兩相閉式熱虹吸管啟動性能試驗研究

■ 焦青太 馮偉杰 王春景 陶漢中

一 引言

兩相閉式熱虹吸管(以下簡稱熱管)是一種簡單且高效的傳熱元件。在實際應(yīng)用中，熱管呈現(xiàn)大長徑比特征。在大熱流密度工況下，如果啟動時間過長，熱管蒸發(fā)段表面溫度升高甚至可以超過設(shè)計值，即使其在穩(wěn)態(tài)下可以正常和穩(wěn)定的工作。

啟動是指熱管從初始狀態(tài)(一般為環(huán)境溫度)變化到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，存在兩種啟動滯后現(xiàn)象：(1)熱管從蒸發(fā)段到冷凝段軸向溫度傳遞速度很慢，尤其體現(xiàn)在熱管冷凝端的表面溫度；(2)部分蒸發(fā)段溫度高于其他軸向位置，局部溫度梯度升高。

有很多關(guān)于熱管穩(wěn)態(tài)運行性能的研究，但關(guān)于熱管啟動性能的研究相當有限，D. Ge 等研究了以R-11為工作介質(zhì)的回路熱管，結(jié)果顯示：當初始穩(wěn)態(tài)低于50℃，至少需要16 ℃～17 ℃的溫差才可以啟動熱管，且在穩(wěn)定運行后僅有4℃的溫差。H. Li對分別以水、R-11、 R-12為工作介質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管進行了試驗研究，找出其分別的最小啟動溫差。K. S. Ong 等和H. Li 等認為啟動的滯后是由于過大的加熱梯度引起了沸騰極限。

本文對大長徑比的兩相閉式熱虹吸管進行了啟動試驗研究以確定啟動特征參數(shù)，分析啟動滯后現(xiàn)象以及熱管啟動過程中的溫度變化。

二 檢測設(shè)備和程序

檢測設(shè)備見圖1，熱管的蒸發(fā)段采用循環(huán)水加熱，入口溫度為70℃±1℃，進出口溫差控制在1.5℃以內(nèi)，以確保蒸發(fā)段滿足第一類邊界的等溫條件。進出口水溫均采用高精度水銀溫度計測量(±0.01℃)。

熱管溫度采用0.2mm外徑的K型熱電偶(鎳鉻－鎳硅）測量，布置方式如圖1所示。初始狀態(tài)時，18組熱電偶的最大溫差小于1℃，測量結(jié)果采用帶自動溫度補償?shù)腍P34970A數(shù)據(jù)記錄儀記錄。

表1 試驗用熱虹吸管的充液量（g）

檢測的29根試驗熱管均為：長1800mm，外徑10mm，壁厚0.7mm，管殼選用無氧銅，工作介質(zhì)為純水，管材需要經(jīng)過除氣、去油處理以確保熱管質(zhì)量。

熱管蒸發(fā)段長度為550mm，上部1250mm的冷凝段在30℃室內(nèi)溫度下自然對流冷卻。

試驗用熱管的充液量如表1所示，在13#和25#熱管的蒸發(fā)段內(nèi)壁面，作為表面強化，分別放置了10cm和50cm 的250目不銹鋼絲網(wǎng)。在13#熱管內(nèi)，絲網(wǎng)完全浸潤在工作介質(zhì)內(nèi)；而25#熱管，在熱管工作前絲網(wǎng)超過工作介質(zhì)的高度。在16#熱管內(nèi)放置了5顆瓷珠，在27#熱管內(nèi)放置了2 g(大約200～300顆)瓷珠。

檢測過程中，熱管從30℃的室內(nèi)溫度被迅速放入循環(huán)熱水，且不接觸循環(huán)器底部。

三 結(jié)果和討論

不同充液量、初始狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱管，在啟動過程中存在不同情況。充液量對于熱管的啟動參數(shù)和軸向溫度分布有顯著影響。

對于充液量為2.14ml的6#熱管，啟動性能在所有試驗熱管中表現(xiàn)最好，沒有熱管啟動滯后和蒸干現(xiàn)象，啟動時間少于35s，在整個啟動過程中沒有噪音和溫度波動。

當充液量少于2.14ml(例如7#、14#、21#)，雖然啟動時間少于35s，冷凝段等溫也很快，但當熱管穩(wěn)定工作時，蒸發(fā)段端蓋附近的溫度T1高于T2和T3。如圖 2 所示(7#熱管)，因為工作液體的缺失，存在一個溫差波動，該點干涸了。

隨著熱管充液量的增加，發(fā)生了啟動滯后現(xiàn)象，圖 3 為充液量2.66ml的22#熱管的啟動曲線。

熱管冷凝段末端達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間超過120s，冷凝段全段溫差在啟動過程中的前15s比較小，冷凝端溫度(T7～ T18)線性上升到45℃，但在隨后超過100s的時間里，溫度上升緩慢，溫度時間關(guān)系呈現(xiàn)凸曲線。

隨著熱管充液量的進一步增加，啟動時間增加不多。當充液量超過10ml ，啟動滯后類型的溫度時間曲線變?yōu)榘记€。

一支大充液量的熱管(2#)被長時間靜置后的啟動曲線如圖 4所示。

在熱管啟動過程中，40s時熱管發(fā)出兩次響亮的震蕩撞擊聲，隨后熱管冷凝段溫度快速上升，撞擊是由于液態(tài)工作介質(zhì)被攜帶到冷凝段端蓋，并撞擊端蓋。氣泡在液池深部產(chǎn)生，并逐漸長大，當氣泡的直徑達到內(nèi)壁，在氣泡上方的液態(tài)工作介質(zhì)被從蒸發(fā)段底部液池分割出來，由于氣泡上方液態(tài)的沖刷效應(yīng)，薄膜蒸發(fā)使得氣泡快速長大。受到限制的蒸汽泡推動一段液柱到達冷凝段端蓋，并發(fā)生撞擊。在液柱上升過程中，蒸發(fā)段內(nèi)壁面也同時被潤濕，在氣化核心的蒸汽快速增長，很多蒸汽到達冷凝段散失熱量，導(dǎo)致冷凝段溫度快速增長。

圖 5 為在液池內(nèi)另一種類型的氣泡生成導(dǎo)致冷端段溫度波動，就像一支殘有不凝性氣體熱管的啟動過程。但這種啟動過程與帶有不凝性氣體熱管的區(qū)別在于在穩(wěn)態(tài)時冷凝端的等溫特性。

這種現(xiàn)象是因為被受迫蒸汽氣泡抬升的液柱太小而不足以潤濕全部熱管內(nèi)壁面，氣泡在一些局部破裂并釋放出蒸汽。氣泡生成和破裂引起冷凝段溫度上升，而在啟動過程中，不穩(wěn)定的蒸汽流動又引起冷端段的溫度波動。然而，對于含有不凝性氣體的熱管，其冷凝段的溫度波動完全是由于不確定的擴散和對流過程。

對于在啟動過程中強化方式的影響，本文對2種熱管做了4次測試。第一種類型是250目單層不銹鋼絲網(wǎng)，長度分別為10cm和50cm，絲網(wǎng)主要是通過強化傳熱表面而非作為吸液芯提供毛細泵抽力。對于兩個高度的強化方式，啟動性能都表現(xiàn)優(yōu)異。對于50cm高的絲網(wǎng)，其超過了液池的高度，相變傳熱的面積擴大了，這是因為絲網(wǎng)吸收了液態(tài)工作介質(zhì)而使得液池高度上升所致。初始相變換熱增加的面積加速了蒸汽的生成，以及熱管的氣液平衡，熱管啟動性能得到了改善。

對于高度為10cm、全部浸潤在液池中的絲網(wǎng)，相變傳熱的面積沒有擴大，然而蒸發(fā)段的內(nèi)表面增大了，為沸騰傳熱提供了強化作用。在小的過熱情況下，有很多氣泡在強化表面生成，相變傳熱類型從主要是蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)和沸騰傳熱的復(fù)合，實際的相變傳熱面積增加，啟動過程變得迅速而平穩(wěn)。

對于在熱管內(nèi)放置瓷珠的強化啟動性能方法，本文做了兩例測試，分別為5顆瓷珠和2 g 瓷珠(大約200～300顆)兩種情況。5顆瓷珠的存在對于啟動性能沒有影響，啟動滯后現(xiàn)象同樣發(fā)生在有5顆瓷珠的熱管中；對于放置2 g瓷珠的熱管，啟動滯后現(xiàn)象同樣一遍遍的出現(xiàn)在啟動試驗的檢測中，并且，帶有2g 瓷珠的熱管在兩天檢測之后甚至已經(jīng)無法工作。

從以上現(xiàn)象中可以看出：低熱導(dǎo)率工作介質(zhì)對于密度大于水的多孔瓷珠，在液池發(fā)生非均勻沸騰，對于內(nèi)壁面和液池的強化傳熱影響有限，一些被忽視的影響甚至使熱管失效，有大量的空氣存在瓷珠中間，想用水或者蒸汽來取代它是很困難的，所以一定數(shù)量瓷珠的使用會縮短熱管的壽命。

四 結(jié)論

針對銅水兩相閉式熱虹吸管垂直方向的啟動性能試驗的主要結(jié)論如下：

1.相較那些測試前靜置很長時間的熱管，通過反轉(zhuǎn)或者抖動啟動時間會變短。

2.在小充液量情況下，存在一個小范圍的充液量可以確保熱管快速啟動。

3.對于大充液量的熱管出現(xiàn)啟動滯后現(xiàn)象，且啟動滯后的類型多樣。

4.在熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁面布置絲網(wǎng)可以加速熱管啟動過程，在熱管內(nèi)加入瓷珠對于熱管啟動性能的提高沒有幫助。