摘要：为了开发一种用于空调系统排风能量回收的热管式换热器，设计一种单面槽道板式脉动热管并对其传热性能进行实验研究，分析在空气强制对流冷却条件下冷热段比例、工质、充液率、倾角对其热性能的影响。研究结果表明：热管冷热段轴向长度比例为6:4时，导热性能最好；丙酮工质时的热管传热性能优于水工质的热管传热性能；倾角对其传热性能的影响不大；该热管采用丙酮工质、充液率为20%时具有最高的传热性能及最低的启动温度，适于空调系统排风的能量回收。
关键词：空调；能量回收；平板热管；传热性能
随着社会的快速进步发展，人们对居住环境舒适性的要求越来越高，暖通空调系统及设备成了人们生产和生活的重要组成部分。据相关文献统计，我国暖通空调系统所消耗的能源占全国能耗的比重越来越大[1−2]。面对日益紧缺的可用能源，如何减少空调系统的能耗显得很有必要。热管由于具有传热系数大、热传递速度快等特点，近年来逐渐应用于空调余热回收系统[3−5]。此系统中，热管传热性能直接影响余热回收的效率，因此，开发传热能力强的热管成为关键工作。脉动热管作为一种新的热管，具有体积小、结构简单、适应性强、热流方向可逆的特点，近年来国内外大量学者对其进行研究，包括结构优化[6−11]及传热性能实验研究[12−17]。本文根据空调系统排风能量回收系统特点及脉动热管研究热点，结合前期研究基础，设计一种新型单面槽道板式脉动热并对其进行传热特性的实验研究，致力于开发一种用于空调排风能量回收的核心换热元件。
1 单面槽道板式脉动热管结构
设计的平板脉动热管外形长×宽×高为210.00 mm×41.80 mm×2.88 mm，包括下盖板、波纹板和中间通道，其截面结构如图1所示。由于上盖板为波纹板，下盖板为平板，上下盖板形成一组平行的梯形通道，通道当量直径为1.664 mm，共11条平行通道。壳体采用不锈钢制作，管壁为0.40 mm。热管工质采用去离子蒸馏水和丙酮，分为加热段和冷却段，无绝热段。
单位：mm
图1 脉动热管的截面结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of PHP cross-section structure
2 实验装置及实验方法
针对板式脉动热管的特点，搭建传热性能实验台，如图2所示。实验装置包括加热部分、冷却部分和数据采集部分。加热部分采用电加热，将电阻丝缠绕黄铜柱作为加热块，通过调压器和功率表提供稳定可调的加热功率；热管蒸发端与加热块端面紧密接触，为减小其接触热阻，接触面涂有导热硅脂。冷却部分采用空气强迫对流散热，由改进的电脑CPU散热风扇形成。数据采集部分有计算机、多功能数字表、镍铬−镍硅热电偶等组成，在热管外壁，沿轴向等间距布置一些测温点，温度采集后传输至计算机进行处理。采用分子泵和机械泵联合抽真空，实验热管的真空度为0.2 mPa。为保证实验过程中热管的可重复灌液及密封性，灌装装置采用真空阀进行切换，灌液后采用高真空硅脂进行密封。
图2 实验装置示意图
Fig. 2 Schematic diagram of experimental system
3 结果分析与讨论
将热管结构看成是一种复合材料，采用当量导热系数来评价热管传热性能，定义热管稳态运行时当量导热系数为
式中：A为包括壁厚与蒸汽腔的整体热管截面积，cm2；为蒸发端平均温度，℃；
为冷凝端平均温度，℃；Q为热管的加热功率，W；L为热管的轴向长度，cm；K为当量导热系数，W/(cm·℃ )。
实验方案及步骤如下：在某充液率下，调节不同倾角进行不同加热功率的传热性能试验，当热电偶测量的壁温在15 min内波动小于0.5 ℃时，认为实验达到热平衡。对实验结果进行分析后得出一系列曲线，从以下几个方面对热管传热性能进行分析和对比。
3.1 不同冷热段长度比的影响
实验首先对冷热段长度比分别为5:5，6:4和7:3时进行实验。图3所示为3组冷热段长度比的实验结果对比。从图3可知：当冷热段长度比为6:4时，脉动热管的导热性能最佳；当比例为5:5时，热管导热性能最差。因为当加热功率一定时，若冷凝段长度过短，则导致冷凝段散热热阻增大，冷凝段平均温度增大，热管当量导热系数下降；若冷凝段过长，则管内气塞未到冷凝段顶端即被冷却回流，导致实际冷凝段减少，当量导热系数也会下降；只有当冷热段比例适中时热管的导热性能才能达到最佳。本次实验热管冷热段长度比为6:4时导热性能最好，故后续实验均采用此比例，加热段和冷凝段分别为4个和5个测点，测点布置见图4。
冷热段长度比：1—5:5；2—6:4；3—7:3
图3 不同冷热段长度比时的实验结果
Fig. 3 Experimental results at different ratio of cold length and hot length
图4 测点分布图
Fig. 4 Distribution of measuring points
3.2 工质的影响
2种工质下当充液率为20%和40%时的实验结果分别见图5和图6。从图5和图6可见：在充液率为20%和40%时，在同一功率下以丙酮为工质的脉动热管当量导热系数大于水工质当量导热系数；在整个实验过程中，丙酮工质的当量导热系数最大达到280.41 W/(cm·℃)，水工质的当量导热系数最大达到215.45 W/(cm·℃)。这是因为与水工质热物性相比，丙酮工质饱和温度及气化潜热小，较容易汽化，吸收较少热量就可以汽化，故采用丙酮工质的脉动热管传热效果更优。
(a) 工况一(丙酮，充液率为20%)；(b) 工况二(水，充液率为20%)
倾角/(°)：1—90；2—60；3—45；4—30；5—0
图5 充液率为20%时的当量导热系数
Fig. 5 Experimental results of thermal conductivity with 20% filling ratio
(a) 工况一(丙酮，充液率为40%)；(b) 工况二(水，充液率为40%)
倾角/(°)：1—90；2—60；3—45；4—30；5—0
图6 充液率为40%时的当量导热系数
Fig. 6 Experimental results of thermal conductivity with 40% filling ratio
3.3 充液率的影响
以丙酮和水为工质，在倾角为30°和90°时，脉动热管当量导热系数随加热功率的变化见图7。从图7可见：在相同倾角下，丙酮工质最佳充液率为20%，水工质最佳充液率为30%。故本实验件的最佳充液率为20%~30%。
(a) 工况一(丙酮，倾角为90°)；(b) 工况二(水，倾角为90°)；(c) 工况三(丙酮，倾角为30°)；(d) 工况四(水，丙酮，倾角为30°)
充液率/%：1—20；2—30；3—40；4—50
图7 不同充液率的当量导热系数
Fig. 7 Experimental results of thermal conductivity with different filling ratios
3.4 倾角的影响
以2种工质下充液率分别为30%和50%时为例，分析倾角对脉动热管传热性能的影响，结果见图8。从图8可知：该热管传热特性与倾角之间的对应关系并不特别明确，在0°~90°范围内都能运行；但丙酮工质、倾角为0°时运行时，加热功率过大传热性能有所下降。总体来说，倾角对热管传热性的影响不大。
(a) 工况一(丙酮，充液率为30%)；(b) 工况二(水，充液率为30%)；(c) 工况三(丙酮，充液率为50%)；(d) 工况四(水，充液率为50%)
倾角/(°)：1—0；2—30；3—45；4—60；5—90
图8 不同倾角时的当量导热系数
Fig. 8 Experimental results of thermal conductivity at different oblique angles
3.5 热负荷对热管轴向温度分布的影响
图9所示为丙酮工质和水工质在不同加热功率下，稳定运行时热管轴向温度分布，其中横坐标原点取值为冷却段端部，指向蒸发端。从图9可以看出：不管工质是丙酮还是水，热管在各加热功率条件下等温性都比较好，两端最大温差均不超过10 ℃；随着功率增大，温差绝对值有一定程度增加，但热管当量导热系数逐渐增大并达到最大值；当加热功率很低时，虽然因管壁自身的导热使得冷热端温差很小，但此时冷热端温差相对加热功率仍然显得更大，故热管的导热性能仍然很差；当功率足够大时，传热过程从加热初期的以自身导热为主变成了由工质的两相对流传热为主，冷热端温差虽然变大，但相对加热功率变小，所以，热管导热性能也增大；当量导热系数存在最大值，说明热管存在传热极限。
(a) 工况一(丙酮，充液率为20%，倾角为60°)；(b) 工况二(水，充液率为30%，倾角为60°)
加热功率/W：1—15；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60；7—70；8—75
图9 热管轴向温度分布
Fig. 9 Axial temperature distribution of heat pipe
3.6 热管最低启动温度
图10 所示为热管在实验过程中启动温度曲线。从图10可知：当热管采用丙酮工质、充液率为20%、加热功率为15 W时热管的最低启动温度分别为21 ℃和15 ℃。鉴于国发[2006]28号文规定，空调系统室内温度夏季不得低于26 ℃，冬季不得高于20 ℃，可知该热管恰好适于其能量回收。
(a) 工况一(丙酮，充液率为20%，加热功率为15 W)；(b) 工况二(丙酮，充液率为30%，加热功率为15 W)
1—蒸发端平均温度；2—冷凝端平均温度
图10 热管最低启动温度
Fig. 10 Minimum start-up temperature of heat pipe
4 结论
1) 当热管冷热段轴向长度比为6:4时，平板脉动热管有最好的传热性能。
2) 平板脉动热管采用丙酮工质时的传热性能整体优于以水工质时的传热性能。
3) 平板脉动热管采用丙酮工质时，最佳充液率为20%；采用水工质时，最佳充液率为30%。
4) 倾角对此平板脉动热管的传热性能影响不大，在0°~90°范围内热管都能稳定运行。
5) 采用丙酮为工质，当充液率为20%时，热管启动温度为15~21 ℃，适于空调系统排风的能量回收。
