無(wú)吸液芯徑向熱管的溫度特性

焦永剛，　王樂(lè)民，　王　磊

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊　050043)

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無(wú)吸液芯徑向熱管的溫度特性

焦永剛，王樂(lè)民，王磊

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊050043)

摘要：圍繞徑向熱管的等溫性能，對(duì)無(wú)吸液芯徑向熱管的外管壁面和內(nèi)管壁面的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同充液率和不同控制溫度下，無(wú)吸液芯徑向熱管管壁的溫度分布以及徑向熱管的換熱機(jī)理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，徑向熱管軸向不僅具有良好的等溫性能而且具有良好的溫度穩(wěn)定性；由于熱管本身比較大的等效熱容，使得徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)具有明顯的衰減作用。

關(guān)鍵詞：等溫；徑向熱管；穩(wěn)定性；充液率

0引言

溫度均勻性是熱管的重要特點(diǎn)之一，而等溫環(huán)境在工程應(yīng)用中具有重要意義，比如，各類溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器具及工作計(jì)量器具的檢定/校準(zhǔn)都要提供檢定/校準(zhǔn)的溫度場(chǎng)，不同種類，不同等級(jí)的計(jì)量器具對(duì)溫場(chǎng)的均勻度要求亦不相同。再比如半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)中，等溫環(huán)境對(duì)材料生長(zhǎng)的品質(zhì)具有決定性的影響。在化工生產(chǎn)領(lǐng)域，為了防止露點(diǎn)腐蝕需要很好地控制換熱器的壁溫。形成等溫環(huán)境的途徑有很多，充分利用熱管的等溫特點(diǎn)與其他領(lǐng)域相結(jié)合越來(lái)越引起眾多學(xué)者的注意。

圖1　套管式徑向熱管示意圖(Faghri)

最早提出徑向熱管(套管式熱管)結(jié)構(gòu)的是Faghri[1-2]。Faghri雖然提出了套管式徑向熱管的結(jié)構(gòu)，但對(duì)熱管的研究仍然是軸向的導(dǎo)熱性能，即沿徑向熱管整個(gè)長(zhǎng)度方向上分成了冷凝段和蒸發(fā)段，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)用熱管是由兩根同心不同徑的管道構(gòu)成，在兩個(gè)管道之間形成環(huán)行換熱區(qū)域，吸液芯布置在外管的內(nèi)部和內(nèi)管的外部。與傳統(tǒng)熱管相比，這樣的構(gòu)造能明顯的增強(qiáng)單位長(zhǎng)度的熱容量，因?yàn)閺臋M截面來(lái)看，蒸發(fā)段和冷凝段的吸液面積均增大了。

按常規(guī)熱管的分析方法，F(xiàn)aghri對(duì)套管式熱管的分析分為蒸汽工質(zhì)的流動(dòng)換熱、吸液芯內(nèi)液體工質(zhì)的流動(dòng)以及汽液界面的蒸發(fā)冷凝3部分，并且指出不同的熱管結(jié)構(gòu)液芯內(nèi)液體工質(zhì)的流動(dòng)以及汽液界面的蒸發(fā)冷凝這兩部分的分析方法基本類似，文獻(xiàn)主要針對(duì)環(huán)形通道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)建立了可壓縮流與不可壓縮流模型，分析了環(huán)形通道內(nèi)蒸汽的流動(dòng)特性，以及熱管的工作極限。

國(guó)內(nèi)對(duì)于徑向熱管的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究，虞斌等[3]對(duì)徑向熱管啟動(dòng)性能的研究表明，在不同的冷源流體雷諾數(shù)和加熱熱流密度條件下，徑向熱管都能正常平穩(wěn)啟動(dòng)，且重復(fù)性能好。胡愛(ài)鳳等[4]對(duì)徑向熱管進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，徑向熱管換熱系數(shù)隨熱流密度的增大而增大，但增加的幅度逐漸減小。涂福炳等[5-7]也對(duì)徑向熱管的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

從以上分析可以看出，國(guó)外關(guān)于徑向熱管的研究文獻(xiàn)很少，且都以Faghri提出的熱管結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主要分析了熱管的軸向流動(dòng)及傳熱情況。國(guó)內(nèi)對(duì)徑向熱管的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)研究，并且主要圍繞徑向熱管的換熱性能，對(duì)徑向熱管的等溫性能關(guān)注很少，且沒(méi)有文獻(xiàn)對(duì)徑向熱管內(nèi)壁面的溫度分布進(jìn)行研究。本文主要針對(duì)徑向熱管的等溫性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，特別測(cè)量了徑向熱管內(nèi)管壁面的溫度特性。

1徑向熱管結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

無(wú)吸液芯徑向熱管的結(jié)構(gòu)如圖2所示。徑向熱管由內(nèi)管、外管、端蓋以及工質(zhì)組成，熱管水平放置。

常溫?zé)峁苤械墓べ|(zhì)為水，管壁材料為碳鋼，為了增加管內(nèi)工質(zhì)充灌量，內(nèi)管采用偏心設(shè)置。外管壁為蒸發(fā)端，管壁四周加熱，管內(nèi)工質(zhì)受熱蒸發(fā)，蒸汽在內(nèi)管壁遇冷凝結(jié)釋放出熱量。

徑向熱管性能測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，徑向熱管外部纏繞電加熱絲，外部電源提供輸入功率。加熱絲外面包裹保溫材料。熱管外壁面溫度通過(guò)布置的貼片式熱電阻溫度計(jì)測(cè)量，由于圓周的對(duì)稱性，5個(gè)測(cè)點(diǎn)等距離布置在外管壁的半個(gè)周向，分別是A、B、C、D和E點(diǎn)。外管壁面軸向選取了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別是E、F和G點(diǎn)，3個(gè)點(diǎn)間隔7 cm。溫度測(cè)量設(shè)備是鉑電阻溫度計(jì)和高精度測(cè)溫電橋。內(nèi)壁面溫度由手持式熱電阻溫度計(jì)測(cè)量。熱電阻溫度計(jì)的測(cè)量精度是±0.05 K，測(cè)溫電橋的測(cè)量精度為±0.005 K。

圖2　徑向熱管示意圖

圖3　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

在熱管性能研究中一般采用控制功率的加熱方式，本文中為了研究熱管的等溫性能，采用控制溫度的加熱方式，熱源溫度分別控制在343 K、353 K、363 K和373 K，熱源溫度的控制精度為±0.5 K。

等溫特性是徑向熱管的主要特點(diǎn)，在測(cè)量?jī)?nèi)管等溫性能時(shí)，等距離選取了4個(gè)測(cè)點(diǎn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置分別位于距離中心0、5、10、15 cm處，由于使用手持式鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量管內(nèi)溫度，內(nèi)管的管口處無(wú)法做到很好的保溫，出口處的溫度受外界環(huán)境溫度的影響很大，出口處的溫度沒(méi)有測(cè)量。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1徑向熱管內(nèi)管的等溫性能

圖4反映了不同充液率時(shí)內(nèi)管的溫度分布。從圖4(a)可以看出，當(dāng)控溫溫度為343 K時(shí)，15%和30%充液率的溫度均勻性低于充液率為45%和60%。從圖4(b)、(c)和(d)看，除了充液率15%，其他充液率時(shí)內(nèi)管的溫度均勻性都很好。綜合各圖，不同控溫溫度下，充液率15%時(shí)，內(nèi)管的等溫性能最差，這主要是由于充液率少，熱管工作時(shí)，在內(nèi)管壁面無(wú)法形成連續(xù)均勻的液膜，使得不同點(diǎn)的溫度差異較大。充液率45%和60%時(shí)，內(nèi)管等溫性能都很好。

圖4　不同控溫溫度時(shí)內(nèi)管溫度分布

由以上分析可以看出，在內(nèi)管壁面形成穩(wěn)定連續(xù)的液膜有助于保持內(nèi)管的溫度均勻性。形成連續(xù)的液膜需要從兩個(gè)方面考慮，一是增加充液率，二是提高控溫溫度或者是增加輸入功率。

與軸向熱管傳熱相比，徑向偏心熱管具有較好的軸向等溫性能。在軸向熱管中， 當(dāng)工質(zhì)沿軸向流動(dòng)時(shí)，熱量沿軸向從蒸發(fā)段向冷凝段傳遞，受管橫截面的限制以及管內(nèi)蒸汽流速等的影響，存在明顯的溫降；而徑向偏心熱管是徑向傳熱，沿管長(zhǎng)方向基本處于同一飽和蒸汽溫度范圍，所以在熱管軸向上具有很好的等溫性，而沿管周向會(huì)出現(xiàn)不等溫性。

圖5考察了內(nèi)管軸向以內(nèi)管中心點(diǎn)為中心的不同長(zhǎng)度內(nèi)的最大溫差，由4幅圖比較可以看出，在不同的充液率下，控溫溫度對(duì)最大溫差的影響不明顯。在圖5(b)中，控溫溫度為343 K時(shí)的曲線明顯不同與其他曲線，在內(nèi)管長(zhǎng)度20 cm和30 cm的范圍內(nèi)的最大溫差要明顯大于其他控溫溫度，這是因?yàn)榇藭r(shí)由于控溫溫度較低，在內(nèi)管壁面沒(méi)有形成連續(xù)的液膜。由圖5(a)可以看出，當(dāng)充液率為15%時(shí)，隨著長(zhǎng)度的增加，最大溫差也增大，在內(nèi)管長(zhǎng)度30 cm的范圍內(nèi)，最大溫差可達(dá)4 K左右。

圖5　不同充液率時(shí)內(nèi)管最大溫差

在充液率45%和60%時(shí)，不同長(zhǎng)度內(nèi)均具有很好的等溫性，在充液率45%時(shí)，長(zhǎng)度10 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.44 K，長(zhǎng)度20 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.49 K，長(zhǎng)度30 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.68 K，最大溫差均未超過(guò)1 K。在充液率60%時(shí)，長(zhǎng)度10 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.31 K，長(zhǎng)度20 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.32 K，長(zhǎng)度30 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.54 K。

為了全面反映徑向熱管的等溫性能，還對(duì)中心點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試，一小時(shí)內(nèi)中心點(diǎn)的溫度穩(wěn)定性如圖6所示。由圖6可以看出不同充液率時(shí)，溫度穩(wěn)定性雖然沒(méi)有明顯的規(guī)律，但溫度波動(dòng)的最大值不超過(guò)0.18 K，說(shuō)明徑向熱管不但具有很好的等溫性能而且穩(wěn)定性也很好。

熱管內(nèi)壁面溫度的波動(dòng)主要來(lái)自熱源的溫度波動(dòng)，由于熱源是電爐絲加熱，熱源溫度不可能控制在一個(gè)恒定溫度，根據(jù)測(cè)量?jī)x表顯示，熱源溫度的波動(dòng)為±0.5 K，由于熱管管壁、吸液芯以及工質(zhì)熱容的影響，還有工質(zhì)蒸發(fā)冷凝傳熱過(guò)程的影響，所以徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)有較大的衰減作用。

2.2徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)的衰減作用

在前面的分析中可以看到，徑向熱管內(nèi)管溫度波動(dòng)的最大值不超過(guò)0.18 K；而同時(shí)外管壁熱源的波動(dòng)為±0.5 K，說(shuō)明徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)具有明顯的衰減作用。為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)的衰減作用，又進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)，將熱源的溫度波動(dòng)分別控制在1 K和2 K的范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)熱管內(nèi)管壁的溫度波動(dòng)。

圖7是熱源溫度波動(dòng)1 K時(shí)，內(nèi)管壁溫的波動(dòng)值。由圖7可以看出，當(dāng)熱源溫度進(jìn)行周期性波動(dòng)時(shí)，內(nèi)管管壁溫度也是周期性波動(dòng)，但是從時(shí)間上看，內(nèi)管管壁溫度的波動(dòng)要滯后于熱源溫度的波動(dòng)，這主要是由于熱量傳遞的滯后造成的。從波動(dòng)幅度上看，熱源的溫度最大波動(dòng)值為0.8 K，這主要是由于控制系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確控制到1 K，以實(shí)際測(cè)量值為準(zhǔn)。內(nèi)管壁面的溫度最大值為343.25 K，波動(dòng)的最小值為343.12 K，波動(dòng)差值為0.13 K。內(nèi)管管壁溫度波動(dòng)幅度為熱源波動(dòng)幅度的16.25%。

圖6　熱管內(nèi)管溫度穩(wěn)定性

圖7　熱源溫度波動(dòng)1 K時(shí)內(nèi)管壁的溫度波動(dòng)

圖8是熱源溫度波動(dòng)2 K時(shí)，內(nèi)管壁溫的波動(dòng)值。圖8中曲線的波動(dòng)規(guī)律與圖7相似。從波動(dòng)幅度上來(lái)看，熱源的溫度最大波動(dòng)值為2 K。內(nèi)管壁面的溫度最大值為343.87 K，波動(dòng)的最小值為343.01 K，波動(dòng)差值為0.86 K。內(nèi)管管壁溫度波動(dòng)幅度為熱源波動(dòng)幅度的43%。徑向熱管對(duì)溫度波動(dòng)的衰減作用主要是由于熱管本身的熱容引起的，熱管的熱容大衰減作用明顯。

2.3徑向熱管外管壁面的溫度特性

圖9是控溫溫度353 K時(shí)熱管外壁面周向的溫度分布。由圖9可以看出，在充液率為15%時(shí)，外壁面不同點(diǎn)之間的溫度差較大，其他充液率時(shí)差異不大。這反映了充液率較小時(shí)，熱管內(nèi)液體工質(zhì)所占體積和氣體工質(zhì)所占體積之差較大，受外管壁本身導(dǎo)熱和管內(nèi)蒸汽溫度的雙重影響都較大。另外，外壁面的溫度分布是不均勻的，上部的溫度要高于下部的溫度，這是因?yàn)闊峁艿耐獗诿嫠闹苁軣?，輸入的熱量不僅用來(lái)加熱熱管內(nèi)的液體工質(zhì)，也加熱熱管內(nèi)的氣體工質(zhì)，氣體工質(zhì)在上升過(guò)程中被加熱，形成了熱管內(nèi)部空間上部溫度高下部溫度低的溫度分布。

圖8　熱源溫度波動(dòng)2 K時(shí)內(nèi)管壁的溫度波動(dòng)

圖9　353 K時(shí)外壁面溫度分布

圖10　外管壁周向最大溫差

不同控溫溫度時(shí)，熱管外壁面的周向最大溫差如圖10所示。由圖10可以看出，隨著控溫溫度的增加，熱管外壁面周向溫差也越大，這主要是因?yàn)?，控溫溫度增加，熱管的工作溫度也增加，熱量傳遞更劇烈。另外，由圖還可以看出，充液率15%時(shí)，熱管外壁面的周向溫差最大，這主要是因?yàn)榈统湟郝蕰r(shí)，管內(nèi)液體工質(zhì)少，外壁面主要靠導(dǎo)熱進(jìn)行熱量的傳遞，管內(nèi)由于充灌量少，工作狀態(tài)不穩(wěn)定。而充液率在30%、45%和60%的時(shí)候，熱管外壁面周向的溫差變化不大。當(dāng)充液率為60%、控溫溫度為373 K時(shí)，周向最大溫差也未超過(guò)6 K。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)徑向熱管內(nèi)外壁面溫度的測(cè)量，得到如下結(jié)果，充液率對(duì)熱管的等溫性能有影響，充液率45%和60%比充液率15%和30%時(shí)等溫性能要好；當(dāng)充液率60%時(shí)、長(zhǎng)度10 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.31 K，長(zhǎng)度20 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.32 K，長(zhǎng)度30 cm范圍內(nèi)的最大溫差是0.54 K。徑向熱管內(nèi)管不僅具有很好的等溫性能而且還具有很好的穩(wěn)定性，當(dāng)熱源溫度波動(dòng)為±0.5 K時(shí)，中心點(diǎn)溫度波動(dòng)的最大值不超過(guò)0.18 K，說(shuō)明熱管由于較大的等效熱容，對(duì)于溫度波動(dòng)具有明顯的衰減作用。

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The Isothermal Characteristics of the Radial Heat Pipe without Wick

Jiao Yonggang,Wang Lemin,Wang Lei

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Abstract:Radialheat pipe has more advantages than axial heat pipe in terms of isothermal. This paper presents an experimental investigation of the radial heat pipe behaviors in isothermal characteristics. In this paper, the heat transfer mechanism of radial heat pipe is analyzed under different controlled temperature and different fill ratios. The results show that radial heat pipe not only has good isothermal performance, but also has good temperature stability. Moreover，the radial heat pipe has a damping effect on the temperature fluctuations because of its equivalent heat capacity.

Key words:isothermal； radial heat pipe； stability； filling rate

中圖分類號(hào)：TK172.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-0373(2016)01-0069-06

作者簡(jiǎn)介：焦永剛(1976-),男,博士,副教授，主要從事高效換熱技術(shù)的研究。E-mail:jyg76@sohu.com

收稿日期：2015-03-03責(zé)任編輯:劉憲福

DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.01.13

焦永剛，王樂(lè)民，王磊.無(wú)吸液芯徑向熱管的溫度特性[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2016,29(1):69-74.