丁 琪，許 輝，江浩文，張 紅，2

(1.南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816) (2.南京林業(yè)大學(xué)校長辦公室，江蘇 南京 210037)

高溫平板熱管即一種平板結(jié)構(gòu)的高溫?zé)峁埽c常規(guī)的圓柱狀高溫?zé)峁懿煌?，其蒸發(fā)端和冷凝端均為平面結(jié)構(gòu)。高溫平板熱管的開發(fā)，主要是解決一些平面結(jié)構(gòu)在高溫、高熱流環(huán)境下帶來的熱點問題。由于高溫?zé)峁芫哂械蜔嶙琛⒏邔?dǎo)熱和均溫性的特點，因此其能夠有效降低局部高溫區(qū)域的溫度[1-2]。如陳連忠等[3]介紹了高溫?zé)峁茉跓岱雷o(hù)中的應(yīng)用原理,并通過試驗對比分析,發(fā)現(xiàn)高溫?zé)峁苣軌蛴行У貙⒏邷貐^(qū)的熱量傳導(dǎo)到低溫區(qū)，由此驗證了高溫?zé)峁軣岱雷o(hù)的可能性。韓海濤等[4]則針對超燃沖壓燃燒室提出了一種基于高溫?zé)峁芗夹g(shù)的再生冷卻結(jié)構(gòu)，在一定工作狀態(tài)下，高溫?zé)峁芗夹g(shù)的腔體式熱防護(hù)面板可以降低局部高熱流部位的溫度。然而，這些研究工作中關(guān)于熱管能夠穩(wěn)定運行的因素沒有受到足夠重視。

因為影響熱管穩(wěn)定運行過程中的主要因素有啟動性能和均溫性能，所以Wang等[5]將高溫?zé)峁茏鳛榉磻?yīng)堆的關(guān)鍵組件來分析啟動性能和熱阻變化，研究表明高溫異形熱管在極不均勻的輻射條件下，能夠抑制熱點形成，具有極好的均溫性和啟動性。楊琳等[6]對新型塔式太陽能吸熱器性能進(jìn)行了研究，將板翅結(jié)構(gòu)應(yīng)用于熱管內(nèi)，可防止局部過熱，并能承受高強(qiáng)度熱流密度載荷，證明了高溫?zé)峁芫哂辛己玫木鶞匦浴?/p>

由于高溫?zé)峁艽蠖嗍菆A柱狀結(jié)構(gòu)，難以用來解決平面結(jié)構(gòu)類型的高溫傳熱問題，而一般平板熱管設(shè)定的溫度都是常溫，很少有關(guān)于高溫的平板熱管傳熱機(jī)理研究，因此本文結(jié)合高溫?zé)峁芎推桨鍩峁艿奶匦裕岢隽烁邷仄桨鍩峁?，主要圍繞高溫平板熱管的啟動性能和均溫性能開展研究。

1 實驗系統(tǒng)及流程

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置(如圖1、圖2所示)包括局部熱源、高溫平板熱管、角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。局部熱源是一個電阻加熱器，呈細(xì)長條狀，本次熱管實驗的加熱功率范圍是450～600 W。高溫平板熱管外殼是由310S不銹鋼制成的，尺寸是200 mm×100 mm×30 mm，內(nèi)部采用金屬纖維氈作為熱管的吸液芯，熱管中填充了液鈉作為傳熱工質(zhì)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、K型熱電偶組成。將熱源放置在熱管的底部，而后在冷凝端和蒸發(fā)端都布置了K 型熱電偶，用來測量熱管的溫度分布情況。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

圖2 實驗裝置圖

1.2 實驗流程

實驗采用調(diào)壓器和功率表來調(diào)整功率的大小，同時熱管所放置的不銹鋼支架能夠通過搖動轉(zhuǎn)軸來調(diào)節(jié)不同的角度。在不銹鋼架四周鋪上保溫棉，防止熱量損失。熱管冷凝端和蒸發(fā)端分別布置了相應(yīng)的K型熱電偶，熱電偶的另一端連接在數(shù)據(jù)采集儀上，每隔5 s采集一次數(shù)據(jù)并儲存。改變不同功率、熱源位置等相關(guān)因素來測量熱管溫度分布情況。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 加熱功率的影響

2.1.1加熱功率對啟動性能的影響

熱管的啟動性能是研究其運行過程中各項參數(shù)的一個重要參考，圖3給出了熱管在不同功率下的啟動時間。由圖可知，熱管的表面溫度隨著加熱時間的延長而不斷增加，經(jīng)過一段時間后，其表面溫度基本不再變化，趨于穩(wěn)定。由圖3(a)可知，在給定功率達(dá)到600 W的時候，熱管穩(wěn)定的時間大概在1 500 s，而給定功率是450 W時，熱管從啟動到運行穩(wěn)定的時間基本都大于1 500 s。由圖3(b)可知，熱管蒸發(fā)端也是相同的溫度分布趨勢。由此分析，在高溫?zé)峁軉舆^程中如果以較大功率進(jìn)行加熱時，熱管啟動的速度較快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間較少。

圖3 不同功率條件下溫度隨時間的變化

2.1.2加熱功率對熱管熱阻的影響

為了進(jìn)一步探究功率對高溫平板熱管工作能力的影響，利用功率與熱阻和其傳熱系數(shù)的關(guān)系來進(jìn)行分析比較。總熱阻R定義為：

(1)

式中：T1為蒸發(fā)端的平均溫度，℃；T2為冷凝端的平均溫度，℃；Q為熱源功率，W。

傳熱系數(shù)K定義為：

(2)

式中：A為熱管表面積，m2。

圖4是功率與熱阻的關(guān)系圖，從圖中可以看到，熱阻隨著功率的增加而減小，在低功率450 W下，整個熱管的熱阻最大，達(dá)到了0.066 ℃/W，這是因為在低功率下，輸入的熱流密度相對較小，鈉工質(zhì)的相變還沒有特別劇烈，所以熱管的熱阻較大。圖5是功率與傳熱系數(shù)的關(guān)系圖，由圖可以明顯看到傳熱系數(shù)是隨著功率的增加而增加，與加熱功率成正比關(guān)系，而當(dāng)加熱功率達(dá)到500 W后傳熱系數(shù)上升的速度逐漸減小。結(jié)合圖4、圖5進(jìn)行分析，說明在低功率下，熱管的傳熱能力和傳熱效果會相對差一些，而功率越高整體的熱阻越小，傳熱系數(shù)越大，傳熱效果越好。

圖4 不同功率下熱阻分布

圖5 不同功率下傳熱系數(shù)

2.2 局部熱源位置的影響

2.2.1局部熱源位置對蒸發(fā)端溫度的影響

圖6給出了不同局部熱源位置對高溫平板熱管蒸發(fā)端溫度的影響。從圖中看到，當(dāng)局部熱源在熱管中間位置時，溫度分布是以熱管中間為軸呈現(xiàn)對稱分布的趨勢，中間位置處溫度最高，向兩邊溫度依次遞減。由于加熱位置移動到邊緣，距局部熱源所在位置距離越大，相應(yīng)的溫度則逐級降低。通過對比發(fā)現(xiàn)，熱源放置在邊緣時的最高溫度比熱源在中間位置時高，而最低溫度則比中間位置時低，所以熱源布置在邊緣時的溫差比較大，均溫性變差。

圖6 不同熱源位置熱管蒸發(fā)端溫度分布

2.2.2局部熱源位置對擴(kuò)散熱阻的影響

由于局部熱源與平板熱管接觸的平面面積大小不一，使得熱量在兩個不同大小的面之間傳遞，從而導(dǎo)致了擴(kuò)散熱阻的存在，根據(jù) Hsieh 等[7]提出的推導(dǎo)公式，簡化定義擴(kuò)散熱阻Rs為：

(3)

圖7給出了不同熱源位置下高溫平板熱管熱阻分布情況。由圖可知，熱阻隨著加熱功率的增加而減小，在450 W加熱功率下，局部熱源在邊緣時的擴(kuò)散熱阻達(dá)到了0.158 ℃/W，而在中間位置時的熱阻為0.11 ℃/W。當(dāng)熱源在熱管中間位置的時候，傳熱性能明顯優(yōu)于邊緣位置。這是因為局部熱源在熱管中間位置時，熱管內(nèi)部的鈉工質(zhì)蒸發(fā)的速度會更快，這樣就能使局部熱源的熱量更快地到達(dá)冷凝端，從而提升了整體的工作能力。因此，局部熱源的位置也會對熱管傳熱性能造成很大的影響，本次實驗中局部熱源放置在熱管的中間位置時工作性能最好。

圖7 熱源位置對擴(kuò)散熱阻的影響

3 結(jié)論

本文通過對高溫平板熱管進(jìn)行不同的實驗，證明了其具有良好的傳熱性能，得到如下結(jié)論：

1)高溫平板熱管在加熱功率450～ 600 W范圍內(nèi)都可以正常啟動，加熱功率越大，啟動時間越短，溫升越快，而熱阻隨之減小，傳熱系數(shù)則緩慢增加。

2)熱源位置的變化對熱管的啟動性能具有一定的影響，當(dāng)熱源位置從熱管中間移動到熱管邊緣時，熱管蒸發(fā)端溫差變大，整體溫度分布不均勻，均溫性能變差，而熱阻也隨之增加。當(dāng)熱源放置在熱管中間時，傳熱性能相對較好。