局部加热工况高温平板热管传热特性试验研究

丁 琪，许 辉，江浩文，张 红，2

(1.南京工业大学能源科学与工程学院，江苏 南京 211816) (2.南京林业大学校长办公室，江苏 南京 210037)

高温平板热管即一种平板结构的高温热管，与常规的圆柱状高温热管不同，其蒸发端和冷凝端均为平面结构。高温平板热管的开发，主要是解决一些平面结构在高温、高热流环境下带来的热点问题。由于高温热管具有低热阻、高导热和均温性的特点，因此其能够有效降低局部高温区域的温度[1-2]。如陈连忠等[3]介绍了高温热管在热防护中的应用原理,并通过试验对比分析,发现高温热管能够有效地将高温区的热量传导到低温区，由此验证了高温热管热防护的可能性。韩海涛等[4]则针对超燃冲压燃烧室提出了一种基于高温热管技术的再生冷却结构，在一定工作状态下，高温热管技术的腔体式热防护面板可以降低局部高热流部位的温度。然而，这些研究工作中关于热管能够稳定运行的因素没有受到足够重视。

因为影响热管稳定运行过程中的主要因素有启动性能和均温性能，所以Wang等[5]将高温热管作为反应堆的关键组件来分析启动性能和热阻变化，研究表明高温异形热管在极不均匀的辐射条件下，能够抑制热点形成，具有极好的均温性和启动性。杨琳等[6]对新型塔式太阳能吸热器性能进行了研究，将板翅结构应用于热管内，可防止局部过热，并能承受高强度热流密度载荷，证明了高温热管具有良好的均温性。

由于高温热管大多是圆柱状结构，难以用来解决平面结构类型的高温传热问题，而一般平板热管设定的温度都是常温，很少有关于高温的平板热管传热机理研究，因此本文结合高温热管和平板热管的特性，提出了高温平板热管，主要围绕高温平板热管的启动性能和均温性能开展研究。

1 实验系统及流程

1.1 实验系统

实验装置(如图1、图2所示)包括局部热源、高温平板热管、角度调节系统、数据采集系统。局部热源是一个电阻加热器，呈细长条状，本次热管实验的加热功率范围是450～600 W。高温平板热管外壳是由310S不锈钢制成的，尺寸是200 mm×100 mm×30 mm，内部采用金属纤维毡作为热管的吸液芯，热管中填充了液钠作为传热工质。数据采集系统由计算机、数据采集仪、K型热电偶组成。将热源放置在热管的底部，而后在冷凝端和蒸发端都布置了K 型热电偶，用来测量热管的温度分布情况。

图1 实验系统图

图2 实验装置图

1.2 实验流程

实验采用调压器和功率表来调整功率的大小，同时热管所放置的不锈钢支架能够通过摇动转轴来调节不同的角度。在不锈钢架四周铺上保温棉，防止热量损失。热管冷凝端和蒸发端分别布置了相应的K型热电偶，热电偶的另一端连接在数据采集仪上，每隔5 s采集一次数据并储存。改变不同功率、热源位置等相关因素来测量热管温度分布情况。

2 实验结果与分析

2.1 加热功率的影响

2.1.1加热功率对启动性能的影响

热管的启动性能是研究其运行过程中各项参数的一个重要参考，图3给出了热管在不同功率下的启动时间。由图可知，热管的表面温度随着加热时间的延长而不断增加，经过一段时间后，其表面温度基本不再变化，趋于稳定。由图3(a)可知，在给定功率达到600 W的时候，热管稳定的时间大概在1 500 s，而给定功率是450 W时，热管从启动到运行稳定的时间基本都大于1 500 s。由图3(b)可知，热管蒸发端也是相同的温度分布趋势。由此分析，在高温热管启动过程中如果以较大功率进行加热时，热管启动的速度较快，达到稳定状态所需要的时间较少。

图3 不同功率条件下温度随时间的变化

2.1.2加热功率对热管热阻的影响

为了进一步探究功率对高温平板热管工作能力的影响，利用功率与热阻和其传热系数的关系来进行分析比较。总热阻R定义为：

(1)

式中：T1为蒸发端的平均温度，℃；T2为冷凝端的平均温度，℃；Q为热源功率，W。

传热系数K定义为：

(2)

式中：A为热管表面积，m2。

图4是功率与热阻的关系图，从图中可以看到，热阻随着功率的增加而减小，在低功率450 W下，整个热管的热阻最大，达到了0.066 ℃/W，这是因为在低功率下，输入的热流密度相对较小，钠工质的相变还没有特别剧烈，所以热管的热阻较大。图5是功率与传热系数的关系图，由图可以明显看到传热系数是随着功率的增加而增加，与加热功率成正比关系，而当加热功率达到500 W后传热系数上升的速度逐渐减小。结合图4、图5进行分析，说明在低功率下，热管的传热能力和传热效果会相对差一些，而功率越高整体的热阻越小，传热系数越大，传热效果越好。

图4 不同功率下热阻分布

图5 不同功率下传热系数

2.2 局部热源位置的影响

2.2.1局部热源位置对蒸发端温度的影响

图6给出了不同局部热源位置对高温平板热管蒸发端温度的影响。从图中看到，当局部热源在热管中间位置时，温度分布是以热管中间为轴呈现对称分布的趋势，中间位置处温度最高，向两边温度依次递减。由于加热位置移动到边缘，距局部热源所在位置距离越大，相应的温度则逐级降低。通过对比发现，热源放置在边缘时的最高温度比热源在中间位置时高，而最低温度则比中间位置时低，所以热源布置在边缘时的温差比较大，均温性变差。

图6 不同热源位置热管蒸发端温度分布

2.2.2局部热源位置对扩散热阻的影响

由于局部热源与平板热管接触的平面面积大小不一，使得热量在两个不同大小的面之间传递，从而导致了扩散热阻的存在，根据 Hsieh 等[7]提出的推导公式，简化定义扩散热阻Rs为：

(3)

图7给出了不同热源位置下高温平板热管热阻分布情况。由图可知，热阻随着加热功率的增加而减小，在450 W加热功率下，局部热源在边缘时的扩散热阻达到了0.158 ℃/W，而在中间位置时的热阻为0.11 ℃/W。当热源在热管中间位置的时候，传热性能明显优于边缘位置。这是因为局部热源在热管中间位置时，热管内部的钠工质蒸发的速度会更快，这样就能使局部热源的热量更快地到达冷凝端，从而提升了整体的工作能力。因此，局部热源的位置也会对热管传热性能造成很大的影响，本次实验中局部热源放置在热管的中间位置时工作性能最好。

图7 热源位置对扩散热阻的影响

3 结论

本文通过对高温平板热管进行不同的实验，证明了其具有良好的传热性能，得到如下结论：

1)高温平板热管在加热功率450～ 600 W范围内都可以正常启动，加热功率越大，启动时间越短，温升越快，而热阻随之减小，传热系数则缓慢增加。

2)热源位置的变化对热管的启动性能具有一定的影响，当热源位置从热管中间移动到热管边缘时，热管蒸发端温差变大，整体温度分布不均匀，均温性能变差，而热阻也随之增加。当热源放置在热管中间时，传热性能相对较好。