收稿日期：2021-11-22

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高?？蒲许?xiàng)目（NJZZ19070）；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)（2021ZD0030-02）；國家自然科學(xué)基金（51966011）；內(nèi)蒙古

電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司項(xiàng)目（510241200024）

通信作者：張子敬（1972—），男，博士、教授，主要從事太陽能熱利用技術(shù)及燃煤煙氣污染物控制技術(shù)方面的研究。nmgdlxyzzj@sina.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1422 文章編號：0254-0096（2023）04-0492-07

摘 要：為研究不同加熱方式下熱管的傳熱性能，該文設(shè)計(jì)并搭建一套具有非均勻加熱功能的熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試臺架。實(shí)驗(yàn)測試加熱方式（均勻加熱、上表面加熱、下表面加熱）、加熱功率和放置傾角對熱管傳熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：加熱功率和放置傾角一定，均勻加熱時(shí)熱管熱效率最大，下表面加熱時(shí)次之，上表面加熱時(shí)最??；下表面加熱時(shí)，熱管總傳熱熱阻最小，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)最大，外壁面平均溫度最低。無論采用哪種加熱方式，隨著放置傾角的增大，熱管熱效率均逐漸減小，總傳熱熱阻逐漸增大，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)逐漸減小；蒸發(fā)段液池區(qū)域外壁面溫度均明顯高于液膜區(qū)域；液膜區(qū)域，沿高度方向外壁面溫度變化較小。

關(guān)鍵詞：太陽能集熱器；非均勻加熱；熱管；熱效率；傳熱熱阻；傳熱系數(shù)

中圖分類號：TK512 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

太陽能熱利用領(lǐng)域中，兩相閉式熱虹吸管（以下簡稱“熱管”）因具有導(dǎo)熱能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，常被用作集熱器的接收器［1-2］。以熱管作為接收器的太陽能集熱器可分為聚光和非聚光兩大類。其中，比較典型的聚光集熱器有拋物槽式熱管真空管太陽能集熱器［3-4］、內(nèi)置復(fù)合拋物面聚光器（compound parabolic concentrator，CPC）［5］和外置CPC［6］熱管真空管太陽能集熱器等。由于聚光器對光線的反射和匯聚作用，導(dǎo)致熱管蒸發(fā)段面向聚光器一側(cè)的熱流密度較高。比較典型的非聚光集熱器有平板熱管太陽能集熱器［7］、熱管真空管太陽能集熱器［8］等。而此類設(shè)備中，熱管蒸發(fā)段面向太陽一側(cè)的熱流密度較高。

熱管作為上述太陽能集熱器的核心部件之一，其傳熱性能直接影響太陽能集熱器的熱性能。目前，有關(guān)熱管傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究大致可分為兩類：一類以熱管式太陽能集熱器為研究對象，熱管作為集熱器的一個(gè)部件；另一類單獨(dú)以熱管作為研究對象。

以熱管式太陽能集熱器為研究對象的實(shí)驗(yàn)多在室外真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行。衛(wèi)鈴佼等［9］在太陽輻照度相對穩(wěn)定的時(shí)間段（09：00—16：00）測試集成式平板熱管太陽能集熱器的熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該集熱器在這一時(shí)段的平均熱效率約為66%。李雙飛等［10］實(shí)驗(yàn)測試了天氣條件對海水淡化用外置CPC熱管真空管太陽能集熱器熱性能的影響，結(jié)果表明晴天時(shí)集熱系統(tǒng)熱效率約為41%，陰天時(shí)熱效率也可達(dá)到34%。Elsheniti等［11］在埃及亞歷山大市環(huán)境條件下測試熱管真空管太陽能集熱器的熱效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明進(jìn)水溫度、環(huán)境溫度、真空管數(shù)量、冷卻水質(zhì)量流量和太陽輻照度等因素均會影響集熱器熱效率。Fathabadi［4］通過實(shí)驗(yàn)對比拋物槽式熱管真空管太陽能集熱器、熱管真空管太陽能集熱器和平板太陽能集熱器的熱性能，其中拋物槽式熱管真空管接收器管內(nèi)工質(zhì)為濃度1%的氧化銅納米流體；結(jié)果表明拋物槽式熱管真空管太陽能集熱器的熱效率最高，約為76.3%。

以熱管為研究對象的實(shí)驗(yàn)多在室內(nèi)恒溫條件下進(jìn)行。Gedik［12］通過在蒸發(fā)段纏繞電熱絲來加熱熱管，實(shí)驗(yàn)測試管內(nèi)工質(zhì)類型、加熱功率對熱管傳熱熱阻和熱效率的影響，結(jié)果顯示熱管的總熱阻隨加熱功率的增加而降低。Alammar等［13-14］采用同樣的加熱方式，實(shí)驗(yàn)測試充液率、放置傾角和加熱功率對熱管間歇沸騰的影響。姜峰等［15］通過改變加熱線圈的纏繞圈數(shù)和纏繞位置調(diào)節(jié)熱管蒸發(fā)段長度及加熱位置，測試這兩個(gè)因素對熱管性能的影響，結(jié)果顯示熱管總熱阻隨蒸發(fā)段長度（纏繞圈數(shù)）的增加而減小，加熱位置上移有利于熱量傳遞。Payakaruk等［16］以銅制熱管為研究對象，采用恒溫水域加熱熱管蒸發(fā)段，測試工質(zhì)類型、放置傾角、充液率等因素對熱管性能的影響，結(jié)果表明充液率、工質(zhì)類型對熱管性能的影響較明顯。Gabriela等［17］采用恒溫水域加熱熱管蒸發(fā)段，測試以氧化鐵納米流體作為工質(zhì)時(shí)熱管的熱性能，結(jié)果顯示，與純水相比，氧化鐵納米流體作為工質(zhì)可有效提高熱管熱性能。Sarafraz等［18］利用交流電源供電的筒式柔性加熱器對熱管蒸發(fā)段加熱，測試銀納米流體作為工質(zhì)時(shí)熱管的傳熱性能，結(jié)果顯示銀納米流體作為工質(zhì)可有效降低熱管壁面溫度分布的不均勻度、提高傳熱性能。Kim等［19］采用直流電源供電的筒式加熱器加熱熱管蒸發(fā)段，測試充液率、放置傾角對熱管傳熱性能的影響，結(jié)果表明低充液率（FR=25%）時(shí)，傾角對沸騰傳熱系數(shù)的影響明顯。

由文獻(xiàn)研究可知，熱管式太陽能集熱器運(yùn)行時(shí)，熱管通常處于非均勻加熱狀態(tài)。集熱器類型不同，熱管的加熱方式也不同，但都是非均勻加熱［3-11］。而文獻(xiàn)中以熱管單獨(dú)作為研究對象的實(shí)驗(yàn)研究表明，蒸發(fā)段的加熱方式都是均勻的［12-19］。因此，為了更系統(tǒng)地研究非均勻加熱時(shí)熱管的傳熱性能，為熱管式太陽能集熱器的設(shè)計(jì)提供理論支持，本文設(shè)計(jì)并搭建一套在室內(nèi)恒溫條件下進(jìn)行測試的、具有非均勻加熱功能的熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試臺架。通過實(shí)驗(yàn)測試，研究加熱方式（均勻加熱、上表面加熱、下表面加熱）、放置傾角和加熱功率對熱管傳熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

具有非均勻加熱功能的熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖1所示。該測試系統(tǒng)主要包括熱管、非均勻加熱裝置、角度可調(diào)節(jié)的支架、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和溫度、流量測量裝置。熱管材料為鈍化處理的不銹鋼，工質(zhì)為去離子水，充液率為25%。熱管全長2150 mm，其中蒸發(fā)段1800 mm，絕熱段50 mm，冷凝段300 mm；熱管內(nèi)徑37 mm，外徑42 mm。

圖2為非均勻加熱裝置示意圖，該加熱裝置由4條表面光滑的硅膠電加熱帶組成。硅膠電加熱帶采用直流電源供電，每條硅膠電加熱帶的加熱功率可通過單獨(dú)調(diào)節(jié)供電電壓來控制，4條硅膠電加熱帶的標(biāo)號分別記為a、b、c、d。為保證硅膠電加熱帶與熱管蒸發(fā)段緊密貼合并減少散熱損失，加熱帶外側(cè)包裹具有一定保溫效果的保溫材料。絕熱段和冷凝段外側(cè)包裹絕熱材料，與外界無換熱。

如圖3所示，在熱管蒸發(fā)段、冷凝段外壁面和冷卻夾套進(jìn)、出口處共布置28支K型熱電偶，測量外壁面溫度和冷卻水進(jìn)、出口溫度。其中，蒸發(fā)段金屬管外壁面沿長度方向布置6組（以下角標(biāo)1～6表示，如圖3a所示），每組沿周向布置4支（以下角標(biāo)a、b、c、d表示，如圖3c所示）；冷凝段上、下面布置2支（分別為Tm7和Tn7，如圖3b所示）；冷卻夾套進(jìn)、出口各布置1支（分別為Tw，in和Tw，out，如圖3a所示），其中Le1為

100 mm，Le2為320 mm。蒸發(fā)段外壁面布置的熱電偶與加熱帶之間放置隔熱棉，確保測試溫度不受加熱帶影響；冷凝段外壁面布置的熱電偶采用防水隔熱膠固定，確保測試溫度不受冷卻水影響。實(shí)驗(yàn)中，采用TP700型多路數(shù)據(jù)采集儀對熱管外壁面和冷卻水進(jìn)、出口溫度測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，每10秒記錄一次數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱管加熱方式分為均勻加熱（4條加熱帶加熱功率相同）、上表面加熱（a、b加熱帶加熱功率相同，c、d加熱帶不通電）和下表面加熱（a、b加熱帶不通電，c、d加熱帶加熱功率相同）3種?？紤]硅膠加熱帶材料溫度限制，總加熱功率分別定為240、280和320 W。如果換算為蒸發(fā)段外壁面熱流密度，則分別為1011、1179、1347 W/m2。實(shí)驗(yàn)中為了更明顯區(qū)分上表面加熱和下表面加熱的加熱效果，放置傾角小于90°，定為20°～80°，調(diào)節(jié)間隔為10°。冷卻水進(jìn)口流量和溫度保持恒定，分別為80 L/h和30 ℃。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 傳熱性能計(jì)算

熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，其傳熱性能可用熱效率、傳熱系數(shù)和傳熱熱阻來衡量［16］。熱管的熱效率[η]定義為有用能[Quse]與總輸入能量[Qin]的比值，計(jì)算公式［20］為：

[η=QuseQin] （1）

[Quse=mwcpTw，out-Tw，in]""" （2）

[Qin=UI] （3）

式中：[mw]——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；[cp]——冷卻水的定壓比熱容，J/（kg·℃）；[Tw，out]——冷卻水出口溫度，℃；[Tw，in]——冷卻水進(jìn)口溫度，℃；[U]——加熱帶電壓，V；[I]——加熱帶電流，A。

熱管的總傳熱熱阻[R]的計(jì)算公式［20］為：

[R=ΔTQin]""" （4）

式中：[ΔT]——蒸發(fā)段和冷凝段壁面平均溫度的差值，其計(jì)算公式為：

[ΔT=Teva-Tcon=16i=1614j=adTji-Tn7+Tm72]"" （5）

式中：[Teva]——蒸發(fā)段壁面平均溫度，℃；[Tcon]——冷凝段壁面平均溫度，℃；下標(biāo)i——蒸發(fā)段外壁面沿長度方向布置的熱電偶標(biāo)號；下標(biāo)j——蒸發(fā)段沿周向布置的熱電偶標(biāo)號。

熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)[he]的計(jì)算公式［21］為：

[he=qeTeva-Tsat]""" （6）

[qe=QinπDLeva]" （7）

式中：[qe]——蒸發(fā)段能流密度，W/m2；[Tsat]——熱管內(nèi)工質(zhì)飽和溫度，℃；[D]——熱管外徑，m；[Leva]——蒸發(fā)段長度，m。

本文實(shí)驗(yàn)中熱管是密閉的，無法測量熱管內(nèi)部溫度。因此，熱管內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度[Tsat]由蒸發(fā)段、冷凝段的壁面溫度和長度計(jì)算，計(jì)算公式［22］為：

[Tsat=TevaLeva+TconLconLeva+Lcon] （8）

式中：[Lcon]——冷凝段長度，m。

2.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試過程中，調(diào)整任一實(shí)驗(yàn)條件都可能會影響熱管內(nèi)工質(zhì)的穩(wěn)定流動狀態(tài)，因此數(shù)據(jù)采集必須在熱管內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定之后進(jìn)行。

圖4為均勻加熱、加熱功率為320 W時(shí)，某次實(shí)驗(yàn)測試過程中記錄的熱管蒸發(fā)段a加熱帶沿長度方向1～6測點(diǎn)的溫度變化（[Ta1～Ta6]）。當(dāng)熱管放置傾角由之前的30°調(diào)整為40°時(shí)，a加熱帶1～6測點(diǎn)的溫度產(chǎn)生了較大波動。其中，波動最明顯的是位于蒸發(fā)段下部的[Ta1]和[Ta2]。

熱管內(nèi)工質(zhì)的穩(wěn)定狀態(tài)被破壞后，需要一段時(shí)間才能重新恢復(fù)，再次穩(wěn)定后各測點(diǎn)溫度不隨時(shí)間產(chǎn)生較大波動。為確保對熱管穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的傳熱性能進(jìn)行分析，結(jié)果分析采用的數(shù)據(jù)均為工質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后多次采集數(shù)據(jù)的平均值。

實(shí)驗(yàn)測試中，測試儀器的測量誤差會導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。其中，可直接測量的獨(dú)立參數(shù)，如溫度、功率等，其誤差依據(jù)測試儀器的精度確定，本文實(shí)驗(yàn)測試儀器精度列于表1。另外，還有部分參數(shù)需由直接測量參數(shù)計(jì)算獲得，稱為間接測量參數(shù)，如熱效率[η]、總傳熱熱阻[R]和蒸發(fā)段傳熱系數(shù)[he]。間接測量參數(shù)不確定度[u]的計(jì)算公式為［15］：

[u（η）η=u（Quse）Quse2+u（Qin）Qin2]" （9）

[u（R）R=u（Quse）Quse2+u2Teva+u2TconTeva-Tcon2]"" （10）

[u（he）he=u（Qin）Qin2+u2Teva+u2TsatTeva-Tsat2]"""""" （11）

通過計(jì)算，本文實(shí)驗(yàn)測試中熱管熱效率[η]、總傳熱熱阻[R]和蒸發(fā)段傳熱系數(shù)[he]的最大不確定度分別為7.63%、5.40%和6.63%。

3 結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，本文分析了加熱方式（均勻加熱、上表面加熱和下表面加熱）、加熱功率和放置傾角對熱管傳熱性能及壁面溫度分布的影響。

3.1 加熱方式對熱管傳熱性能的影響

圖5為3種加熱方式下熱管熱效率隨放置傾角、加熱功率的變化曲線。加熱功率和放置傾角一定，均勻加熱時(shí)的熱效率最大，下表面加熱時(shí)次之，上表面加熱時(shí)最小。這是因?yàn)榧訜峁β室欢ǎ鶆蚣訜釙r(shí)每條加熱帶的加熱功率最小、溫度最低，因此向周圍環(huán)境散失的熱量最少、熱效率最大。

對比上表面加熱和下表面加熱兩種方式，下表面加熱時(shí)熱效率較高。熱管運(yùn)行時(shí)，在蒸發(fā)段吸熱汽化后的工質(zhì)向上流動到達(dá)冷凝段，與低溫壁面接觸通過膜狀凝結(jié)形成液膜，之后在重力作用下向下流動返回蒸發(fā)段。熱管傾斜放置，液膜向下流動過程中，在重力作用下會向下表面聚集［23］。蒸發(fā)段內(nèi)壁下表面的液膜較厚且潤濕面積較大，液膜可有效帶走下表面輸入的熱量。因此，下表面加熱時(shí)的熱效率明顯高于上表面加熱時(shí)的熱效率。

由圖5還可看出，3種加熱方式下，熱管熱效率隨放置傾角的增大逐漸減小，但減小的趨勢不太明顯。對比圖5a和圖5c可知，加熱功率越高，熱效率越低。加熱功率為240 W時(shí)，均勻加熱、上表面加熱、下表面加熱時(shí)熱效率平均值分別為86.07%、74.09%、79.57%；加熱功率為320 W時(shí)，分別為77.88%、68.60%、75.08%。這是因?yàn)殡S著加熱功率的增加，加熱帶溫度升高，向周圍環(huán)境散失的熱量也會增加。

圖6為3種加熱方式下熱管總傳熱熱阻R隨放置傾角、加熱功率的變化曲線。3種加熱方式下，熱管總傳熱熱阻均隨傾角的增大而增大。均勻加熱和上表面加熱時(shí)熱管總傳熱熱阻較大，下表面加熱時(shí)較小。例如，加熱功率為240 W時(shí)，下表面加熱時(shí)總傳熱熱阻比上表面加熱時(shí)平均低15.92%。熱管運(yùn)行時(shí)，重力作用使液膜向蒸發(fā)段下表面聚集，下表面液膜覆蓋面積更大、液膜更厚，因此更易冷卻下表面、傳熱熱阻更小。

圖7為3種加熱方式下熱管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)he隨放置傾角、加熱功率的變化曲線。3種加熱方式下，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)均隨放置傾角的增大逐漸減小，加熱功率和放置傾角一定時(shí)，下表面加熱時(shí)蒸發(fā)段的傳熱系數(shù)最大。

3.2 加熱方式對壁面溫度的影響

實(shí)驗(yàn)測試中，熱管蒸發(fā)段高度方向布置了6組，每組4個(gè)溫度測點(diǎn)；冷凝段中間上、下布置1組，每組2個(gè)溫度測點(diǎn)。對每組測點(diǎn)測得的溫度取平均值，得到沿?zé)峁芨叨确较虻臏囟确植迹鐖D8所示。其中，測點(diǎn)1～6位于熱管蒸發(fā)段，測點(diǎn)7位于冷凝段。對比可知，下表面加熱時(shí)，熱管蒸發(fā)段外壁面的平均溫度最低；均勻加熱和上表面加熱時(shí)，平均溫度較高且差距較小。測點(diǎn)1、2位于蒸發(fā)段最下端，其外壁面溫度明顯高于測點(diǎn)3～6處的外壁面溫度，且測點(diǎn)3～6處的壁面溫度變化非常小。文獻(xiàn)［24-25］研究發(fā)現(xiàn)，熱管運(yùn)行時(shí)，蒸發(fā)段可分為液池區(qū)和液膜區(qū)，且液池區(qū)位于蒸發(fā)段最下端。液池區(qū)域的傳熱方式分為自然對流換熱、混合對流換熱和核態(tài)沸騰3種［24］；液膜區(qū)域的傳熱方式分為層流對流換熱、混合對流換熱和核態(tài)沸騰3種［25］。同一加熱功率下，液膜傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于液池傳熱系數(shù)［26］。由此判斷，測點(diǎn)1、2位于蒸發(fā)段液池區(qū)域，壁面溫度較高；測點(diǎn)3～6均位于液膜區(qū)域，因此壁面溫度較低且變化較小。熱管運(yùn)行時(shí)，液池高度與充液率、加熱功率、冷卻功率等因素有關(guān)。由圖8可知，通過外壁面溫度分布可大致判斷液池和液膜區(qū)域高度。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并搭建了在室內(nèi)恒溫條件下進(jìn)行測試的、具有非均勻加熱功能的熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。通過采集熱管運(yùn)行時(shí)外壁面溫度和冷卻水進(jìn)、出口溫度數(shù)據(jù)，對均勻加熱、下表面加熱和上表面加熱方式下熱管傳熱效率、總傳熱熱阻、蒸發(fā)段及冷凝段外壁面溫度分布進(jìn)行分析，并得出以下主要結(jié)論：

1）本文實(shí)驗(yàn)測試條件下，均勻加熱時(shí)熱管熱效率最高，下表面加熱時(shí)次之，上表面加熱時(shí)最??；下表面加熱時(shí)，熱管總傳熱熱阻最小、蒸發(fā)段傳熱系數(shù)最大；下表面加熱時(shí)，熱管外壁面的平均溫度最低。

2）無論采用哪種加熱方式，隨著放置傾角的增大，熱管熱效率均逐漸減小，總傳熱熱阻逐漸增大，蒸發(fā)段傳熱系數(shù)逐漸減小。無論采用哪種加熱方式，熱管蒸發(fā)段的外壁面溫度均高于冷凝段外壁面溫度；蒸發(fā)段液池區(qū)域外壁面溫度均明顯高于液膜區(qū)域；在液膜區(qū)域，沿高度方向外壁面溫度變化較小。

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STUDY ON HEAT TRANSFER PERFORMANCE OF HEAT PIPE

RECEIVER BASED ON DIFFERENT HEATING MODES

Zhang Weiwei1，Duan Linzuo1，Yuan Donghui2，Zhang Zijing1，Ba Xuyang1，Tian Rui1，3

（1. College of Energy and Power Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China；

2. Inner Mongolia Electric Power Research Institute Branch， Inner Monglia Electric Power （Group） Co.， Ltd.， Hohhot 010020， China；

3. Key Laboratory of Renewable Energy， Inner Mongolia Autonomous Region， Hohhot 010051， China）

Keywords：solar collector； non-uniform heating； heat pipes； thermal efficiency； heat transfer resistance； heat transfer coefficients