引言平板铝热管作为一种新型高效传热元件，有良好的传热特性，被广泛运用于LED散热领域[1-2]、光伏光热领域[3]、太阳能空气集热蓄热[4]、地板辐射采暖[5]等各个方面。提高热管的传热性能成为当下的研究热点，通过研究影响热管传热性能的各种因素，研究结果对平板热管的传热性能均有提升。Huang[6]等认为，丙酮作为工质的热管在启动时间、温度均匀性、热阻等方面性能更优越，并探究倾角以及工质在蒸发段和绝热段体积分数对热管性能的影响。Wang[7]等发现，充液率对热管性能影响显著，倾角从0°增至20°时，热管性能显著提高；继续增加倾角热管性能无明显改变，甲醇作为工质时热管性能最好。赵耀华[8]等在以甲醇、乙醇、丙酮、R141b为工质时，平板微热管阵列的散热效果均良好，内部有微槽群结构的热管换热性能和最大热负荷均有很大提升。以甲醇为工质的不同充液率结果表明，平板微热管阵列的热通量随充液率的不同而发生变化，最佳充液率为30%。本研究以20％充液率丙酮工质填充的矩形平板铝热管为研究对象，在输入功率逐渐增大和较小工作倾角环境下的传输距离变化情况，以期为平板铝热管太阳能产品的研制提供试验数据和理论支撑。1最大热传输距离实验测试1.1平板铝热管管板试验材料本研究选取的平板铝热管管板内被分割为多个并联的独立微通道，每个微通道都可正常独立运行。微通道内抽真空并填充入工质后密封，每个微通道的上下管壁内表面均为凹槽形表面，以增大管壁内表面与管内工质的接触面积，增强传热[9]。铝热管采用3003铝合金加工，外形尺寸为1 000 mm×40 mm×3 mm，填充工质为25％充液率的丙酮。构造参数如表1所示，平板铝热管实物图如图1所示，平板铝热管剖面结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.T001表1平板微热管构造参数构造参数填充工质丙酮充液率/%20微通道形状矩型上下壁厚度/mm0.4相邻侧壁厚度/mm0.4微小通道个数1510.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F001图1平板微热管实物10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F002图2平面微热管剖面结构（mm）1.2平板铝热管管板试验系统本试验系统主要由加热系统、冷却系统、数据采集系统等组成，如图3所示。加热系统包括直流稳压电源和铜板，直流稳压电源的最高工作电流为5 A，最高工作电压为120 V。通过改变输出的电流值和电压值，进而改变加热铜板的输入功率。为了减少平板铝热管蒸发段与铜板之间的接触热阻，在接触面之间涂一层导热硅脂。试验过程中为了减少热量损失，保证所有热量可以通过热管传输，在试验热管的蒸发段包裹保温棉作为绝热材料。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F003图3平板微热管试验装置依据低温地板辐射采暖的自然对流换热，本试验采用自然冷却方式。热量经加热铜板传导至铝热管蒸发段，经工质受热相变传热及铝壳热传导的共同作用至冷凝段，冷凝段以自然对流的形式换热。使用欧姆龙ZR-RX45型巡检仪，数据读取时间步长为30 s。将T型热电偶用高温胶带粘贴在平板微热管蒸发表面、冷凝表面，测量壁面各段、各点的温度。热电偶接入巡检仪，巡检仪实时同步显示数据并记录保存。1.3试验步骤设定蒸发段长度为50 mm，热管剩余长度均为冷凝段，无绝热段。室内环境温度由空调调节至20 ℃。试验步骤：（1）布置铜板及热电偶，热电偶需高温耐热胶带及铝箔纸粘贴到热管表面，测点温度布置如图4所示。（2）连通巡检仪和计算机，通过巡检仪设置试验时间间隔，保存数据格式及位置等，准备启动试验。（3）打开直流稳压电源，调节电流和电压，获取试验所需输入功率，待热管处于稳定运行状态时，即5 min内热管壁面温度的测量值的变化小于±0.2 ℃时，记录功率及存储数据采集仪测量的结果。（4）逐渐增加功率或倾角，观察巡检仪数值变化，当热管轴向表面温差增大，平板铝热管不能稳定运行，即停止试验，保存试验数据，判断传输距离。使平板铝热管自然冷却至室温，试验结束。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F004图4平板铝热管表面测温点布置（mm）2讨论与分析2.1评价参数在平板铝热管传输距离试验中，以热管轴向表面各测点的温度与温差评价传输距离，传输距离是由相变换热和热传导共同作用下的体现。平板铝热管传热遵循热力学第一定律，可实现能量守恒。当铝热管工质相变传热量、铝热管管壳热传导热量之和等于铝热管管壳表面对流换热的散热量时，平板铝热管热传输距离最大。2.2输入功率对热传输距离的影响分析平板铝热管蒸发段初始输入功率为4 W，以2 W为步长递增。当蒸发段平均温度与冷凝段测点1的温差接近15 ℃时停止热量输入，工作倾角设定为5°。在持续供热的方式下轴向测点温度分布如图5所示。平板铝热管蒸发段输入的热量经过热管内部丙酮工质相变传热和铝管热传导共同作用下传递至冷凝段。随着蒸发段输入功率增大，蒸发段平均温度与冷凝段测点1的温差逐渐增大，分别为4.35 ℃、6.45 ℃、6.60 ℃、10.00 ℃、15.40 ℃、14.15 ℃。当输入功率为4 W时，冷凝段650 mm处的温度为室内环境温度20.0 ℃；800 mm、950 mm处测点温度分别为19.8 ℃、19.6 ℃，均小于室内环境温度。650 mm处丙酮相变传热能力降低，此处为开始热传导作用下的热量传输。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F005图5不同功率下平板微热管轴向温度分布当输入功率分别为6 W、8 W、10 W、12 W时，在冷凝段650 mm处热管表面温度明显降低，此处为热管工质相变传热的最大传输距离；冷凝段800 mm和950 mm处测点温度均大于室内环境温度20.0 ℃，则950 mm处为试验对象的热传导条件传输距离，最大传热距离大于950 mm。当输入功率为14 W时，蒸发段平均温度与冷凝段测点1温差接近15.0 ℃，说明已经到达极限功率，为保护热管停止功率输入，冷凝段在800 mm温度降低明显，此处为工质相变传热传输距离；950 mm处测点温度为27.5 ℃，大于室内环境温度，此处为热传导作用下热量的传输距离150 mm，最大传热距离大于950 mm。倾角5°、蒸发段输入功率4~14 W时，平板铝热管蒸发段温度达到正常启动工作温度。在蒸发段长度为50 mm时，输入功率在8~12 W为宜。2.3工作倾角对热传输距离的影响分析结合平板铝热管在低温地板辐射采暖中的应用需求，选择试验工作倾角0°~5°，选取试验中输入功率适宜范围的中间值10 W作为蒸发段输入功率值。在持续供热时，铝热管轴向测点温度分布如图6所示。蒸发段测点温度均高于冷凝段，蒸发段平均温度与冷凝段测点1在0°~5°倾角下的温差分别为：9.80 ℃、4.40 ℃、2.45 ℃、5.65 ℃、6.50 ℃、7.55 ℃。当倾角为0°和1°时，平板铝热管冷凝段温度分布较均匀，无明显的温度波动异常。倾角0°时蒸发段平均温度与冷凝段测点1温差较大，为9.8 ℃，且冷凝段温度趋于稳定；热管正常启动延迟，冷凝段测点6温度为20.1 ℃略高于室内环境温度；冷凝段950 mm处为热传导传输距离。倾角1°时冷凝段平均温度为23.9 ℃，高于室内环境温度20 ℃，且无明显拐点；冷凝段950 mm处为相变传热与热传导共同作用下热量的传输距离。当倾角分别为2°和3°时，冷凝段温度在800 mm处显著下降，此处为相变作用下热量的传输距离，且测点6温度分别为22.9 ℃、21.7 ℃，均高于室内环境温度20.0 ℃，此处为热传导作用下热量的传输距离。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.04.018.F006图6不同倾角下平板微热管轴向温度分布当倾角为4°和5°时，冷凝段温度在650 mm处显著下降，此处为相变作用下热量的传输的距离，且测点6温度分别为19.9 ℃、19.5 ℃低于室内环温；而测点5温度分别为20.4 ℃、20.1 ℃，略高于室内环境温度，即800 mm处为热传导作用下热量的传输距离。蒸发段输入功率10 W、倾角为0°时，平板微热管仅靠毛细力作用冷凝段液体，无法及时回流至蒸发段，热管正常启动延迟，仅靠热传导作用，冷凝段950 mm处为热传导传输距离；倾角为1°~5°时，热管在重力作用下可正常启动工作，随着倾角的逐渐增大，相变与热传导作用下的热传输距离均逐渐减小。3结语（1）从能量角度守恒的角度出发，蒸发段输入的热量等于铝热管填充工质丙酮相变传热量，铝热管管壳热传导热量及管壳表面对流换热的散热量之和。（2）在蒸发段持续加热情况下，随着输入功率逐渐增大，平板铝热管相变作用下热传输距离逐渐增大，热传导作用下热量均可传输至热管冷凝段末端。（3）工作倾角为0°时，平板铝热管冷凝段工质换热后仅依靠毛细力作用不能及时回流至蒸发段，导致正常启动延迟，热量传输仅以热传导形式存在。（4）工作倾角在1°~5°范围内，平板铝热管的传输距离随工作倾角的增加而逐渐增大，相变传热与热传导共同作用下的热传输距离均逐渐减小。