引言日光温室多应用被动式技术，但受到墙体材料热传输能力限制，导致墙体蓄热能力差。平板微热管阵列作为具有多个独立通道的高效导热装置[1-2]，应用其可以提升温室墙体蓄热能力。国内外学者对热管的结构和充液率进行研究。杨厚乐[3]通过研究热管内部结构发现，与光管结构和三角微槽结构相比，矩形凹槽结构的传热特性较好。赵耀华[4]等为微热管阵列充装不同工质，进行性能测试，发现甲醇工质在充液率为0.3时的传热性能最优。部分学者对热管进行不同程度的弯曲和倾斜，从而提高热管的传热性能。Wang[5]等通过试验研究倾斜角度对新型平板微热管性能的影响，发现倾斜角从0°增大至20°时，热性能显著提高；倾斜角从20°增大至90°时，热性能差异可以忽略不计。白洁[6]等将扁平热管分别弯曲为“L”形和“乙”字形，研究热管的响应时间和均温性，发现弯曲使热管响应时间滞后，与平直热管“L”形和“乙”字形相比，扁平热管蒸发段与冷凝段温差分别提高11.76%、106.41%。目前，大部分热管应用于电子设备[7]和太阳能集热器[8]中，相关研究集中在常规尺度，针对微尺度热管（直径小于4 mm）的研究较少，对其在日光温室墙体中的应用研究更为薄弱。因此，以日光温室墙体蓄/放热需求为背景，以微热管阵列轴向温度、传热热阻及等效导热系数为指标，试验研究不同弯曲半径、弯曲角度对传热性能的影响，并探究微热管阵列应用于日光温室墙体的可行性。1微热管阵列性能测试1.1试验系统搭建及测试本研究采用对比试验方法搭建试验系统，选用重力型平板微热管阵列（750 mm×60 mm×3 mm），壳体材料为铝，工质为丙酮，充液率为25%。平板微热管阵列结构尺寸与测点布置如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F001图1平板微热管阵列结构尺寸与测点布置/mm平板微热管阵列的弯曲半径为R，与蒸发段相邻的弯曲角度保持90°，蒸发段保持竖直，与冷凝段相邻的弯曲角度为α。弯曲平板微热管阵列如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F002图2弯曲平板微热管阵列根据热管性能测试标准[9]布置测点，各温度测点采用铜-康铜T形热电偶测试，精度为±0.1 ℃。蒸发段采用带温控硅胶加热板加热，结合KXN-645D型直流稳压电源调控加热功率；冷凝段采用水冷板冷却，利用XODC-2050D型低温恒温水浴控温，使水温始终保持恒定。为了减少微热管阵列表面与加热板和水冷板之间的接触热阻，在微热管阵列表面均匀涂抹一层导热硅脂。为了减小热损失对试验的影响，利用40 mm厚橡塑海绵材料对微热管阵列表面进行保温。采用Keysight 34972A数据采集仪实时监测数据，数据采集时间间隔为10 s/次。蒸发段长度Le为400 mm，冷凝段长度Lc为150 mm。平板微热管阵列试验工况如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.T001表1平板微热管阵列试验工况工况曲率半径R/mm蒸发段处弯曲角度/（°）冷凝段处弯曲角度/（°）100022090903309090440909055090906309012073090150830901801.2评价参数利用均温性、传热热阻及等效导热系数指标评价微热管阵列热性能[10]。传热热流为：Q=Uin×Iin (1)式中：Uin——加热电压，V；Iin——加热电流，A。总热阻为：Rt=(Te-Tc)/Q (2)式中：Te、Tc——蒸发段与冷凝段平均温度，℃。等效导热系数为：keff=(Leff×Uin×Iin)/[(Te-Tc)×W×H] (3)Leff=La+(Le+Lc)/2 (4)式中：Leff——平板微热管阵列等效长度，m；W、H——平板微热管阵列的宽度和厚度，m；La——绝热段长度，m；Le、Lc——平板微热管阵列的蒸发段和冷凝段长度，m。1.3不确定度分析本试验中，直接测量的参数误差由仪器的测量误差获取，间接测量的参数误差由误差传递公式计算，总热阻的相对误差为：δRtRt=(δUU)2+(δII)2+(δTTe)2+(δTTc) (5)等效导热系数的相对误差：δkeffkeff≈δRtRt (6)T型热电偶的相对误差为±0.1 ℃，对其进行标定及多个测点校核；电压、电流的相对误差均为1%。试验测试阶段，蒸发段与冷凝段温度变化范围分别为23.4~47.9 ℃与23.2~46.0 ℃，总热阻与等效导热系数的不确定度为1.41%~1.54%。2结果与分析2.1弯曲与平直平板微热管阵列的热性能对比相同加热功率下，工况1和工况4微热管阵列的轴向温度变化趋势相似，0~150 mm范围内的轴向温度逐渐降低，蒸发段后的轴向温度基本相同，表明平板微热管阵列在平直和弯曲时均具有较好的均温性；相同加热功率下，工况4的表面温度高于工况1，表明微热管阵列发生2次弯曲后，热传输性能明显高于平直微热管阵列。平直与弯曲微热管阵列轴向温度变化如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F003图3平直与弯曲微热管阵列轴向温度变化随着加热功率增加，工况1的等效导热系数基本呈线性增加，工况4的等效导热系数变化趋势与工况1不同，先快速增大，在加热功率为45 W时达到峰值，为533 237 W/(m·℃)，随后快速下降，在加热功率为60 W时，达到最低值，为138 052 W/(m·℃)。微热管阵列等效导热系数变化如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F004图4微热管阵列等效导热系数变化加热功率为10~150 W时，工况1的总热阻随加热率增加而快速减小，呈现指数函数分布，即Rt=0.008 22+0.098 13e-0.06677Q，蒸发段与冷凝段的温差呈线性分布；加热功率小于55 W时，工况4的总热阻显著低于工况1，约为工况1总热阻的36%；加热功率为60 W时，与工况1相比，工况4总热阻增加42.9%，工况4蒸发段与冷凝段的温差达4.7 ℃。微热管阵列总热阻及温差变化如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F005图5微热管阵列总热阻及温差变化工况4的微热管阵列发生2次90°弯曲，加热功率低于55 W时，微热管阵列内部工质在重力作用下容易回流，导致等效导热系数较大；加热功率高于60 W时，加热功率增大产生的气泡变多，在浮力的作用下上升，从而对冷凝液体回流造成更大的阻力，甚至完全堵塞热管使工质无法回流至蒸发段，微热管阵列出现传热极限。2.2曲率半径变化对微热管阵列热性能的影响室外垂直面接受的太阳辐照度为0~943 W/m2，相当于加热功率为0~22.6 W，选择热管加热功率为15 W与20 W进行分析。其中，工况2在加热功率为35 W时达到极限，加热功率范围为5~35 W，间隔为3 W，为了更好地对比，加热功率选择14 W和20 W进行分析。不同曲率半径轴向温度变化如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F006图6不同曲率半径轴向温度变化工况3、工况4、工况5的微热管阵列轴向温度具有相同的变化趋势，工况2的弯曲半径过小（20 mm），绝热段水平部分变长使气泡在弯曲处无法顺利上升，回流受阻，沿长度方向的轴向温度逐渐下降，冷凝段处的温度急剧下降。相同加热功率下，工况3、工况4和工况5的轴向温度依次下降，加热功率为15 W时，工况3的轴向温度比工况4和工况5平均高约0.20 ℃和0.45 ℃；加热功率为20 W时，工况3的轴向温度比工况4和工况5平均高约0.10 ℃和0.55 ℃。随着加热功率增加，对应工况的等效导热系数先升高，达到最大值，然后快速下降，等效导热系数呈抛物线形变化规律，工况2~5的等效导热系数分别在加热功率为23、30、45和70 W时达到峰值，为17 215、440 127、533 237和425 469 W/(m·℃)；工况2~工况5在传热极限时的等效导热系数分别为对应工况最大等效导热系数的67.6%、30.0%、25.9%和69.5%；加热功率为10~40 W（对应热流密度为417~1 667 W/m2）时，曲率半径为30 mm和40 mm的微热管阵列的等效导热系数明显高于其他曲率半径。与等效导热系数相比，微热管阵列总热阻变化规律相反。工况3~工况5的微热管阵列在不同加热功率下的总热阻较接近，平均总热阻为0.011~0.015 ℃/W，工况2的平均总热阻达0.20 ℃/W，显著高于其他工况。不同曲率半径下导热系数及总传热热阻如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F007图7不同曲率半径下导热系数及总传热热阻结合日光温室能够获得太阳辐射强度数值范围，曲率半径为30~40 mm的微热管阵列适用于日光温室蓄热墙体的蓄放热需求，等效导热系数较大。2.3弯曲角度变化对微热管阵列热性能的影响工况8微热管阵列在蒸发段0~150 mm内的轴向温度波动较剧烈，温度下降幅度超过5 ℃，表明热管已达到极限传热功率。150~750 mm内，工况3、工况6、工况7的轴向温度随长度方向变化幅度较小，均温性较好，弯曲角度与热管表面成正比。工况3的热管表面温度为26.69 ℃，工况6、工况7的热管表面温度分别提高1.03 ℃和1.56 ℃，表明弯曲角度增大使垂直长度降低，重力对回流作用削弱，冷凝量减少，热管表面温度上升。微热管阵列等效导热系数与总热阻的变化规律与2.2节相同，随着弯曲角度增加，极限传热功率增大。加热功率为0~20 W（对应热流密度为0~833 W/m2）时，工况8已达传热极限，无法满足温室需求。工况7微热管阵列的等效导热系数高于工况3，但热管表面温度显著高于工况3。加热功率超过20 W时，工况7和工况8接近传热极限，工况6的总热阻始终高于工况3。不同弯曲角度下微热管阵列轴向温度分布如图8所示。不同弯曲角度下微热管阵列等效导热系数和总热阻变化如图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F008图8不同弯曲角度下微热管阵列轴向温度分布图9不同弯曲角度下微热管阵列等效导热系数和总热阻变化10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F9a1（a）等效导热系数10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F9a2（b）总热阻综合考虑温室墙体表面温度实际变化与蓄热需求，选择微热管阵列弯曲角度为90°，平均等效导热系数为300 816 W/(m·℃)的热管适宜应用于日光温室。3讨论为了探究微热管阵列对日光温室热环境的改善情况，选用弯曲半径为40 mm微热管阵列制作砌块，与日光温室墙体结合搭建普通墙体和微热管阵列墙体两种温室，温室北墙长度615 mm、高度630 mm、厚度370 mm，外表面利用50 mm保温板保温，跨度为790 mm，夜间覆盖40 mm保温被保温，保温被每天9：00开启，17：00关闭。选取典型晴天2019年12月27日9：00至28日9：00的数据。两温室墙体蓄放热速率对比如图10所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.001.F010图10两温室墙体蓄放热速率对比由图10可知，9：00~10：00保温被刚开启，温室内温度较高，室外空气温度较低，温室向室外散热，墙体处于放热状态。10：00~17：00墙体一直处于蓄热状态，14：00时的蓄热速率达到最大值，微热管墙体和普通墙体的蓄热速率分别为145.7 W和132.9 W，整个蓄热期的平均蓄热速率分别为89.9 W和80.0 W，提高12.4%。放热期间的平均放热速率分别为41.4 W和35.8 W，提高15.6%。结果表明，将平板微热管阵列应用于温室墙体能够有效改善温室内热环境。4结语（1）平直和弯曲的微热管阵列均具有较好的均温性，平直微热管阵列经过2次90°弯曲，仍具有极高的等效导热系数，但弯曲的热管表面温度上升。（2）相同加热功率下，随着弯曲半径增加，微热管阵列轴向温度依次下降。结合日光温室能够获得的太阳辐射强度，微热管阵列曲率半径为30~40 mm时，适用于日光温室蓄热墙体的蓄放热需求，等效导热系数较大，平均等效导热系数为300 816 W/(m·℃)。（3）将弯曲的微热管阵列应用于日光温室墙体，与普通温室墙体相比，微热管阵列温室墙体平均蓄、放热速率分别提高12.4%和15.6%，表明将微热管阵列应用于温室墙体能够有效，提升温室墙体的蓄放热性能。