作为一种具有高导热性能的传热元件，经过70多年的发展，在各个领域得到了充分发展与应用，如化工、动力、冶金、建材、轻工、航天、电子电工等[1]。随着我国节能建筑的普及以及低碳社区的打造，低能耗的热管供暖技术已经完全具备了融入绿色节能建筑设计条件[2]。

1975年，前苏联就已将热管应用于供暖系统，并对不同类型的热管做了试验研究，得出了充水后的热管沿长度方向的温度与供热量的关系等一系列数据[3]。1981年，M Shiraish等建立了两相闭式热管的简单传热模型[4]，得到它的传热过程。2003年，Jong Soo Kim等人在低温地板辐射供暖系统中引入震荡热管，进行了相关的实验研究，将之与塑料热管的供热性能进行对比后，得出了热管系统的性能系数要优于塑料管的结论[5]。日本主要将热管应用于地面，如地面融雪、回收余热的热交换器及电机冷却等许多场合[1]。国内对于热管辐射供暖的研究起步较晚，但对于热管技术的开发研究从一开始就有明确的目标，经过多年的努力，在20世纪末期，我国的热管技术工业化应用便已处于国际领先水平，工程实践中也多次应用热管供热系统，并取得令人满意的效果[6]。上个世纪80年代，新疆勘察设计研究院申恩惠利用热管原理，研制了真空散热器，在国内较早的利用热管进行供暖方面研究，其后又有清华大学、航空设计研究院也进行了该方面的研究。1998年，哈尔滨工业大学的王怀彬等人对热水供暖系统和热管供暖系统进行了技术经济性比较，2007年，天津大学的张于峰，郝斌等人对热管地板辐射供暖系统的热工特性进行了研究，2010年撖文辉研究了采用热管技术的地板辐射系统的供暖特性[7]。由此可见，热管在各领域的应用十分广泛，在建筑供暖系统中的应用将会得到前所未有的发展[8]。

在热管供暖系统中，热管的选用参数尤为重要，而蒸发段和冷凝段长度比变化影响热管的传热性能。2015年天津大学的汪健生、马赫[9]研究了蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响发现随蒸发段和冷凝段长度比值增大，脉动热管启动时间缩短，且换热性能有一定提高；但在低充液率时，容易出现“干烧”现象。2017年山东大学的张劲草[10]等人探究了蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响，得到加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升，蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响，实际应用中应避免的结论。本文通过热管冷凝段的自然冷却实验，来探究热管蒸发段和冷凝段长度比变化对其传热性能的影响。

1 铜—水热管冷凝段的自然冷却实验装置

实验由恒温水箱a、循环泵b、热水管道c、热管d、和温度测量仪e组成。实验示意图如图1所示。恒温水箱a提供系统所需热水，在水泵b提供动力的情况下，恒温水箱热水沿热水管道c流动，在热管蒸发段处对热管d加热，热管内部的介质发生相变换热，将热量从蒸发段传送至冷凝段。因为热管具有很好的等温性，所以热管冷凝段的表面温度与恒温水箱中的热水温度基本相同。在热管d的表面敷设热电阻的温度探头，热电阻另一端连接温度测量仪e，记录恒温水箱温度1和热管冷凝段表面温度2-6。

a. 水箱；b.水泵；c.热水管；d.热管；e.温度测量仪；1.水箱温度；2~6.热管冷凝段表面温度

实验根据热管蒸发段和冷凝段长度比分别为1:6、1:3和1:1.5，每个工况在热源温度为35℃、45℃、55℃、65℃、75℃时，对热管蒸发段不同测点位置的温度进行测量，以此得到铜-水热管温度随热源温度改变而变化的规律。为保证热管冷凝段的换热达到稳态，以实验进行至10min时各测点的温度为最终温度。本实验为铜-水热管，热管长度520mm，热管蒸发段和冷凝段长度比分别为1:6、1:3和1:1.5时的测点位置如图2、3、4所示。

图2 蒸发段和冷凝段为比1:6时测点位置

图3 蒸发段和冷凝段比1:3的测点位置图

图4 蒸发段和冷凝段比1:1.5各测点位置图

2 实验结果及分析

2.1 不同长度比下热管冷凝段温度受热源温度的影响

在不同热源温度时，蒸发段和冷凝段比为1:6时各测点温度如图5所示。

图5 蒸发段和冷凝段比为1:6时各测点温度随热源温度变化图

由图5可以看出，随着热源温度升高，各测点的温度也逐渐升高，这是因为热管蒸发段的温度升高使蒸发段内的液体工质的表面张力减小，液体的密度减小，液体内部生成的气泡脱离液体的频率加快，从而工质循环的周期减小，增加热管的传热量；另一方面，温度升高使蒸汽在管内的流动速度增加，对冷凝段的液膜产生扰动和破坏，减小冷凝段的换热热阻，增大冷凝段的换热系数。

不同热源温度时，蒸发段和冷凝段比为1:3时各测点温度变化情况如图6所示。

图6 蒸发段和冷凝段比为1:3时各测点温度随热源温度变化图

由图6可以看出，随着热源温度的增加，热管冷凝段的温度升高，其变化规律与蒸发段和冷凝段为比1:6时各测点温度随热源温度变化基本保持一致。但是热管冷凝段各测点温度相对热源温度有所降低。

不同热源温度时，蒸发段和冷凝段比1:1.5各测点温度变化情况如图7所示。

图7 蒸发段和冷凝段比为1:1.5各测点温度随热源温度变化

由图7可知，热管的蒸发段和冷凝段比1:1.5时，热管冷凝段的温度变化情况与热管1:6工况和1:3变化情况基本相同，即热管冷凝段的温度随着热源温度的增加而增加。

2.2 不同长度比下热管冷凝段温度随热源温度变化的规律

为了深入了解热管铜-水热管温度随热源温度改变而变化的规律，取测点2～6温度的算术平均值作为热管冷凝段温度，并将热源温度与冷凝段温度进行对比，其结果如图8所示。

图8 热管冷凝段温度和热源温度对比图

由图8可以看出，在35℃～65℃之间，热管冷凝段温度随着热源温度的升高而增大，并且呈线性变化，这说明热源温度增加，热管保持了良好的传热性能。当热源热水温度超过65℃时，热管蒸发段和冷凝段的温差达到9℃左右，此时热管的等温性已经遭到破坏，产生这一现象的原因与热管的“干涸极限”有关。其原因在于，随着热管蒸发段温度的升高，蒸发段内液体工质越来越多地蒸发为汽体而涌至冷凝段，然而由于冷凝段的换热面积小、对流换热热阻大等原因，冷凝段处的汽体工质不能快速冷凝而聚集在冷凝段，造成冷凝液不能正常回流而引起蒸发段“烧干”的现象，因此热管蒸发段和冷凝段的温差变大，即热管的等温性将会失效。

可以看出随着热源温度的升高，热管冷凝段温度的斜率与热源保持一致。热管蒸发段与冷凝段长度为1:3时，热管保持了稳定的传热性能，但是与工况1:6相比，工况1:3在不同热源时冷凝段的温度下降了2～3℃。

2.3 不同长度比对热管冷凝段等温性的影响

为了衡量热管冷凝段的等温性，通过比较不同工况下冷凝段与蒸发段的温差，温差值越小，表明热管的均匀性越好。不同工况下热管冷凝段与蒸发段的温差如图9所示。

图9 三种工况下热管冷凝段与热源的温差

由图9可以看出，当热管的传热达到稳定状态时，蒸发段与冷凝段长度比为1:6时，冷凝段与热源的温差最小，基本在2℃～3℃之间，热源在45℃时，温差达到最小值。随着蒸发段与冷凝段比值的减小，温差有逐渐增大的趋势。从图中可以看出，当蒸发段与冷凝段比值为1:3时，最小温差为3.6℃，比值为1:1.5时，最小温差为4.7℃，并且随着热源温度的增加，热管冷凝段与热源的温差有逐渐增大的趋势。因此说明，热管在温度较低时的等温性要优于温度较高时。

从铜-水热管冷凝段在空气中自然冷却实验可知，当热源为45℃，热管蒸发段与冷凝段为1:6时，冷凝段与热源的温差最小，冷凝段各测点温度分布更加均匀一致。

3 实验误差分析

就本文研究的主要误差包括以下两个方面：

（1）实验中，系统的供回水管为热水塑料管，并没有进行外壁保温，在实验进行过程中，仍然存在着不可忽略的热损失。同时在实验中，热水管道内热水的流动状态极为复杂，也难以对其进行划分确定。此外，实验系统供回水管路较短，还会存在入口效应，对系统的供热有一定的影响。

（2）在进行实验之前对实验所用热电偶进行校核，使冷端温度稳定在0℃，实验须测量多组，多组测量之后也会产生一定的误差，主要原因是数字巡检显示控制仪在多次使用后，精确度和灵敏度都会下降。

4 结论

通过实验研究了热管在空气中自然冷却的温度特性，分析对比得出铜-水热管在空气中的温度变化规律，主要的研究结论如下：

（1）不同蒸发段和冷凝段长度比下，铜-水热管冷凝段的温度均随蒸发段温度的升高而升高。

（2）不同蒸发段和冷凝段长度比下，铜-水热管冷凝段均在热源温度较低时具有良好的等温性，随着热源温度的升高，热管的等温性逐渐变差。

（3）对于铜-水热管，当蒸发段与冷凝段比值分别为1:6、1:3和1:1.5时，随着热源温度的升高，冷凝段与热源的温差呈现增大的趋势。当热源为45℃，热管蒸发段与冷凝段为1:6时，冷凝段温度与热源温度的温差最小，仅为2.4℃，热管的等温性最佳。

[1] Jung-Chang Wang, Hsiang-Sheng Huang, Sih-Li Chen. Experimental investigations of thermal resistance of a heat sink with horizontal embedded heat pipe[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2007,34:958-970.

[2] 陈振乾,施明恒.热管热回收空调系统的研究[J].建筑热能通风空调,2000,19(4):9-11.

[3] 陈彦泽,喻建良,丁信伟.热管技术及其应用[J].现代化工,2003,23(4):17-19.

[4] B K Tan, T N Wong, K T Ooi. A study of liquid flow in a flat plate heat pipe underlocalized heating[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2010,49:99- 108.

[5] Boris Rassamakin, Sergii Khairnasov, Vladilen Zaripov, et al. Aluminum heat pipes applied in solar collectors[J]. Solar Energy, 2013,94:145-154.

[6] 庄骏,张红.2010年热管技术展望[J].化工机械,1998,25(1):44-61.

[7] 卞爱萍.热管应用于供暖领域的研究现状与展望[J].城市建设理论研究,2013(31).

[8] 罗清海,汤广发,龚光彩,等.热管技术在采暖空调中的应用与发展[J].制冷空调与电力机械,2002,23(2):17-21.

[9] 汪健生,马赫.蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响[J].化工进展,2015,34(11):3846-3851.

[10] 张劲草,辛公明,陈明,等.蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响[J].化工学报,2017,68(4):1343-1348.

Influence of the Length of Evaporator/Condenser Section on theHeat Transfer Performance of Copper-water Heat Pipe

Zhao Jianhui Wang Dou Duan Jie Yang Nan

( School of energy, Xi’an university of Science and Technology, Xi’an, 710054 )

In this paper, the natural cooling experiment of heat tube condensing section was designed with the copper-water heat pipe as the object to explore the influence of the different length proportion between evaporator and condenser on the heat transfer performance. The surface temperature of the condensation section of the copper-water heat pipe was measured while The length proportion between evaporator and condenser were 1:6, 1:3 and 1:1.5 respectively at different heat source temperatures. the following conclusion drawn by analyzing the experimental data : under the different length proportion between evaporation and condensation, the temperature of the condensation section of the copper-water heat pipe rise all along with the evaporation temperature, all present good isothermal performance at a lower heat source, the isothermal performance is best when the heat source up to 45℃ and the length proportion is 1:6 that minimum temperature difference between condensing temperature and heat source temperature is 2.4℃. This study is expected to provide basic experimental data and technical support for the heat pipe selection of heat pipe heating system, especially for the heat pipe of low-temperature hot water floor radiant heating system.

copper - water heat pipe; heat transfer; evaporation; condensation

1671-6612（2018）01-098-05

TK172

A

赵建会（1964-），男，研究生导师，教授，主要从事矿井通风、建筑节能研究等，E-mail：zhaojh2098@sina.com

王 豆（1993-），女，在读研究生，主要从事建筑节能研究等，E-mail：651314728@qq.com

2017-12-07