摘要：本文針對目前太陽能熱水系統中使用的熱管（以下簡稱熱管）在應用過程中出現的性能評價要求不統一的問題，提出此類熱管應從四個方面評價其性能：傳熱性能、壽命、安全性和溫度兼容性。并著重闡述熱管傳熱性能的重要參數-傳輸功率的測試方法。要求不僅測量冷凝段的熱交換量，同時也要測量蒸發段的換熱量，兩個部分之間達到熱平衡后，才能說明系統測量的準確性。同時規定了熱管標準功率測試方法中，蒸發段、絕熱段和冷凝段的長度、循環水流量以及進出口的溫度差等參數的控制方法，使各個生產廠家、用戶有一個一致的評價標準，彌補各個廠家互不認可的缺點，有利于熱管在太陽能熱水系統中的推廣和應用。
關鍵詞：太陽能熱水系統；熱管；性能要求；測試方法
1. 介紹
熱管是一種高效的被動傳熱元件，在航空、航天、電子、熱控制、工業節能等領域已得到廣泛的應用。近廿年，隨著能源緊張和節能要求的不斷提高，熱管在家用太陽能熱水器中的使用越來越受到重視，將熱管技術融合家用太陽能熱水器系統在近十年內逐漸興起。熱管式家用太陽能熱水器較之普通型熱水器，具有可靠性高，熱利用充分，能量利用合理等優勢，已為廣大歐美用戶所認可，國內市場份額，特別是熱水工程應用也逐漸提高。但作為熱管式太陽能熱水系統的核心傳熱部件-熱管，其性能的重要參數-傳輸功率的測試方案和評價標準，各個廠家各不相同，造成產品質量無法直接比較，不僅不能使客戶直觀的判斷熱管性能，也會造成一些不良產品流入市場，造成惡劣影響。
2. 太陽能熱水系統用熱管的性能要求
熱管式家用太陽能熱水器的原理是利用熱管將集熱管收集的太陽輻射熱傳遞到水箱中，加熱水箱中的水，由于熱管式家用太陽能熱水器中的集熱管中無水流過，且各個集熱管之間、集熱管與水箱之間相互獨立，不會因某只集熱管破裂而導致整臺熱水器的失效，因而熱管式太陽能熱水器的工作可靠性要明顯高于普通太陽能熱水器。
熱管是重要的傳熱元件，其性能直接影響到熱管式太陽能熱水器的性能。評價一根熱管傳熱性能好壞的主要指標有：傳熱性能、壽命、安全性和溫度兼容性，四者之間相互影響，對于太陽能熱水器所使用的熱管缺一不可。傳熱性能是熱管作為傳熱元件的優勢所在，是熱水器熱效率和能量利用率的保證；熱管的壽命將直接影響到熱水器的使用壽命，壽命是產品質量的重要指標之一；對于民用產品來說，安全性也是一個重要的考慮因素。而溫度兼容性則代表了熱水管可以應用的地區范圍，從而決定了熱水器生產廠家熱水器的銷售、使用區域，溫度兼容性決定其市場營銷策略的制定。
2.1. 安全性
熱管使用過程中可能產生的危險主要有兩個方面：物理性超溫爆炸和工作介質泄露。任
何安全性問題，對于熱水器生產廠家來說都是致命的，造成用戶的人身傷害和財產損失將嚴重影響熱水器廠家的聲譽。
物理超溫爆炸是指對于熱管內部工作介質溫度過高導致相應的壓力過高所引起的爆炸。以水為工作介質的熱管為例。從圖2中可以看出，當熱管內部的工作溫度超過200℃時，熱管內部壓力急劇上升。而相應的銅為殼體的材料許用應力隨溫度的升高而逐漸下降。
具體的熱管強度計算由壓力容器標準的計算方法得到。由于熱管在使用過程中，蒸發段有鋁翼、冷凝段有流道加固，因此在殼體發生破裂的可能性不大。但由于蒸發段和冷凝段之間存在一道環焊縫，成為熱管強度的最薄弱點。
2.2. 溫度兼容性
目前市場上的家用太陽能熱水器中使用的熱管主要是強調傳熱性能、壽命和安全性前三種性能，溫度兼容性很少涉及，這主要是因為溫度兼容性是熱管式家用太陽能熱水器所特有的問題，經典的熱管理論并未涉及該內容，對于普通的熱管廠家來說，更是無法完成攻關的技術問題。熱管的溫度兼容性是指熱管能夠長期高效運行的工作范圍，對于家用太陽能熱水器所使用的熱管來說，使用溫度的上限應定為用戶斷水干曬下的最高溫度，從目前選擇性吸收涂層和集熱管的技術水平來看，定在300oC是比較合理的。而對于使用下限，則應根據使用地區的不同來設定。目前太陽能熱水器往往是在中低緯度地區使用，所以廠家一般將低溫使用下限設定在0oC。近年來，無論是國內還是國外，均出現了太陽能熱水器使用地區向北方發展的趨勢，特別是北歐一些國家對家用太陽能熱水器的需求更加迫切。這是因為北方地區的家庭熱水用量和加熱水的耗能量均高于南方地區，因而對家用太陽能熱水器的需求更加強烈。對于北方地區，如我國黃河以北地區、北歐和北美的北部地區，家用太陽能熱水器中使用的熱管，低溫使用極限往往在0oC以下，通常按照-30oC設計。在這種溫度條件下，普通的銅-水熱管就會出現冰凍現象。
由于冰水系統的反常膨脹，使得熱管中的液相工作介質水在結冰過程中，總是在表面先凍結，即在熱管的液池表面形成一層與熱管壁面緊密連接的固體冰層，將下部液體封于有限空間內。隨著凍結過程的不斷進行，熱管的液池內部液體不斷放出熱量，凝固成冰。同時體積向四周膨脹。當冰水系統的固化膨脹力大于熱管管壁面材料的彈性極限時，將導致管壁的永久變形。當環境溫度升高或有輻射能進入時，熱管中工作介質將吸收熱量，融化成為液體。由于管壁已發生永久性膨脹變形，液位將下降。重復上述凍結融化過程，熱管液池部位的管壁面將不斷膨脹，管壁厚度將不斷減薄。一般經過10次左右的凍融循環，管壁將發生破裂，熱管內部喪失真空度，工作介質泄露，熱管失效。因而對于熱管式家用太陽能熱水器來說，熱管的防凍脹性能不容忽視，溫度兼容性是評價熱管性能的一個重要指標。
3. 太陽能熱水系統用熱管性能測試方法
為了保證家用太陽能熱水器用熱管制造廠家生產的熱管質量符合要求，提高產品質量、規范生產過程、保證產品質量、增強企業競爭能力，必須對所生產的熱管進行必要項目的檢測。檢測項目包括等溫性和傳輸功率。
3.1. 等溫性測試
熱管的等溫性測試是指在室溫環境、自然對流工況下，軸向的最大溫度差。對于熱管等溫性檢測可以表征熱管內部的真空水平，是家用太陽能熱水器用熱管傳熱性能中，重要的性能指標之一。等溫性檢測相對比較簡單，各個廠家也基本相互認可。下面簡要介紹其方法和一般判定標準。
測試裝置如圖3所示，一般分為兩種：套管式和水箱式。套管式是指蒸發段浸沒在比較細的套管中，加熱水從套管下進水口進，上出水口出。在進口位置布置測溫點。水箱式是指將熱管蒸發段浸沒于保溫水箱中。水箱中的水在攪拌器或者循環水泵的作用下，處于均溫狀態。熱管一般豎直放置或與水平位置45o夾角以上放置，蒸發段長度一般設為總長度的1/2左右。
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a）套管式
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b）水箱式
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圖3 等溫性測試裝置示意圖
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一般控制循環水進水溫度或水箱儲水溫度71oC±1oC。由于熱管的冷凝段是自然對流散熱，所以對風速、環境溫度和濕度，均應有一定的要求。一般控制測試位置風速小于3m/s,環境溫度在20%-30 oC之間，相對濕度在70%-90%之間。
當蒸發段處于等壁溫工況下，熱管的等溫性以距離熱管冷凝段端部4-5cm處溫度T1與循環水夾套進水溫度或水箱儲水溫度T2之差表示，既△T=|T2-T1|。同時，熱管的等溫性也與熱管長度有關，因而規定：對于長度在1m以內的家用太陽能熱水器用熱管，△T4oC為合格；對于1m-2m的熱管，△T5oC為合格；對于2m-3m的熱管，△T6oC為合格。
3.2. 功率測試
熱管傳熱性能決定了太陽能熱水裝置的集熱效率。之所以采用熱管這樣的高導熱能力的元件，主要就是看中其熱阻小、傳熱能力強的優點。如果熱管的熱阻不能控制在一定范圍內，就失去了使用熱管的意義。
根據熱管熱阻的定義，熱阻是由導熱元件兩端的溫度差與傳輸功率的比值表征的。對于熱管來說，兩者之間又是相輔相成的，無論對于用戶還是生產廠家，熱管的傳輸功率往往是比較直觀的評價指標。但各個生產商家和用戶的測試方法不同，導致同一個熱管在不同的廠家可能獲得不同傳輸功率，在同一廠家，不同的季節測試，也可能得到不同的結果。使用戶對熱管產生了不信任的感覺，影響了熱管的推廣和使用。下面介紹熱管功率的測試方法。
3.2.1. 測試裝置
太陽能熱水系統用熱管（以下簡稱熱管）的功率測試裝置采用水冷水加熱方式，如圖所示，由于熱管正常工作狀態為傾斜放置，因此檢測時，測試臺上的熱管一般也為傾斜放置。熱管安裝在45o傾斜角度的測試臺上。蒸發段被套在加熱水夾套管中。加熱水從夾套管下部進入，從上部出水孔流出，夾套管內徑為熱管直徑+6mm-10mm(可以取標準管徑)，外部布置保溫層，冷卻水同樣采用雙層套管組成，內襯保溫材料，以減少熱損失。
冷凝段水夾套的冷卻水上進下出，出水口向下。測點為熱側進出口溫度、加熱水流量；冷側進出口溫度、冷卻水流量。熱側進水由恒溫水槽提供，確保進水溫度在71oC±1oC，出水溫度不低于68oC，以保證熱管蒸發段在近等溫條件下工作。冷凝段的冷卻水由另一臺恒溫水槽提供。冷卻水進水溫度在39oC±1oC，出水溫度在42oC以下，以保證熱管冷凝段在近等溫條件下工作。該工況也比較接近熱水器實際工況。溫度測量全部采用熱電阻，流量由渦街流量計（或者渦輪流量計）測量。在進行測試過程中，冷卻段循環水出口處一定要留有觀察口，以便確定流道中是否出現氣泡。測試過程中冷卻段的熱交換量作為熱管傳輸功率。
對于加熱循環水系統，由于循環水上進下出，水路比較暢通，但要在測試時注意避免循環水溢出，造成測量過程中熱平衡不能滿足。蒸發段的循環水不作密封處理，這樣可以在保證精確度的前提下，減少工作量，提高工作效率。循環冷卻水回路必須保證密封在水夾套中。冷卻循環水夾套的水下進上出，出口要高于熱管冷凝段，即保證熱管完全浸沒在循環冷卻水中。在冷卻循環回路中，進水管和出水管必須設置快開閥門，以盡量減少更換熱管時，水的損失。
3.2.2. 熱平衡和參數選擇
熱平衡定義為：加熱水循環體積流量為Vh，進口水溫為Th1，出口水溫為Th2，加熱水的定性溫度為Th=(Th1+Th2)/2，查得對應水的密度為Ph，水的比熱為Ch。加熱循環水的換熱量為：
Qh=ChPhVh(Th1-Th2)
同理，冷卻水循環體積流量為Vc，進口水溫為Tc1，出口水溫為Tc2，冷卻水的定性溫度為Tc=(Tc1+Tc2)/2，查得對應水的密度為Pc，水的比熱為Cc。冷卻循環水的換熱量為：
Qc=CcPcVc(Tc1-Tc2)
熱平衡為：
△=(|Qh-Qc|/MAX(Qh,Qc))*100%
系統熱平衡是系統精密程度的一種表現。一般要求系統熱平衡不超過5%。熱管的傳熱量以冷卻水得到的熱量作為熱管傳輸功率，測量熱管在45o傾斜角度下的傳輸功率。規定在測試條件下，對于1.8m長，直徑8mm的熱管，傳輸功率不應低于180W；對于1.2m長，直徑8mm的熱管，傳輸功率不應低于200W。
在傳輸功率一定的情況下，當流量在一定范圍內調整，流量小則溫度差加大，而流量增加，溫度差減少。對于套管內達到旺盛湍流的情況，流量的變化對換熱系數的影響比較小，因此只要流量在湍流區即可滿足要求。但由于測量過程中會出現誤差，兩項之間的大小關系對功率測量誤差有著明顯的影響。
需要選擇的參數主要有套管的內徑、加熱水和冷卻水的流量、相應的進出口水溫度差。他們之間相互影響、相互制約。對于太陽能熱水系統使用的熱管測量來說，存在一個平衡點。
首先應明確套管內無論是冷卻水還是加熱水，僅應處于湍流狀態，否則由于水流帶來的熱阻，對于熱管傳輸功率測量造成的影響是非常顯著的。特別是冷凝段，由于存在冷凝頭，且流道長度比較短，流型對傳熱的影響更加明顯。因此測試裝置套筒內徑的選擇比較關鍵。
眾所周知，流型與流道內流體流動的雷諾數有關，當流量一定時，雷諾數的表達式為：
Re=4Qp/μ(d1+d2)π
其中d1為定值（熱管外徑），d2越小，雷諾數越大，但d2減小意味著熱管的裝配空間減小，裝配難度增加。因此雙側各5mm的空間是比較合理的選擇。當熱管直徑為8mm時，套管的內徑為18mm，兩側各有5mm作為裝配空間，此時，套管內雷諾數要控制在2000以上，必須選擇流量不低于1.5升/分鐘（當量直徑按照d2-d1計算）。當熱管傳輸功率為200W，水流量為1.5升/分鐘的時，進出套管的溫度差可以由熱量傳遞公式計算，為1.9 oC，按照2 oC計算。即在測試過程中需要控制溫度差為2 oC，流量為1.5升/分鐘。儀表的精度選擇是測試臺成本和精度的關鍵。根據誤差傳遞公式：
得到蒸發段和冷凝段傳熱量的誤差公式為：
由于密度和比熱均為查表得到，其精度均在千分之一以內，對傳熱量最終誤差的影響可以忽略不計。因此相對誤差公式可以簡化為：
其中溫度差為套管進出口溫度之差，其誤差為兩個溫度傳感器絕對誤差之和。對于一般精度計量儀表，如相對誤差為1%，則功率的最終測量誤差為2.5%，如果所有儀表的相對誤差均為2.5%，則功率的最終測量誤差為6%以內。當相對誤差為6%時，兩側的熱平衡控制在10%以內就比較困難了。測試并未考慮由于溫度變化引起的流量計的誤差以及溫度傳感器安裝引起的偏差。因此，如果要求熱平衡穩定在10%以內，選用的儀表精度等級應優于1%級別。
4. 結論
熱管在民用太陽能熱水系統中使用的優勢，已經成為行業的共識，而熱管本身的性能對于太陽能熱水器的重要性也是眾所周知的。本文在針對目前太陽能行業中使用熱管進行調查分析基礎上，指出了評價家用太陽能熱水系統用熱管性能評價的4個方面：傳熱性能、壽命、安全性和溫度兼容性。并著重介紹了熱管傳熱性能檢測方法，并根據目前技術水平，提出了具有一定前瞻性的評價指標，為熱管生產廠家提出了改進的方向，同時也為使用廠家提供了比較熱管優劣的指標。
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