摘要：本文针对目前太阳能热水系统中使用的热管（以下简称热管）在应用过程中出现的性能评价要求不统一的问题，提出此类热管应从四个方面评价其性能：传热性能、寿命、安全性和温度兼容性。并着重阐述热管传热性能的重要参数-传输功率的测试方法。要求不仅测量冷凝段的热交换量，同时也要测量蒸发段的换热量，两个部分之间达到热平衡后，才能说明系统测量的准确性。同时规定了热管标准功率测试方法中，蒸发段、绝热段和冷凝段的长度、循环水流量以及进出口的温度差等参数的控制方法，使各个生产厂家、用户有一个一致的评价标准，弥补各个厂家互不认可的缺点，有利于热管在太阳能热水系统中的推广和应用。
关键词：太阳能热水系统；热管；性能要求；测试方法
1. 介绍
热管是一种高效的被动传热元件，在航空、航天、电子、热控制、工业节能等领域已得到广泛的应用。近廿年，随着能源紧张和节能要求的不断提高，热管在家用太阳能热水器中的使用越来越受到重视，将热管技术融合家用太阳能热水器系统在近十年内逐渐兴起。热管式家用太阳能热水器较之普通型热水器，具有可靠性高，热利用充分，能量利用合理等优势，已为广大欧美用户所认可，国内市场份额，特别是热水工程应用也逐渐提高。但作为热管式太阳能热水系统的核心传热部件-热管，其性能的重要参数-传输功率的测试方案和评价标准，各个厂家各不相同，造成产品质量无法直接比较，不仅不能使客户直观的判断热管性能，也会造成一些不良产品流入市场，造成恶劣影响。
2. 太阳能热水系统用热管的性能要求
热管式家用太阳能热水器的原理是利用热管将集热管收集的太阳辐射热传递到水箱中，加热水箱中的水，由于热管式家用太阳能热水器中的集热管中无水流过，且各个集热管之间、集热管与水箱之间相互独立，不会因某只集热管破裂而导致整台热水器的失效，因而热管式太阳能热水器的工作可靠性要明显高于普通太阳能热水器。
热管是重要的传热元件，其性能直接影响到热管式太阳能热水器的性能。评价一根热管传热性能好坏的主要指标有：传热性能、寿命、安全性和温度兼容性，四者之间相互影响，对于太阳能热水器所使用的热管缺一不可。传热性能是热管作为传热元件的优势所在，是热水器热效率和能量利用率的保证；热管的寿命将直接影响到热水器的使用寿命，寿命是产品质量的重要指标之一；对于民用产品来说，安全性也是一个重要的考虑因素。而温度兼容性则代表了热水管可以应用的地区范围，从而决定了热水器生产厂家热水器的销售、使用区域，温度兼容性决定其市场营销策略的制定。
2.1. 安全性
热管使用过程中可能产生的危险主要有两个方面：物理性超温爆炸和工作介质泄露。任
何安全性问题，对于热水器生产厂家来说都是致命的，造成用户的人身伤害和财产损失将严重影响热水器厂家的声誉。
物理超温爆炸是指对于热管内部工作介质温度过高导致相应的压力过高所引起的爆炸。以水为工作介质的热管为例。从图2中可以看出，当热管内部的工作温度超过200℃时，热管内部压力急剧上升。而相应的铜为壳体的材料许用应力随温度的升高而逐渐下降。
具体的热管强度计算由压力容器标准的计算方法得到。由于热管在使用过程中，蒸发段有铝翼、冷凝段有流道加固，因此在壳体发生破裂的可能性不大。但由于蒸发段和冷凝段之间存在一道环焊缝，成为热管强度的最薄弱点。
2.2. 温度兼容性
目前市场上的家用太阳能热水器中使用的热管主要是强调传热性能、寿命和安全性前三种性能，温度兼容性很少涉及，这主要是因为温度兼容性是热管式家用太阳能热水器所特有的问题，经典的热管理论并未涉及该内容，对于普通的热管厂家来说，更是无法完成攻关的技术问题。热管的温度兼容性是指热管能够长期高效运行的工作范围，对于家用太阳能热水器所使用的热管来说，使用温度的上限应定为用户断水干晒下的最高温度，从目前选择性吸收涂层和集热管的技术水平来看，定在300oC是比较合理的。而对于使用下限，则应根据使用地区的不同来设定。目前太阳能热水器往往是在中低纬度地区使用，所以厂家一般将低温使用下限设定在0oC。近年来，无论是国内还是国外，均出现了太阳能热水器使用地区向北方发展的趋势，特别是北欧一些国家对家用太阳能热水器的需求更加迫切。这是因为北方地区的家庭热水用量和加热水的耗能量均高于南方地区，因而对家用太阳能热水器的需求更加强烈。对于北方地区，如我国黄河以北地区、北欧和北美的北部地区，家用太阳能热水器中使用的热管，低温使用极限往往在0oC以下，通常按照-30oC设计。在这种温度条件下，普通的铜-水热管就会出现冰冻现象。
由于冰水系统的反常膨胀，使得热管中的液相工作介质水在结冰过程中，总是在表面先冻结，即在热管的液池表面形成一层与热管壁面紧密连接的固体冰层，将下部液体封于有限空间内。随着冻结过程的不断进行，热管的液池内部液体不断放出热量，凝固成冰。同时体积向四周膨胀。当冰水系统的固化膨胀力大于热管管壁面材料的弹性极限时，将导致管壁的永久变形。当环境温度升高或有辐射能进入时，热管中工作介质将吸收热量，融化成为液体。由于管壁已发生永久性膨胀变形，液位将下降。重复上述冻结融化过程，热管液池部位的管壁面将不断膨胀，管壁厚度将不断减薄。一般经过10次左右的冻融循环，管壁将发生破裂，热管内部丧失真空度，工作介质泄露，热管失效。因而对于热管式家用太阳能热水器来说，热管的防冻胀性能不容忽视，温度兼容性是评价热管性能的一个重要指标。
3. 太阳能热水系统用热管性能测试方法
为了保证家用太阳能热水器用热管制造厂家生产的热管质量符合要求，提高产品质量、规范生产过程、保证产品质量、增强企业竞争能力，必须对所生产的热管进行必要项目的检测。检测项目包括等温性和传输功率。
3.1. 等温性测试
热管的等温性测试是指在室温环境、自然对流工况下，轴向的最大温度差。对于热管等温性检测可以表征热管内部的真空水平，是家用太阳能热水器用热管传热性能中，重要的性能指标之一。等温性检测相对比较简单，各个厂家也基本相互认可。下面简要介绍其方法和一般判定标准。
测试装置如图3所示，一般分为两种：套管式和水箱式。套管式是指蒸发段浸没在比较细的套管中，加热水从套管下进水口进，上出水口出。在进口位置布置测温点。水箱式是指将热管蒸发段浸没于保温水箱中。水箱中的水在搅拌器或者循环水泵的作用下，处于均温状态。热管一般竖直放置或与水平位置45o夹角以上放置，蒸发段长度一般设为总长度的1/2左右。
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a）套管式
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b）水箱式
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图3 等温性测试装置示意图
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一般控制循环水进水温度或水箱储水温度71oC±1oC。由于热管的冷凝段是自然对流散热，所以对风速、环境温度和湿度，均应有一定的要求。一般控制测试位置风速小于3m/s,环境温度在20%-30 oC之间，相对湿度在70%-90%之间。
当蒸发段处于等壁温工况下，热管的等温性以距离热管冷凝段端部4-5cm处温度T1与循环水夹套进水温度或水箱储水温度T2之差表示，既△T=|T2-T1|。同时，热管的等温性也与热管长度有关，因而规定：对于长度在1m以内的家用太阳能热水器用热管，△T4oC为合格；对于1m-2m的热管，△T5oC为合格；对于2m-3m的热管，△T6oC为合格。
3.2. 功率测试
热管传热性能决定了太阳能热水装置的集热效率。之所以采用热管这样的高导热能力的元件，主要就是看中其热阻小、传热能力强的优点。如果热管的热阻不能控制在一定范围内，就失去了使用热管的意义。
根据热管热阻的定义，热阻是由导热元件两端的温度差与传输功率的比值表征的。对于热管来说，两者之间又是相辅相成的，无论对于用户还是生产厂家，热管的传输功率往往是比较直观的评价指标。但各个生产商家和用户的测试方法不同，导致同一个热管在不同的厂家可能获得不同传输功率，在同一厂家，不同的季节测试，也可能得到不同的结果。使用户对热管产生了不信任的感觉，影响了热管的推广和使用。下面介绍热管功率的测试方法。
3.2.1. 测试装置
太阳能热水系统用热管（以下简称热管）的功率测试装置采用水冷水加热方式，如图所示，由于热管正常工作状态为倾斜放置，因此检测时，测试台上的热管一般也为倾斜放置。热管安装在45o倾斜角度的测试台上。蒸发段被套在加热水夹套管中。加热水从夹套管下部进入，从上部出水孔流出，夹套管内径为热管直径+6mm-10mm(可以取标准管径)，外部布置保温层，冷却水同样采用双层套管组成，内衬保温材料，以减少热损失。
冷凝段水夹套的冷却水上进下出，出水口向下。测点为热侧进出口温度、加热水流量；冷侧进出口温度、冷却水流量。热侧进水由恒温水槽提供，确保进水温度在71oC±1oC，出水温度不低于68oC，以保证热管蒸发段在近等温条件下工作。冷凝段的冷却水由另一台恒温水槽提供。冷却水进水温度在39oC±1oC，出水温度在42oC以下，以保证热管冷凝段在近等温条件下工作。该工况也比较接近热水器实际工况。温度测量全部采用热电阻，流量由涡街流量计（或者涡轮流量计）测量。在进行测试过程中，冷却段循环水出口处一定要留有观察口，以便确定流道中是否出现气泡。测试过程中冷却段的热交换量作为热管传输功率。
对于加热循环水系统，由于循环水上进下出，水路比较畅通，但要在测试时注意避免循环水溢出，造成测量过程中热平衡不能满足。蒸发段的循环水不作密封处理，这样可以在保证精确度的前提下，减少工作量，提高工作效率。循环冷却水回路必须保证密封在水夹套中。冷却循环水夹套的水下进上出，出口要高于热管冷凝段，即保证热管完全浸没在循环冷却水中。在冷却循环回路中，进水管和出水管必须设置快开阀门，以尽量减少更换热管时，水的损失。
3.2.2. 热平衡和参数选择
热平衡定义为：加热水循环体积流量为Vh，进口水温为Th1，出口水温为Th2，加热水的定性温度为Th=(Th1+Th2)/2，查得对应水的密度为Ph，水的比热为Ch。加热循环水的换热量为：
Qh=ChPhVh(Th1-Th2)
同理，冷却水循环体积流量为Vc，进口水温为Tc1，出口水温为Tc2，冷却水的定性温度为Tc=(Tc1+Tc2)/2，查得对应水的密度为Pc，水的比热为Cc。冷却循环水的换热量为：
Qc=CcPcVc(Tc1-Tc2)
热平衡为：
△=(|Qh-Qc|/MAX(Qh,Qc))*100%
系统热平衡是系统精密程度的一种表现。一般要求系统热平衡不超过5%。热管的传热量以冷却水得到的热量作为热管传输功率，测量热管在45o倾斜角度下的传输功率。规定在测试条件下，对于1.8m长，直径8mm的热管，传输功率不应低于180W；对于1.2m长，直径8mm的热管，传输功率不应低于200W。
在传输功率一定的情况下，当流量在一定范围内调整，流量小则温度差加大，而流量增加，温度差减少。对于套管内达到旺盛湍流的情况，流量的变化对换热系数的影响比较小，因此只要流量在湍流区即可满足要求。但由于测量过程中会出现误差，两项之间的大小关系对功率测量误差有着明显的影响。
需要选择的参数主要有套管的内径、加热水和冷却水的流量、相应的进出口水温度差。他们之间相互影响、相互制约。对于太阳能热水系统使用的热管测量来说，存在一个平衡点。
首先应明确套管内无论是冷却水还是加热水，仅应处于湍流状态，否则由于水流带来的热阻，对于热管传输功率测量造成的影响是非常显著的。特别是冷凝段，由于存在冷凝头，且流道长度比较短，流型对传热的影响更加明显。因此测试装置套筒内径的选择比较关键。
众所周知，流型与流道内流体流动的雷诺数有关，当流量一定时，雷诺数的表达式为：
Re=4Qp/μ(d1+d2)π
其中d1为定值（热管外径），d2越小，雷诺数越大，但d2减小意味着热管的装配空间减小，装配难度增加。因此双侧各5mm的空间是比较合理的选择。当热管直径为8mm时，套管的内径为18mm，两侧各有5mm作为装配空间，此时，套管内雷诺数要控制在2000以上，必须选择流量不低于1.5升/分钟（当量直径按照d2-d1计算）。当热管传输功率为200W，水流量为1.5升/分钟的时，进出套管的温度差可以由热量传递公式计算，为1.9 oC，按照2 oC计算。即在测试过程中需要控制温度差为2 oC，流量为1.5升/分钟。仪表的精度选择是测试台成本和精度的关键。根据误差传递公式：
得到蒸发段和冷凝段传热量的误差公式为：
由于密度和比热均为查表得到，其精度均在千分之一以内，对传热量最终误差的影响可以忽略不计。因此相对误差公式可以简化为：
其中温度差为套管进出口温度之差，其误差为两个温度传感器绝对误差之和。对于一般精度计量仪表，如相对误差为1%，则功率的最终测量误差为2.5%，如果所有仪表的相对误差均为2.5%，则功率的最终测量误差为6%以内。当相对误差为6%时，两侧的热平衡控制在10%以内就比较困难了。测试并未考虑由于温度变化引起的流量计的误差以及温度传感器安装引起的偏差。因此，如果要求热平衡稳定在10%以内，选用的仪表精度等级应优于1%级别。
4. 结论
热管在民用太阳能热水系统中使用的优势，已经成为行业的共识，而热管本身的性能对于太阳能热水器的重要性也是众所周知的。本文在针对目前太阳能行业中使用热管进行调查分析基础上，指出了评价家用太阳能热水系统用热管性能评价的4个方面：传热性能、寿命、安全性和温度兼容性。并着重介绍了热管传热性能检测方法，并根据目前技术水平，提出了具有一定前瞻性的评价指标，为热管生产厂家提出了改进的方向，同时也为使用厂家提供了比较热管优劣的指标。
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