王偉，夏國棟，馬丹丹，程岳

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重力徑向偏心熱管的溫度特性

王偉，夏國棟，馬丹丹，程岳

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，強化傳熱與過程節(jié)能教育部重點實驗室，北京 100124）

研制了不銹鋼-水重力徑向偏心熱管，在70～100℃范圍內(nèi)實驗研究了該熱管的溫度特性及其影響因素。當冷凝段處于自然對流時，較大充液率、上部控溫方式和較低運行溫度有利于提高冷凝段及蒸發(fā)段壁面溫度的穩(wěn)定性和均勻性；冷凝段內(nèi)壁中心處的溫度穩(wěn)定性2 h內(nèi)為±0.024℃，其中心段20 cm內(nèi)溫度均勻性為0.142℃。當采用強制對流冷卻時，增大充液率、降低冷卻能力可提高蒸發(fā)段平均溫度，并改善蒸發(fā)段外壁面溫度均勻性。此外，分析了熱管通過相變換熱及其熱容來提高溫度穩(wěn)定性和均勻性的傳熱機理。此類熱管在溫度校準領域具有較好的應用前景。

徑向偏心熱管；汽化；凝結；傳熱；充液率；溫度穩(wěn)定性；溫度均勻性

引 言

徑向熱管是一種熱量主要沿徑向傳遞的異型熱管，具有啟動速度快、熱導率高、均溫性能好等優(yōu)點。因而被廣泛應用于傳熱和溫度控制領域，如低溫余熱回收、半導體材料生長、標準黑體溫度標定等領域[1]。在傳熱領域，由于徑向熱管為雙層結構，其徑向熱阻隨內(nèi)外管徑比變化，因而熱管蒸發(fā)段外壁溫度可調，有效解決了低溫余熱回收中露點腐蝕這一難題。在溫度控制領域，因其優(yōu)良的均溫性能，徑向熱管常被用作等溫爐襯來提高加熱爐溫場的穩(wěn)定性和均勻性。同軸徑向熱管的同軸布置限制了充液高度，降低了傳熱效率。而徑向偏心熱管可克服這一限制，將充分發(fā)揮相變換熱優(yōu)勢，提高設備換熱效率，受到了人們廣泛關注。

目前，對徑向熱管的研究主要集中在數(shù)值模擬、實驗和應用研究方面。Faghri等[2-4]首次研究了同軸徑向熱管，通過數(shù)值模擬，計算了同軸徑向熱管內(nèi)部二維、穩(wěn)態(tài)、不可壓縮蒸汽流動，發(fā)現(xiàn)同軸徑向熱管的傳熱能力比同外形尺寸的軸向熱管提高了80%。Nouri-Borujerdi等基于SIMPLE算法，模擬了同軸徑向熱管內(nèi)部蒸汽流動規(guī)律，獲得了腔內(nèi)蒸汽壓力和溫度的分布規(guī)律[5]，并且數(shù)值模擬了同軸徑向熱管局部加熱時，腔內(nèi)穩(wěn)態(tài)、不可壓縮蒸汽層流流動特性，發(fā)現(xiàn)隨蒸汽徑向Reynolds數(shù)的增大，將在蒸發(fā)端和冷凝端產(chǎn)生大量回流區(qū)域，從而提高熱管換熱性能[6]。他們還對同軸徑向熱管進行了綜述，認為建立更精確的數(shù)學模型和開展進一步的實驗研究是未來的發(fā)展趨勢[7]。虞斌等[8]對不銹鋼-鈉同軸徑向熱管的傳熱特性進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)徑向熱管具有啟動快、等溫性高、傳熱功率大等優(yōu)點。胡愛鳳等[9-10]對徑向熱管的傳熱熱性進行了實驗和數(shù)值分析研究，得出了熱管外壁面溫度及腔體內(nèi)部蒸汽的溫度、速度分布規(guī)律。石程名等[11]通過對偏心徑向熱管的實驗研究和分析，發(fā)現(xiàn)影響偏心徑向熱管傳熱性能的主要因素有熱通量、充液率及工作溫度等，并采用多元線性回歸的方法推出了各影響因素與熱管總熱阻的關系式。楊峻等[12]分析了重力徑向偏心熱管的傳熱特性，并推導出了冷凝段外壁面局部換熱系數(shù)隨圓周角的變化規(guī)律。涂福炳等[13-14]對同軸徑向熱管進行了實驗和數(shù)值模擬研究，得到了熱管外壁溫度分布規(guī)律、最佳充液率、傳熱系數(shù)的實驗關聯(lián)式及熱管內(nèi)部工質的溫度和速度分布規(guī)律。在工程應用研究方面，主要利用其傳熱和均溫特性。蔣麗芬[15]和孫新紅等[16]分別介紹了徑向熱管省煤器在硫酸裝置和環(huán)保節(jié)能上的應用。Chi[17]和閆小克等[18-20]在均溫特性方面做了相關實驗研究，認為其可有效提高熱源溫度場的穩(wěn)定性和均勻性。

綜上可知，對同軸徑向熱管的研究主要集中在其傳熱特性方面，如：熱管內(nèi)部蒸汽的壓力分布及流動特性，充液率、運行溫度、加熱功率對熱管換熱系數(shù)的影響及蒸發(fā)段外壁面的溫度分布。但對于徑向偏心熱管控溫和均溫方面的研究不足，有待進一步研究。

本文采用了與實際應用更接近的恒溫加熱，分別研究了在自然對流和強制對流工況下充液率、控溫位置、運行溫度和冷卻能力等因素對重力徑向偏心熱管溫度特性的影響。此外，定性分析了熱管通過相變換熱及其熱容來提高溫度穩(wěn)定性的傳熱機理，以期為其應用提供參考依據(jù)。

1 實驗裝置和方法

1.1 實驗裝置

如圖1所示，實驗系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、抽真空灌注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)由加熱帶和溫度控制器構成，加熱帶均勻纏繞在外管外壁面，其加熱通斷由溫度控制器調節(jié)。加熱帶外部覆有保溫層，以減小加熱系統(tǒng)漏熱。冷卻系統(tǒng)由離心風機和風道組成。風機將室內(nèi)空氣送入內(nèi)管，實現(xiàn)熱量傳遞。出口風速和溫度由熱線風速儀測定。溫度測量和采集系統(tǒng)主要由鉑電阻測溫元件和ASL-F500高精度多通道測溫電橋組成，并通過RS232數(shù)據(jù)線與電腦相連，由數(shù)據(jù)采集軟件自動獲取實驗測試結果。

1.2 重力徑向偏心熱管

重力徑向偏心熱管結構及尺寸如圖2所示，其由軸心間距25 mm、壁厚1.5 mm的內(nèi)外圓管組成。端部安裝高真空針閥，方便充液率調整。

實驗過程中熱管水平放置，內(nèi)管位于外管軸線正上方。外管外壁受熱，內(nèi)管內(nèi)壁被冷卻，故外管和內(nèi)圓管分別為傳統(tǒng)意義上熱管的蒸發(fā)段和冷凝段。當外管外壁受熱后，熱管腔內(nèi)液態(tài)工質吸熱汽化，蒸汽在壓差的作用下從蒸發(fā)段流向冷凝段凝結，凝結液在冷凝壁面不斷積累并在重力作用下滴入液池。此過程循環(huán)往復，從而實現(xiàn)熱量的連續(xù)傳遞。在傳熱過程中，重力徑向偏心熱管具有受熱面積大、蒸汽流道寬、流動距離短及不凝性氣體不易在冷凝壁面周圍集聚的優(yōu)點，因而呈現(xiàn)了啟動速度快、等溫性能好、傳熱極限高和運行壽命長的特點。此外，其偏心結構使液態(tài)工質在部分淹沒內(nèi)管前具有更大充液量，可進一步增強換熱。

該熱管結構對稱，故在外管外壁面安裝了7只膜片式鉑電阻溫度計，如圖2所示。其中，PRT1～PRT5位于外管外壁面中心處，沿其周向自上而下間隔45°分布，PRT6、PRT7位于外管外壁底部，沿其軸向從中心處間隔70 cm分布。內(nèi)管內(nèi)壁面中心處溫度由中國計量科學院校準的二等標準鉑電阻溫度計測得。二等標準鉑電阻溫度計外徑7 mm、長480 mm。為保證其測溫端與內(nèi)壁面接觸良好，在內(nèi)管中設置彈性支架。

1.3 實驗內(nèi)容

實驗研究了內(nèi)管處于自然對流和強制對流工況下，重力徑向偏心熱管的溫度特性及其影響因素。在自然對流工況下，研究了充液率（充液率為液體工質體積與熱管腔內(nèi)總體積之比）、控溫方式和運行溫度對熱管溫度穩(wěn)定性和均勻性的影響。在強制對流時，采用上部控溫方式，研究了充液率、運行溫度及冷卻能力對外管外壁面溫度分布的影響。實驗測試參數(shù)范圍如下：充液率為15%～60%；運行溫度為70～100℃；冷卻風速為2～8 m·s-1。

1.4 誤差分析

實驗涉及的物理量測量包含溫度、體積和速度。溫度測量采用ASL-F500高精度多通道測溫電橋，其準確度為±0.005℃，分辨率為0.001℃。測溫誤差主要取決于測溫元件，所以經(jīng)校準的具有A級精度的膜片式鉑電阻溫度計和二等標準鉑電阻溫度計的測溫精度分別為±0.1和±0.005℃。充液量采用1000 ml量筒測量，測量精度10 ml。熱線風速儀的風速測量精度為0.1 m·s-1。

2 實驗結果與討論

2.1 自然對流工況下熱管溫度特性

2.1.1 溫度穩(wěn)定性

將穩(wěn)定運行時測點溫度2 h最大變化值作為熱管溫度穩(wěn)定性的評價指標。圖3顯示了上部控溫（PRT1接溫度控制器）時，內(nèi)管內(nèi)壁面中心處溫度穩(wěn)定性隨充液率、運行溫度的變化。結果表明，其穩(wěn)定性隨充液率增加、運行溫度降低而提高。在控溫70℃、充液率為60%時，其中心處2 h溫度穩(wěn)定性為±0.024℃。

圖4給出了控溫70℃時，充液率對外管外壁面各測點溫度穩(wěn)定性的影響。結果表明，PRT2～PRT5測點溫度穩(wěn)定性隨測點水平位置升高、充液率減小而惡化。

對比圖3、圖4發(fā)現(xiàn)，內(nèi)管內(nèi)壁面溫度穩(wěn)定性優(yōu)于外管外壁面。這是因為，內(nèi)管外壁面被冷凝液膜覆蓋，當腔內(nèi)蒸汽溫度升高或降低時，冷凝液膜層將發(fā)生相變，吸收或釋放潛熱，以維持內(nèi)管內(nèi)壁面溫度穩(wěn)定。此外，外管底部的液態(tài)工質由于其自身熱容和相變潛熱的存在，削弱了外部熱源對熱管溫度波動的影響。因而，內(nèi)管內(nèi)壁面的溫度穩(wěn)定性隨充液率增大而提高。對于外管外壁面，PRT1接入溫度控制器，所以其溫度穩(wěn)定性未給出。PRT2測點對應的外管內(nèi)壁面處始終未被液體浸潤，且距離控溫傳感器位置較近，所以其溫度穩(wěn)定性隨充液率變化不大。PRT3測點的溫度穩(wěn)定性隨充液率變化非常敏感，這是由于增大充液率，與PRT3對應的外管內(nèi)壁面將被浸潤，其換熱工況發(fā)生變化所致。PRT4、PRT5始終被液體浸潤，所以其溫度穩(wěn)定性較好。PRT6、PRT7較PRT5的溫度穩(wěn)定性差，主要是因為實驗過程中沿熱管端面有漏熱，其穩(wěn)定性受環(huán)境溫度波動影響較大所致。

通過以上對比，充液率為60%時熱管溫度穩(wěn)定性最優(yōu)。圖5、圖6給出了充液率為60%，溫控傳感器分別位于上部（PRT1）和下部（PRT5）時對其穩(wěn)定性的影響。從圖中可以看出，上部控溫較下部控溫更有利于熱管溫度穩(wěn)定性提高。因為，溫控傳感器測點位于不同位置時，換熱工況不同所致。

外管上部不銹鋼殼體與蒸汽接觸，其傳熱系數(shù)較低，下部不銹鋼與液體接觸，其傳熱系數(shù)較大。上部不銹鋼殼體與蒸汽的總熱容小于下部殼體與液態(tài)工質總熱容。溫度控制器的控溫精度決定了控溫點位置溫度的波動大小，相同的溫度變化量，下部控溫時，熱管將吸收或釋放更大熱量，從而引起較大的溫度波動，其溫度穩(wěn)定性降低。隨著運行溫度的升高，熱管向環(huán)境散失熱量增大，環(huán)境溫度波動將對其溫度穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。所以，隨著運行溫度的升高，熱管溫場穩(wěn)定性變差。

2.1.2 溫度均勻性

將熱管穩(wěn)定運行時外管外壁面和內(nèi)管內(nèi)壁面不同測點間的最大溫差作為溫度均勻性的評價指標。圖7、圖8顯示了上部控溫時，充液率對熱管溫場均勻性的影響。內(nèi)管內(nèi)壁中心段沿軸向長20 cm，等間隔分布5個測溫位置。熱管穩(wěn)定運行時，將二等標準鉑電阻溫度計由右向左每10min移動5 cm，測試不同位置的溫度值。從圖7可以看出，隨充液率增加，內(nèi)管內(nèi)壁面溫度均勻性得到改善；相同充液率，運行溫度對均勻性的影響較小。控溫70℃時，內(nèi)管內(nèi)壁面中心段20 cm溫度均勻性為0.142℃。圖8顯示了控溫70℃時，外管外壁面的溫度分布。從圖中可以看出，隨著充液率的增加，蒸發(fā)段外壁面的溫度分布更加均勻。PRT6、PRT7的溫度低于其他測溫點，這是由于熱管向環(huán)境漏熱，存在軸向溫度梯度所引起的。

對比圖7、圖8可以看出，內(nèi)管內(nèi)壁面溫度均勻性明顯優(yōu)于外管外壁面，這是因為熱管在運行時具有等溫特性。熱管水平放置時，蒸汽流動距離較短，流通截面積較大，因此蒸汽在輸運過程中產(chǎn)生的壓降損失較小，由克勞修斯-卡拉貝龍方程和理想氣體狀態(tài)方程可知，蒸汽流動產(chǎn)生溫降較小，所以內(nèi)管壁面具有優(yōu)異的等溫性能。

圖9、圖10給出了控溫位置、運行溫度對熱管溫度均勻性的影響。從圖中可以看出，上部控溫方式較好，熱管溫度均勻性隨運行溫度的升高而惡化，內(nèi)管內(nèi)壁面溫度均勻性優(yōu)于外管外壁面。這是因為，運行溫度升高，對外漏熱增加，沿熱管軸向的溫度梯度變大，造成內(nèi)管壁溫度均勻性變差。上部控溫方式提高了熱管溫度穩(wěn)定性，同時也使其均勻性得到提高。

2.2 強制對流工況下熱管溫度特性

內(nèi)管內(nèi)壁處于強制對流時，實驗采用與實際換熱工況近似的上部控溫方式。圖11給出了控溫70℃、冷卻風速為8 m·s-1時，充液率對外管外壁面溫度分布的影響。由圖可知，隨著充液率的增加，外管外壁面的溫度均勻性得到改善，其測點平均溫度有所升高。這是因為充液率增大時，外管內(nèi)壁面被液體工質浸潤的面積增大，傳熱系數(shù)提高所致。PRT7處于內(nèi)管冷卻流體入口段下方，溫度較低。在入口段，冷卻流體溫度較低，蒸汽與內(nèi)管外壁溫差較大，腔內(nèi)大量蒸汽在入口段外壁面凝結為過冷液體，并在重力作用下滴入液池，引起外管外壁面溫度降低。

圖12給出了控溫90℃、充液率為60%時，冷卻能力對外管外壁面溫度分布的影響。結果表明，隨著冷卻能力增強，壁面溫度降低。因為內(nèi)管內(nèi)壁面與冷卻流體的換熱熱阻是換熱過程的主要熱阻，其熱阻減小導致外管外壁面溫度降低。PRT2位于熱管上部，外管上部殼體與蒸汽傳熱系數(shù)低，且與控溫位置較近，所以其溫度下降幅度較小。

圖13給出了控溫70℃時，充液率和冷卻能力對外管外壁面溫度均勻性的影響。結果表明，隨著充液率減小、冷卻能力提高，外管外壁面溫度均勻性惡化。隨著充液率增加，外管內(nèi)壁面浸潤面積增大，熱管換熱能力增強，外管外壁面溫度均勻性提高。在給定的充液率和控制溫度下，隨著冷卻能力的增強，熱管總熱阻減小，因此PRT3～PRT5溫度降低。但PRT2下降幅度較小，致使外管外壁面周向溫差增大。

圖14給出了充液率為60%時，運行溫度對外管外壁面溫度均勻性的影響。由圖可知，外管外壁面周向溫差隨運行溫度提高、冷卻能力增強而增大。運行溫度提升，引起腔內(nèi)蒸汽壓力增大，沸騰傳熱系數(shù)提高，致使外管外壁下部溫度降低，熱管外壁面周向溫差增大。綜上，外管外壁面的周向溫差隨著充液率降低、運行溫度升高及冷卻能力增強而增大。

3 結 論

通過對重力徑向偏心熱管在自然對流和受迫對流工況下溫度特性及影響因素的研究，得到如下結論。

（1）熱管通過相變換熱及其熱容顯著提高冷凝段溫度特性。在自然對流工況下，當熱管外部控溫精度±2℃時，熱管冷凝段內(nèi)壁面中心處2 h溫度穩(wěn)定性為±0.024℃；冷凝段中心段20 cm及相應蒸發(fā)段外壁面溫度均勻性分別為0.142和2.676℃。

（2）充液率、控溫方式和運行溫度影響熱管溫度特性。因此，確定最佳充液率、選擇合適控溫方式及運行溫度是優(yōu)化熱管溫度特性的重要途徑。

（3）溫度控制器控溫精度影響熱管溫度特性。若進一步提高熱管性能，可采用更高精度的溫度控制器。

符 號 說 明

FR——充液率 T——控制溫度，℃ U——冷卻風速，m·s-1 ?——直徑，mm

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Temperature characteristics of radial eccentric gravity heat pipe

WANG Wei, XIA Guodong, MA Dandan, CHENG Yue

(Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation Ministry of Education, College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The temperature characteristics and their effect factors of a radial eccentric gravity heat pipe were investigated experimentally under natural convection and forced convection. For the test, a radial eccentric gravity heat pipe was fabricated with two eccentric pipes of unequal diameters that create an annular vapor space. The radial eccentric heat pipe was sealed with a high vacuum valve by which the filling ratio could be changed. The experiments were performed in the range from 70 to 100℃ and filling ratios (FR) from 15% to 60%. The temperature stability, uniformity and distributions of the outer surface of the outer pipe and the inner surface of the inner pipe were affected by various factors, such as filling ratios, the locations of the heater controller probe and the cooling capabilities of the inner pipe. The wall temperature distributions on both the outer surface of the outer pipe and the inner surface of the inner pipe were monitored and analyzed. The results indicated that the temperature stability of the inner surface of the inner pipe was about ±0.024℃ for 2 h. The maximum temperature difference was 0.142℃ over 20 cm in the central part of the measuring zone and the minimum temperature of the outer surface of the outer pipe appeared underneath the inlet of cooling air. The results also showed that the radial eccentric gravity heat pipes were very promising in the applications of temperature calibration field.

radial eccentric heat pipe; vaporization; condensation; heat transfer; filling ratio; temperature stability; temperature uniformity

supported by the National Natural Science Foundation of China (51176002), the National Basic Research Program of China (2011CB710704) and the Natural Science Foundation of Beijing (3142004).

date: 2016-03-30.

Prof. XIA Guodong, xgd@bjut.edu.cn

TK 172.4

A

0438—1157（2016）09—3651—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20151661

國家自然科學基金項目（51176002）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2011CB710704）；北京市自然科學基金項目（3142004）。

2015-11-03收到初稿，2016-05-11收到修改稿。

聯(lián)系人：夏國棟。第一作者：王偉（1985—），男，博士研究生。