曹小林，曹雙俊，曾偉，王芳芳，李江，池東

（中南大學 能源科學與工程學院，流程工業(yè)節(jié)能湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083）

新型重力熱管換熱器傳熱性能的實驗研究

曹小林，曹雙俊，曾偉，王芳芳，李江，池東

（中南大學 能源科學與工程學院，流程工業(yè)節(jié)能湖南省重點實驗室，湖南 長沙，410083）

基于常規(guī)重力熱管換熱器難以安裝翅片結構以強化管外換熱，提出一種新型結構形式的重力熱管換熱器，該熱管由一些并排的矩形通道而不是通常的圓管組成。并建立實驗測試平臺，進行一系列對比實驗，重點分析加熱功率、工質充液率、傾角及冷凝段風速對其運行熱阻的影響。研究結果表明：加熱功率對熱管的運行性能有重要影響；當工質充液率約為20%時，熱管換熱器具有最小運行熱阻；在最佳充液率為20%和加熱功率為360 W時，運行熱阻隨傾角的增加有減小趨勢，但當加熱功率較大時，傾角對熱管換熱器的運行熱阻影響不大；隨著冷凝端風速的增加，熱管換熱器的運行熱阻不斷減小。

傳熱；換熱器；熱管；熱阻

與普通熱管相比，重力熱管不僅結構簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性能優(yōu)良、工作可靠。在地面上的各類傳熱設備中，重力熱管都可作為高效傳熱元件[1?2]，其應用領域與日俱增。重力熱管的優(yōu)點引起了國內外學者的廣泛關注。Sarmasti等[3]通過實驗研究了長徑比、充液率和傾角對重力熱管傳熱性能的影響，指出當長徑比不同，且傾角為60°、充液率為45%時熱管具有最佳傳熱性能。Jouhara等[4]對小管徑的重力熱管進行了實驗研究，試驗結果表明：當加熱功率大于40 W時，以水為工質時具有較好的傳熱性能；而當加熱功率小于40 W時，以FC-84或FC-77為工質則呈現(xiàn)了較好的傳熱性能。Wangnippanto[5]以銅質重力熱管（水為工質）為實驗對象，研究了傾角對熱管傳熱效率的影響，發(fā)現(xiàn)當傾角為22.5°、充液率為30%時熱管具有最大傳熱率。Terdtoon等[6]通過實驗分析了熱管長徑比對傾斜重力熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當長徑比小于10時，隨著傾斜角度的增加，熱管傳熱能力有下降的趨勢，當長徑比大于10時，傾角對熱管傳熱能力影響不大。何曙等[7]提出一種帶內循環(huán)管的新型重力熱管并進行了實驗測試，結果表明內循環(huán)管的引入使熱管蒸發(fā)段導熱系數(shù)提高了11.5～13倍。郭廣亮等[8]使用水基多壁碳納米管懸浮液為工質，進行了小型重力熱管換熱特性的實驗研究，得到了較好的效果。彭玉輝[9]在以水為工質的重力熱管中添加納米顆粒，使其傳熱能力大大提高。但Sameer等[10]則指出納米流體的引入使重力熱管的傳熱性能惡化。這一方面的研究還有待深入。衛(wèi)紅等[11]針對經典Nusselt理論解的局限性，進一步考慮了摩擦切應力的影響，重點對圓形重力熱管層流膜狀凝結進行了理論分析。焦波等[12?14]根據(jù)管內工質的分布將重力熱管工作狀態(tài)分為3種形式及2種過渡，建立了綜合的數(shù)學模型。Asghar等[15]則利用商業(yè)軟件FLUENT中的VOF模型對重力熱管內部的溫度場和流場進行了模擬。值得注意的是，常規(guī)的重力熱管安裝翅片較為困難，這無疑削弱了其換熱效率。為此，本文作者提出一種新型結構形式的重力熱管換熱器，它是在常規(guī)管帶式換熱器的基礎上進行改進，通過充注合適適量的工質，在重力熱管的運行機理下工作。新型重力熱管換熱器采用百葉窗形式的翅片結構，換熱效果大大增強，結構更加緊湊。為了拓寬應用范圍，實現(xiàn)能源的高效利用，對其傳熱性能的試驗研究具有重要意義。

1 實驗裝置與方法

1.1 新型重力熱管換熱器的結構形式

本實驗采用的新型熱管換熱器是在常規(guī)管帶式換熱器基礎上改進而成。根據(jù)需要在扁管之間釬焊翅片，兩端安裝端板，中間安裝隔板，如圖1（a）所示。翅片采用波紋狀，并進行開縫加工，采用百葉窗型式。扁管內部由格柵將其分隔成若干通道，如圖1（b）所示。

與常規(guī)重力熱管相比，新型重力熱管換熱器主要有以下特點：（1） 可以方便地安裝翅片結構，增強蒸發(fā)段和冷凝段的換熱效果。而且翅片型式采用開縫的百葉窗結構，增大換熱面積的同時，沖縫結構阻礙了

翅片表面空氣邊界層的形成，可以進一步實現(xiàn)強化換熱；（2） 不同于常規(guī)的重力熱管（斷面為圓形），新型裝置的通道截面為方形，冷凝液膜易于在角部聚集，利于液膜回流，從而冷凝段液膜厚度減小，使冷凝段熱阻進一步下降。

圖1 新型重力熱管換熱器結構形式Fig.1 Structures of novel heat pipe heat exchanger

1.2 新型重力熱管換熱器測試平臺

新型重力熱管換熱器性能測試平臺如圖2所示。實驗時，將新型熱管換熱器④的蒸發(fā)段插入保溫腔體⑦內的室內風管⑥中，通過室內風機②的牽引作用，經過加熱器①加熱的室內空氣與熱管蒸發(fā)段強制對流換熱。同時，將冷凝段置于室外風管⑤中，通過室外風機③的作用，室外空氣與熱管冷凝段強制對流換熱。穿過保溫材料的管段即為熱管絕熱段。

1.3 實驗測試方法

實驗時，選用R22作為工質，通過調節(jié)加熱器輸入功率控制室內加熱量，采用Pt100鉑熱電阻測量室內外溫度。采用溫度精度為0.1 K的T型熱電偶測量換熱器表面溫度。采用QDF?3型熱球式電風速儀（誤差為±5%）測試冷凝段風速時，在室外風管出口截面上取9個點（3行3列）分別測量。

換熱器表面溫度測試點分布方式如圖3所示，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段共計21個測溫點。

此外，在實驗過程中，視保溫腔體傳熱系數(shù)為常數(shù)，由漏熱量實驗確定。

圖2 熱管換熱器測試平臺簡圖Fig.2 Schematic of heat pipe heat exchanger test bench

圖3 溫度測試點分布示意圖Fig.3 Schematic of thermocouple locations

2 實驗數(shù)據(jù)處理

定義熱管的運行熱阻為蒸發(fā)段和冷凝段的溫度差與總傳熱量的比值，即：

式中：RT為運行熱阻，K/W；Te和Tc分別為蒸發(fā)段和冷凝段的溫度平均值，K；Q為加熱器的輸入功率，W；Ql為漏熱量，W。蒸發(fā)段溫度平均值Te為：

式中：i=1，2，3；j=1，2，3；n為蒸發(fā)段測溫點數(shù)量，為9。

冷凝段溫度平均值Tc為：

式中：i=5，6，7；j=1，2，3；m為冷凝段測溫點數(shù)量，為9。漏熱量Ql為：

式中：k為保溫腔體的傳熱系數(shù)（由漏熱量試驗計算確定），W/（K·m2）；A為保溫腔體的表面積，m2；Tin為保溫腔體內溫度，K；To為保溫腔體外環(huán)境溫度，K。

冷凝段風速為：

3 試驗結果與討論

3.1 加熱功率及工質充液率對傳熱性能的影響

圖4所示為不同加熱功率下充液率（充注液態(tài)工質體積與熱管總容積的比值）與運行熱阻的關系圖。工質充注量直接影響管內工質的分布形式，進而影響運行熱阻。由圖4可知：不同加熱功率下當工質充液率約為20%時熱管換熱器具有最小的運行熱阻；當加熱功率為360 W時，運行熱阻較大，當加熱功率為640 W或720 W時運行熱阻較小，且二者相差不大。在較小加熱功率下，蒸發(fā)段工質沸騰產生氣泡，但數(shù)量較少，氣泡之間互不干擾，換熱強度相對較?。浑S著加熱功率的增加，汽化核心增加，氣泡數(shù)量增加，氣泡之間相互擾動，最終使換熱系數(shù)提高。

圖4 工質充液率對運行熱阻的影響Fig.4 Effect of filling ratio on thermal resistance

3.2 熱管換熱器傾角對傳熱性能的影響

圖5所示為熱管換熱器傾角與運行熱阻的關系圖。由圖5可知：當加熱功率為360 W時，隨著傾角的增大，運行熱阻有減小的趨勢；當加熱功率為640 W或720 W時，傾角對運行熱阻影響較小。這與文獻[6]中的結論相似。這是因為：當加熱功率較小時，重力對液膜起主要作用，隨著傾角增加，重力作用效果增強，利于液膜的回流；冷凝段液膜厚度減小，運行熱阻下降；而當加熱功率較大時，雖然此時重力作用效果隨傾角的增加而增強，但由于管道尺寸較小，向上的氣流速度增大，氣體對液膜向上的剪切力亦隨之增大，導致運行熱阻受傾角影響不大。

3.3 冷凝段風速對傳熱性能的影響

圖5 傾角對運行熱阻的影響Fig.5 Effect of inclination angle on thermal resistance

圖6 冷凝段風速對運行熱阻的影響Fig.6 Effect of air velocity at condenser section on thermal resistance

圖6所示為冷凝段風速與運行熱阻的關系圖。由圖6可知：隨著冷凝段風速的增大，熱管換熱器運行熱阻不斷減小。這是因為：當風速增大時，強制對流作用增強，冷凝段與室外空氣的換熱熱阻減小，最終使熱管換熱器的運行熱阻減小。

4 結論

（1） 加熱功率對熱管傳熱性能有重要影響。

（2） 在選用R22作為工質，當工質充液率約為20%時，熱管換熱器具有最小運行熱阻。

（3） 當充液率為20%、加熱功率為360 W時，隨著傾角的增加，運行熱阻有減小趨勢；而當加熱功率較大時，傾角對運行熱阻影響較小。

（4） 隨著冷凝段風速的增加，熱管換熱器的運行熱阻不斷減小。

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（編輯 陳燦華）

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）

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.

heat transfer; heat exchanger; heat pipe; thermal resistance

TK172

A

1672?7207（2012）06?2419?05

2011?06?15；

2011?08?23

中央高?；究蒲袠I(yè)務費“中南大學自由探索研究創(chuàng)新基金資助項目”（201011200026）

曹小林（1969?），男，湖南益陽人，博士，教授，從事制冷系統(tǒng)熱物理過程和建筑節(jié)能技術的研究；電話：13507474378；E-mail：xlcao@csu.edu.cn