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平面两相闭式热虹吸管（FTPCT）与传统两相闭式热虹吸管（CTPCT）的传热特性比较
P. Amatachaya, W. Srimuang
摘要：本文研究了不同热输入速率下，横截面形状、充液率和长宽比对热虹吸管热性能的影响。使用了两种热虹吸管的横截面形状（圆形和扁平）,每一种横截面的热虹吸管都充满了蒸馏水，且具有不同充液率、长宽比和热输入速率。结果表明，与CTPCT相比，FTPCT的蒸发段平均壁温更高。在相同的充液率和蒸发段长度下，最大热输入对热通量有显著影响。热通量随长宽比和热输入的增加而增加，在最大长宽比处略有下降。
关键词：热通量，横截面形状，传热性能，平面热虹吸管
1 引言
传统的热虹吸管（CT）或两相闭式热虹吸管（TPCT）是一种无吸液芯的热管。它是一种高效传热设备，用于空气调节，减少湿气，或用于任何需要温度均匀分布的地方。热虹吸管由蒸发段、绝热段和冷凝段三部分组成。热虹吸管的蒸发段始终位于底部，冷凝水在重力作用下返回蒸发段。热虹吸管的工作过程从充满工质的蒸发段开始。工质是一种饱和液体，由热源如热水浴或电热元件加热。然后饱和液体变成蒸汽并向上移动到冷凝部分。之后冷凝部分的蒸汽将热量传递到散热器，如冷却水。最后蒸汽冷凝成液体并向下流入蒸发部分。TPCT的工作原理示意图如图1(a)所示。
图1 (a) 两相闭式热虹吸管 (b) 实验装置原理图
由于热虹吸式换热器不需要任何外部能量，因此与普通换热器相比，热虹吸式换热器具有显著的优势。此外，热虹吸式换热器是一个封闭的传热元件，依靠内部工质相变传递热量，因此其传热效率高，维修成本低。选择合适的工质，即使热源和散热器之间的温差很小，热虹吸式换热器也能工作。然而，TPCT有一些条件限制，如携带传热极限、蒸汽压力极限和沸腾极限。这种限制极大地
影响热虹吸管的传热性能。
为了提高热虹吸管的性能，有许多研究试图研究热虹吸管的传热特性。Li等人[1]通过实验研究了热管换热器与R11、R22和水在低温差下的传热特性。Park等人[2]通过实验研究了充液率对TPCT传热特性的影响。然后，Ong和Alalhi[3]进行实验，研究了充液率、蒸发段-冷凝段温差和蒸发段比率对TPCT冷凝段长度的影响。Noie[4]对两相闭式热虹吸管的热输入功率、充液和长宽比的影响进行了实验研究。Farsi等人[5]进行了实验和理论研究，研究了蒸发段加热速率、冷却水入口温度和TPCT充液率的影响。Jiao等人[6]研究了充液率对垂直两相闭式热虹吸管稳态传热性能的影响。Ong和Alalhi[7]对垂直两相闭式热虹吸管的性能进行了实验研究。Zhang等人[8]观察和研究了TPCT中影响TPCT热性能的沸腾和冷凝现象。Payakaruk等人[9]研究并建立了预测TPCT传热特性的关联式。从文献中可以看出，热虹吸管的几何结构对其传热特性有着重要的影响。
以往的研究发现，热管横截面积的改变导致热管热性能的提高。例如，Moon等人[10]通过修改热管的横截面积来研究笔记本电脑冷却用微型热管的性能。与普通的热管相比，热管被压缩后的横截面积减少了30%，笔记本电脑的热量也减少了10%。Moon等人[11]在实验上研究了一种具有多边形横截面的微型热管，用于在个人计算机中冷却CPU。实验中使用的热管截面为三角形和矩形，并有弯曲的边。结果表明，三角形截面热管的热阻高于矩形截面热管。Hussein等人[12]进行了一项实验，研究无芯热管的横截面几何形状和充液率对平板太阳能集热器性能的影响。研究使用了三种不同的几何截面：圆形、椭圆形和半圆形。结果表明，改变无芯热管的圆形截面为椭圆形截面，可显著改善太阳能集热器的性能。最近，Srimuang和rittitech[13]报道了FTPCT比CTPCT具有更高的性能。这可能是由于CTPCT的横截面积减小，导致内部体积减小所致。结果表明，在相同的充液率下，FTPCT所需工质少，传热快。因此，FTPCT的效率高于CTPCT。结果表明，热虹吸管横截面积的改变对热管的传热特性有显著影响。然而，关于蒸发段外表面温度分布对FTPCT传热特性的影响，特别是传热系数的影响，目前的资料很少。传热系数是蒸发段自然对流的重要参数，可以用来表征热虹吸管的性能。从目前的文献来看，分析FTPCT和CTPCT外表面壁面温度分布的资料很少。因此，本研究旨在探讨热输入、工质充液率、长宽比和蒸发段传热系数对FTPCT的影响，并与CTPCT进行比较。研究结果可为FTPCT换热器的设计提供参考。
2理论分析
在本文研究中，假设CTPCT和FTPCT完全绝缘，因此没有热量损失，转移到蒸发段的热量等于从冷凝段转移的热量。从下式计算转移到蒸发段的热通量:
（1）
从冷凝段传来的热通量由下式得到:
（2）
计算CTPCT和FTPCT的传热系数；
（3）
式中，和分别是蒸发段和绝热段的平均壁温。
3 实验装置和过程
为研究CTPCT和FTPCT的性能而设计和建造的实验装置如图1b所示。实验装置由CTPCT或FTPCT、带电压控制器的电热元件、水箱、真空装置和测量系统组成。CTPCT是一个3.5毫米厚的铜管，内径32毫米，长980毫米。FTPCT也是一个铜管，其尺寸与CPTCT相同，但被压入模具中以将其形状改为扁平管，如图2a-c所示。CTPCT和FTPCT由三部分组成：冷凝段、绝热段和蒸发段。冷凝段长380 mm，由直径520 mm的同心铜管制成，用作冷却水套。蒸发段和绝热段的总长度为60cm。一个1000瓦的电加热元件被包裹在蒸发段，用来向该部分供热。提供给蒸发段的电源可以通过改变提供给电加热元件的电压来改变，并且可以使用精度为plusmn;1%的瓦特计进行监控。蒸发段、冷凝段和绝热段用绝缘材料（5 mm厚的玻璃棉）包裹，以防止这些部分的热量损失。
图2 平面两相闭式热虹吸管（FTPCT）（a）横截面（b）前视图（c）侧视图（d）测量装置和热电偶的位置
使用浮动转子流量计（OMEGA FL-1050，精度为plusmn;3%）测定从水箱到冷凝段水套的冷却水流速。如图2d所示，水套中冷却水的进出口温度和热虹吸管外表面的温度由精度为plusmn;1°C的K型热电偶测量，并由数据记录器（YOKOGAWA DX200，精度为plusmn;0.1%）记录。
热虹吸管顶部装有四个定向接头。该接头由4个阀门组成，这些阀门与工质填充装置、压力计、热虹吸管和真空装置相连。热虹吸管中的不凝气体（NCG）首先通过四个阀门中的一个用真空泵排出。然后，使用吸管将所需的工作液通过加注装置加注到热虹吸管中，该吸管能够加注工作液1–15 cm3。
在热虹吸管中充入工质并以200 cm3/min的恒定流速向水套供应冷却水后，开始试验程序。打开电加热器并留出时间使工作温度达到稳定状态。然后记录9个点的温度，包括蒸发段壁面4个点，水套壁面2个点，壁面绝热段1个点，水套进出口2个点，如图2d所示。
4 结果和讨论
4.1 沿外墙表面的温度分布
图3显示了CTPCT和FTPCT沿壁面的温度分布。试验在不同的热输入、工质充液率和377mm恒定蒸发段长度下进行。实验结果表明，CTPCT的温度分布基本均匀，并向绝热段略有下降。冷凝段底部（冷却水入口）的温度达到最小值，然后冷凝段顶部（冷却水出口）的温度升高。结果与先前的研究结果相似[4]。但是，随着温度的升高，在T3点达到最大值，FTPCT的试验结果高于CTPCT。然后，温度向绝热段下降，在冷凝段的底端达到其最小值，在冷凝段的顶端再次上升，这与CTPCT相似。T3点的温度升高可能是由Reay和Kew所解释的干涸效应引起的[14]。因此，温度在T2开始升高，在T3达到最高温度。然后温度持续下降，直至达到最低温度T5，因为内壁表面完全浸入冷凝水中，并通过冷却水（T6）冷却。由于工质蒸汽向冷却水传递热量，温度从T6升高到T7。此外，在60%的恒定充液率下，沿着管壁的最高温度随着蒸发段长度的增加而增加，如图4、图5所示。蒸发段长度为238、314和377 mm时的最高温度分别为131.4、160.4和166.5°C。
图3 =12kw/m2时，沿外墙表面的温度分布
图4 充液率为60%时，沿外墙表面的温度分布，=377 mm
图5 充液为60%时，沿外墙表面的温度分布，=314 mm
4.2 热输入对传热特性的影响
热输入对CTPCT和FTPCT传热特性的影响可用CTPCT和FTPCT冷凝段传热量与蒸发段平均温度的关系来表示。在本研究中，分别在不同的热输入量、工质充液率和蒸发段长度下进行实验，以探讨其传热特性。图6示出了CTPCT和FTPCT冷凝段的平均温度与热通量之间的关系。实验结果表明，热输入对CTPCT和FTPCT的热流密度均有显著影响。在试验过程中发现，在所有情况下，FTPCT的热通量都高于CTPCT。在所有情况下，FTPCT的蒸发段壁面平均温度均高于CTPCT。这可能是由上述干燥效应引起的。
图6 =377 mm时蒸发段的平均温度和热通量
4.3 充液率对传热特性的影响
图7显示了充液率对CTPCT和FTPCT的热性能的影响。实验结果表明，对于377和314mm的蒸发段长度，充液率对CTPCT和FTPCT的热性能影响最小，如图7和图8所示。在充液率为60%时，当蒸发段长度为238mm时，FTPCT的热性能略高于CTPCT。
图7 充液率对=377mm
（6kw/m2 lt; lt;18kw/m2）热通量的影响
图8 充液率对=238mm
（6kw/m2lt;lt;18kw/m2）热通量的影响
4.4 传热系数比较
用式（3）计算了CTPCT和FTPCT蒸发段的传热系数，并用平均壁温、蒸汽温度和热流密度的结果进行了计算。CTPCT和FTPCT的传热系数均根据蒸发段的平均温度绘制，如图9所示。结果表明，随着充液率的降低，CTPCT在不同蒸发段长度下的传热系数均增大。而对于314mm长的蒸发段，其结果与其他蒸发段略有不同，当平均壁温高于95℃时，充液率为30%和60%的传热系数降低。
图9 =314mm时传热系数与平均温度的关系
充液率为60%和90%时，FTPCT的传热系数基本相同，且高于充液率为30%时的传热系数。实验结果表明，在各种充液率情况下，CTPCT的传热系数均显著高于FTPCT。这可能是由于干燥效应导致的较高平均壁温（FTPCT）。计算得到的FTPCT传热系数低于CTPCT。
4.5 宽高比对热流密度的影响
以往的研究[4]指出，长宽比是CTPCT和FTPCT的几何特性，对热管的热性能有一定的影响。通过试验研究了长宽比对CTPCT和FTPCT热流密度的影响。长宽比定义为CTPCT的蒸发段长度与直径之比以及FTPCT的蒸发段长度与液压直径之比。长宽比随蒸发段长度的变化而变化，直径保持不变。在本研究中，CTPCT的长宽比分别为9.52、12.56和15.08，FTPCT的长宽比分别为19.77、26.09和36.32。图10示出了纵横比对CTPCT和FTPCT的热通量的影响。实验结果表明，CTPCT和FTPCT的热流密度随长宽比的增大而增大，在长宽比分别为12.56和26.09时达到最大值。在最大展弦比为15.08和36.32时，CTPCT和FTPCT的热通量略有下降。本研究的结果不同于先前的研究[15]，后者报告热通量随着长宽比的增加而减小。
图10 工质充液率为30%时的长宽比和热流密度
5 结论
从热输入、充液率和长宽比对CTPCT和FTPCT热性能的影响结果可以得出如下结论：
1. CTPCT蒸发段壁面温度变化基本均匀，沿冷凝段略有下降。由于干涸效应，FTPCT蒸发段壁面温度升高，然后向冷凝段下降。
2. 蒸发段的热输入对CTPCT和FTPCT的热通量均有显著影响。FTPCT的壁面温度高于CTPCT。
3. 充液率对CTPCT和FTPCT的热性能影响不大。在充液率为60%时，当蒸发段长度为238mm时，FTPCT的热性能高于CTPCT。
4. 随着充液率的降低，CTPCT
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