脈動熱管可視化實驗前期難點問題研究

劉玉東 周躍國 周小三

(重慶大學(xué)動力工程學(xué)院 重慶 400030)

熱管作為一種高效傳熱元件，其相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)是銅的幾十倍、甚至幾百倍，故有超導(dǎo)熱體之稱。在無外加動力的情況下它借助管內(nèi)工質(zhì)的相變來實現(xiàn)巨大熱量的遠(yuǎn)距離傳輸。熱管具有其它傳熱技術(shù)所不具備的許多優(yōu)點：卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等。因此，熱管技術(shù)已經(jīng)在越來越廣闊的領(lǐng)域取得卓有成效的應(yīng)用。我國熱管技術(shù)在化工、建材、冶金、動力工程、生物工程、航空、航天等方面的應(yīng)用處于國際領(lǐng)先地位。在制冷空調(diào)行業(yè)由于冷熱流體間的溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，使之成為實現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗、高效率、冷熱源多樣性、走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)之一，在實現(xiàn)人與自然的和諧相處和可持續(xù)發(fā)展方面，具有廣闊的發(fā)展前景。

脈動熱管(pulsating heat pipe簡稱PHP)作為熱管家族的新成員，它誕生于二十世紀(jì)九十年代，最早由日本人Akachi[1]發(fā)明。其結(jié)構(gòu)和工作原理與常規(guī)熱管有很大的不同。它有兩種最基本的結(jié)構(gòu)：回路型和開路型，如圖1所示。

其中帶單向閥的閉合回路型脈動熱管可以有效控制工質(zhì)的流動方向和改善傳熱特性，但是由于熱管制造的微型化使得在管路上添加一個或多個單向閥的目標(biāo)變得難以實現(xiàn)，因此從實際應(yīng)用角度來看沒有閥門的閉合回路型脈動熱管更具競爭優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)熱管不同，脈動熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多學(xué)科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)。脈動熱管的工作原理是：首先將毛細(xì)管抽真空并充入部分工質(zhì)，由于管徑細(xì)小，在表面張力的作用下工質(zhì)會以氣液柱的形式隨機(jī)分布在管內(nèi)；當(dāng)在加熱端施加足夠的熱量后，內(nèi)部工質(zhì)會出現(xiàn)沸騰和膨脹，氣液柱在壓差的推動下從加熱段流向冷凝段，氣柱在冷凝段遇冷收縮破裂、釋放熱量之后，在重力的作用下連同到達(dá)冷凝端的液柱返回至加熱段從而實現(xiàn)熱量的傳遞。

圖1 脈動熱管基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic forms of pulsating heat pipes

脈動熱管與傳統(tǒng)熱管相比具有如下顯著優(yōu)點：1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。管徑細(xì)小及微電子元器件對冷卻器的要求共同決定了脈動熱管的整體尺寸?。粌?nèi)部沒有毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，有利于降低熱管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本；沒有其它機(jī)械運動部件，因而運行平穩(wěn)、維護(hù)費用低。2)傳熱性能優(yōu)良。除通過相變傳熱外，脈動熱管還通過氣液柱的振蕩傳遞顯熱并將熱量轉(zhuǎn)化為振蕩所需要的功。3)適應(yīng)性好。脈動熱管的形狀可以任意彎曲，可以有多個加熱段和冷凝段，而且加熱和冷凝的部位可以隨意選取，可以在任意傾斜角度和加熱方式下工作。

脈動熱管除了應(yīng)用于電子元器件的散熱[2]外，還在改善材料的性能、地板采暖[3]、 空調(diào)排風(fēng)預(yù)熱回收[4]等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。目前國內(nèi)已有很多關(guān)于脈動熱管可視化實驗研究的文章，然而這些文章主要將實驗結(jié)果作為重點分析的對象，很少針對實驗過程中遇到的問題進(jìn)行研究探討。這里特對脈動熱管可視化實驗過程中遇到的一些問題進(jìn)行了分析研究，對以后的研究者少走彎路有一定的意義。

圖2 脈動熱管結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The structure of pulsating heat pipes

1 脈動熱管的結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)用于實驗的脈動熱管有圖2(a)和(b)所示的幾種形式。

一些研究者[5-7]在脈動熱管上僅設(shè)置了充液口(即抽真空口)，采用了如圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)；而另一些研究者[8-13]不但在脈動熱管上部設(shè)置了充液口還設(shè)置了真空表接頭，采用了如圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)。在脈動熱管上部設(shè)置真空表不但可以讀取管內(nèi)的真空度而且可以檢驗整個裝置的氣密性，故從有利于實驗的角度來講，圖2(b)在結(jié)構(gòu)形式上要優(yōu)于圖2(a)，然而在按圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)加工成脈動熱管，在進(jìn)行充液測試時，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)并不會像想像的那樣從充液口進(jìn)入后順著脈動熱管的彎曲方向流動，而是大量聚集在充液接頭和真空表接頭下部及兩個接頭之間的水平管段中，之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為充液接口與真空表接口之間通過水平管段連接形成了連通器，造成充液時兩者的液面高度始終相同，使進(jìn)入下部平行毛細(xì)管內(nèi)的工質(zhì)極少；存在的另一個問題是更換充液率和工質(zhì)種類比較困難。因此，對脈動熱管進(jìn)行了如圖2(b)所示的改進(jìn)。即在充液接頭與壓力表接頭之間安裝磨口玻璃塞。充液時關(guān)閉玻璃塞使工質(zhì)順著管子彎曲方向流動，實驗開始后打開玻璃塞使工質(zhì)在管內(nèi)循環(huán)流動；更換工質(zhì)時將磨口玻璃塞拔出，利用空氣泵將管內(nèi)工質(zhì)從玻璃塞處泵出。Charoensawan[14]等人的研究表明一定數(shù)目的閥門可以提高脈動熱管的性能。雖然改進(jìn)后的脈動熱管能夠很好地實現(xiàn)工質(zhì)的充注和更換但也帶來了一些問題，一是添加閥門增加了系統(tǒng)泄漏的可能性，二是工質(zhì)仍然會在充液接頭及真空表接頭下方的豎直管段中聚集。前者可以通過提高密封性來解決，后者則要通過適當(dāng)減短充液接頭及真空表接頭下方的豎直管的高度來解決。

2 均勻充液實驗

脈動熱管管內(nèi)工質(zhì)的充注及氣液柱的形成依賴于脈動熱管的內(nèi)外壓力差、表面張力、重力等因素。王偉[15]指出，在脈動熱管內(nèi)充入部分工質(zhì)后立刻關(guān)閉閥門，過一段時間后再次打開閥門進(jìn)行充注(即不連續(xù)間隔充注工質(zhì))，這樣持續(xù)進(jìn)行直到滴定管中的工質(zhì)全部進(jìn)入銅管內(nèi)，可以實現(xiàn)工質(zhì)以氣液間隔的狀態(tài)均勻分布在管內(nèi)。通過多次的充液實驗，這里認(rèn)為這種做法存在兩個問題。一是工質(zhì)的充注靠犧牲真空度為代價，而管內(nèi)的真空度是有限的，另外閥門的開閉也不可能十分迅速，故在閥門打開的一瞬間，大部分工質(zhì)在迅速進(jìn)入管內(nèi)的同時管內(nèi)的真空度也將消耗殆盡；二是脈動熱管為銅管，即使進(jìn)行了局部可視化也不足以判斷是否實現(xiàn)了均勻充液。對均勻充液的實現(xiàn)進(jìn)行了多次反復(fù)實驗。圖3為抽真空及充液裝置圖。

圖3 抽真空及充液裝置Fig.3 The setup of pumping into a vacuum and fi lling working fl uids

具體的做法是：首先關(guān)閉閥門4并將真空泵接在閥門3上，然后打開閥門3，開啟真空泵對脈動熱管進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空表的讀數(shù)保持不變時，先關(guān)閉閥門3再停掉真空泵，抽真空結(jié)束；其次，用軟膠管將滴定管與閥門4相連，通過滴定管先向軟膠管內(nèi)充入一定量的工質(zhì)。充注完畢后，先用手指捏住軟管的中間，將內(nèi)部工質(zhì)一分為二，然后開啟閥門4，此時工質(zhì)不會進(jìn)入脈動熱管內(nèi)。隨后通過控制手指捏緊軟管的程度來使工質(zhì)在內(nèi)外壓差的作用下進(jìn)入管內(nèi)，當(dāng)工質(zhì)全部進(jìn)入管內(nèi)后，關(guān)閉閥門4，充液過程結(jié)束。雖然用手指代替閥門的通斷可以克服閥門開閉不靈活的缺陷，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)管內(nèi)工質(zhì)的分布并不均勻。這主要是因為工質(zhì)在管內(nèi)的受力不能夠人為控制。圖4為充液率為30%和45%時的汽液柱分布圖。

圖4 30%和45%充液率時的氣液柱分布Fig.4 The distribution of the vapor-liquid slugs in PHP when the fi lling rate is 30% and 45%

3 加熱、冷卻方式的選擇

在對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對脈動熱管傳熱性能實驗所采用的加熱和冷卻方式進(jìn)行了總結(jié)。常用的加熱方法有電加熱絲加熱[16-17]和恒溫?zé)崴〖訜醄12,18]兩種，前者屬于不均勻加熱而后者屬于均勻加熱，從增加系統(tǒng)的不平衡性以利于脈動熱管啟動運行的角度看電加熱絲加熱優(yōu)于恒溫水浴加熱。另外，這兩種加熱方式都存在加熱滯后性，但是電加熱絲加熱的滯后時間較恒溫?zé)崴〉囊?。冷凝端的冷卻方式主要有恒溫水浴冷卻[10,19]和強(qiáng)制對流冷卻[17-18]兩種。用恒溫水浴冷卻時，一般測量冷卻水槽的進(jìn)出口溫度及內(nèi)部溫度，以根據(jù)式(1)來計算總熱阻或根據(jù)式(2)來計算放熱量。

其中：R為脈動熱管的總熱阻，Te為蒸發(fā)段各測點溫度的平均值，Tc為冷凝段各測點溫度的平均值。Qe為扣除散熱損失后的加熱功率。

其中：Qc為冷卻段放熱量， 為冷卻水的密度，C為冷卻水的比熱容，L為冷卻水的體積流量，Tco冷卻水槽出口水溫，Tci為冷卻水槽進(jìn)口水溫。

當(dāng)用恒溫水浴對冷凝段進(jìn)行冷卻時，特別是在進(jìn)行可視化實驗時，多次測得的冷凝段平均溫度和冷卻水槽的進(jìn)出口溫度幾乎沒有明顯變化，由于Te的不斷升高和Tc的幾乎不變使得總熱阻R過大和Qc過小。這主要有三個原因：1)玻璃質(zhì)脈動熱管的傳熱系數(shù)較低；2)水的比熱容較大，升溫不明顯；3)為了對管內(nèi)工質(zhì)的流型和流向進(jìn)行可視化實驗，絕熱段沒有完全包裹起來，造成熱量損失達(dá)。這里在以恒溫?zé)崴『秃銣乩渌槔錈嵩捶謩e對加熱段進(jìn)行加熱和對冷凝段冷卻的情況下對脈動熱管的效率進(jìn)行了計算，結(jié)果表明，以甲醇為工質(zhì)時的最高效率僅有47%，以水為工質(zhì)時，最高效率僅為27%?？梢娂訜?、冷卻方式的選擇對最終的結(jié)果影響很大。

4 測溫點的布置及熱電偶的固定

國內(nèi)外的研究者[20-23]多用熱阻來對脈動熱管的傳熱性能進(jìn)行評價。熱阻計算離不開溫度的測量，這自然牽涉到熱電偶的使用。熱電偶的布置位置和固定方法應(yīng)綜合考慮管材和必要的測溫點兩個因素。當(dāng)脈動熱管為金屬材質(zhì)時，可以通過在壁面打孔然后放置熱電偶的方法來進(jìn)行測量；當(dāng)為玻璃質(zhì)管材時，由于玻璃易碎易折斷，因此最好采用熱電偶頂端貼壁來實現(xiàn)，而玻璃管壁面粗糙度較小，使得貼壁實施起來較為困難。實驗的做法是，首先將熱電偶前端折成一個半圓圈，然后將它卡在玻璃管外壁上，并使熱電偶前端測點頂在脈動熱管管壁上，最后在外部包裹密封固定材料。如圖5所示：

圖5 熱電偶布置方式Fig.5 The fi xed way of thermocouples

由于蒸發(fā)端與冷凝端各彎頭是蒸發(fā)過程和冷凝過程發(fā)生最為劇烈的場所；同時氣液柱在彎頭處受到離心力的作用會對壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，另外在此處布置熱電偶可以有效防止熱電偶的滑動，因此有必要在脈動熱管的彎頭處布置熱電偶。熱電偶布置完畢后，先用硅橡膠包裹密封，然后在硅橡膠的外部包裹玻璃棉和隔熱膜以減少熱電偶受外部環(huán)境的影響；同時為了增強(qiáng)系統(tǒng)的不平衡度以利于脈動熱管的啟動運行，各個彎頭上玻璃棉的厚度依次遞減。

脈動熱管可視化實驗大多采用透明玻璃管，以便對管內(nèi)的流型和流動情況進(jìn)行觀察。為了保證脈動熱管具有一定的強(qiáng)度，一般采用小內(nèi)徑、大外徑玻璃管，這樣若采用間接測量必然存在很大的測量誤差，因此有必要對已測得的溫度進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

對脈動熱管可視化實驗過程準(zhǔn)備中遇到的一些問題進(jìn)行了實驗研究并給出了具體的解決辦法。

1)在水平管段上加裝玻璃塞既可以使工質(zhì)按照玻璃管的彎曲方向進(jìn)行充注又可以方便地實現(xiàn)充液率和工質(zhì)種類的更換。

2)工質(zhì)靠犧牲管內(nèi)的真空度來進(jìn)入管內(nèi)，不能人為控制脈動熱管內(nèi)氣液柱的分布情況。

3)加熱冷卻方式的選擇對實驗結(jié)果有很大的影響。

4)有必要在彎頭處布置熱電偶，進(jìn)行溫度測量時應(yīng)進(jìn)行必要的修正以減少測量誤差。

(本文受重慶市科委自然科學(xué)基金(CSCD:2007BB 6191)、重慶大學(xué)博士啟動基金(0903005104992)項目資助。The project was supported by the Chongqing Natural Science Fundation (CSCD:2007BB6191) and Doctoral Startup Foundation of Chongqing University(0903005104992).)

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