振蕩熱管傳熱性能與工質物性關系分析

崔曉鈺，于 洋，朱 悅，李治華，孫慎德，韓 華

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海 200093）

振蕩熱管是一種新興高效傳熱元件，其導熱能力是現有金屬材料的數十倍，在電子設備散熱領域具有應用前景。影響振蕩熱管傳熱性能的因素很多，如工質、管材、結構參數、操作參數等。工質對振蕩熱管傳熱性能的影響由其物性決定，包括沸點、比熱容、汽化潛熱、動力黏度、密度、飽和狀態(tài)下壓力隨溫度的變化率(dp/dT)sat、傳熱系數、表面張力等。物性影響與操作參數如充注率、加熱冷卻條件等亦直接關聯(lián)，較為復雜。現有文獻就該方面涉及不多，如Rittidech等[1]認為振蕩熱管主要依靠工質顯熱傳熱，比熱容是關鍵物性參數，汽液栓的振蕩特性與汽化潛熱大小有關。Schneider等[2]認為具有最佳汽化潛熱值的工質可使振蕩熱管傳熱性能最優(yōu)。汽化潛熱太小，氣泡生成得多而快，蒸發(fā)段全部為氣體，將導致傳熱惡化；反之，氣泡生成少而慢，壓力脈沖小，影響振蕩頻率和幅度。若(dp/dT)sat較大，小溫差即可引起大的壓力波動，振蕩效果好。Charoensawan等[3]的研究采用水、乙醇和R123三種工質，發(fā)現充注水的振蕩熱管內徑為2.0 mm時熱阻最小，內徑為1.1 mm時熱阻最大。曲偉等[4]對以水為工質的回路振蕩熱管進行穩(wěn)態(tài)機制研究，認為大功率穩(wěn)態(tài)運行時，顯熱傳熱量占總傳熱量的比例遠超過潛熱傳熱量，汽化潛熱對運動的驅動力、循環(huán)流動速度和溫度振蕩程度作用關鍵。Zhang等[5]對FC72、水、乙醇3種工質回路振蕩熱管的熱力振蕩特性進行研究，認為振蕩周期主要與汽化潛熱有關，而振蕩幅度取決于表面張力大小。2009年Song等[6]實驗比較了FC72、去離子水振蕩熱管在不同加熱功率、充注率、管彎轉數、傾斜角下的振蕩和傳熱特性。Faghri等[7-9]認為比熱不同造成不同工質振蕩熱管傳熱性能不同，傳熱主要靠顯熱，振蕩特性主要受汽化潛熱值支配。Raffles等[10]對振蕩熱管進行理論模擬，結果顯示當流動中有氣泡產生時，顯熱傳熱量占總傳熱量74%，沒有氣泡產生時，顯熱傳熱量占95%。胡建軍等[11]對汞-水混合工質振蕩熱管進行實驗，證明了汞的摻入能夠有效輔助振蕩熱管的微傾角起振。林梓榮等[12]實驗發(fā)現功能熱流體（微膠囊流體、氧化鋁納米流體）能起到強化振蕩熱管熱輸送能力的作用。綜合分析文獻，目前工質物性對振蕩熱管流動與傳熱性能的作用認識不全面，亦無深入探討。

本文將去離子水、甲醇、乙醇、丙酮分別充注至一閉合回路振蕩熱管內，測定了每種工質不同充注率、不同加熱功率下蒸發(fā)段、冷凝段的溫度振蕩特性，計算得到熱阻值。根據溫度振蕩和熱阻特性梳理并分析了工質物性對振蕩熱管傳熱性能的影響。這些工作有助于對振蕩熱管在不同情況下的傳熱機理和工作特性的理解，對建立振蕩熱管理論模型亦有一定幫助。

1 實驗系統(tǒng)及數據處理

圖1 振蕩熱管試驗臺系統(tǒng)圖

實驗裝置如圖1所示，主要有以下幾部分組成：振蕩熱管試件、抽真空及充液部分、加熱和冷卻裝置、數據采集系統(tǒng)。振蕩熱管試件如圖2所示，試件豎直放置。下部蒸發(fā)段管段外均勻纏繞電加熱絲，由可調直流穩(wěn)壓電源供電，蒸發(fā)段置于封閉的有機玻璃腔體保溫層內。上部冷凝段置于長方形截面倒吸式風道中部，風道尾部為變頻調速軸流風機，設定流過試件的迎面風速為1.5 m/s，風速采用QDF-3型熱球風速儀測量，量程為0.05～10 m/s，測量誤差≤5%。風道入口采用雙紐線曲面喇叭口。實際應用中空氣量大、掠過振蕩熱管前后空氣溫差較小，此側熱量計算不確定度大，因此系統(tǒng)熱平衡依據測算蒸發(fā)段向環(huán)境散熱來計算。

圖2 振蕩熱管試件尺寸及熱電偶分布（單位：mm）

振蕩熱管尺寸和熱電偶測點的布置見圖2。試件由紫銅毛細管蛇形彎曲而成，垂直方向共10根平行管，管內徑2.0 mm，外徑4.0 mm。上部冷凝段上方有一段水平橫管連接最外側兩管，使得振蕩熱管首尾聯(lián)通，成為閉合回路。振蕩熱管自下而上分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，長度分別為80 mm、20 mm、80 mm，相鄰管中心距為20 mm。測溫采用標定精度為±0.1℃的T形熱電偶，共20只，其中6只布置在冷凝段頂部彎道處，編號1～6；5只布置在蒸發(fā)段彎道處，編號7～11；8只布置在兩根中間管不同位置，編號12-19。1只測蒸發(fā)段保溫層外壁溫度，編號20，通過這點溫度測算蒸發(fā)段向環(huán)境的散熱，估算熱平衡。如：當充注62%去離子水、加熱功率100 W時，測量保溫層外壁面向環(huán)境散失的熱量為實際加熱量的2.8%，即此時熱平衡誤差為2.8%。根據實驗數據測算實驗工況熱平衡誤差都沒有超過4.0%。

振蕩熱管的傳熱量Q由電加熱絲兩端的電壓和電流值相乘得到，根據量程和精度計算得到加熱功率相對不確定度為0.71%。蒸發(fā)端和冷凝端的平均溫度Te、Tc可由振蕩熱管穩(wěn)定運行時相應測點的時均值確定。振蕩熱管的熱阻由式（1）計算得到。

實驗時最小加熱功率為5 W，測得蒸發(fā)冷凝段最小溫差為9.5℃，熱阻的最大相對不確定度為3.1%。

振蕩熱管中分別充入去離子水、甲醇、乙醇和丙酮4種純工質，充液率為20%、35%、45%、55%、62%、70%、90%、95%。實驗時，由低到高調節(jié)加熱功率，依次為5 W、10 W、15 W、20 W、35 W、50 W、65 W、80 W、100 W，每調一次，待工況穩(wěn)定后，記錄各測點溫度和加熱功率，計算該工況下的熱阻值。

表1列出了20℃下4種不同工質的主要熱物理性質[13]。

對不同的工質都做了多次試驗進行重復性驗證。對于小充液率或小加熱功率，重復性比較差。這是由于工質初始充入振蕩熱管時，液栓和氣栓分布具有隨機性[14]，充液率越小，相對分布越不均勻。充液比較少或者加熱功率小使得工質沒有能夠形成跨越各平行管的振蕩循環(huán)流動，初始的工質分布不均勻造成平行各管運行狀態(tài)差別明顯。充液較多時，工質分布相對均勻，在小加熱功率下各平行管運行形態(tài)仍有差別，重復性試驗變化趨勢一致，試驗數據有差異，在較大加熱功率下，工質形成跨越各平行管的振蕩循環(huán)流動，兩次試驗熱阻一致性很好。

2 不同工質振蕩熱管的運行特征

充液率為62%～90%之間，隨加熱功率增大，不同工質振蕩熱管運行及溫度振蕩特性具有代表性。圖3～圖6為充液率62%的去離子水、甲醇、乙醇、丙酮振蕩熱管的試驗過程溫度測點記錄。試驗時，持續(xù)記錄測點溫度數據，據此判斷狀態(tài)達到穩(wěn)定后，逐漸增大加熱功率。取蒸發(fā)段測點8（標記為T8）、取冷凝段測點3（標記為T3）為代表來分析溫度動態(tài)變化特性。由圖3去離子水振蕩熱管的溫度變化特征可見，隨著加熱功率的增大，蒸發(fā)段、冷凝段壁面溫度依次經歷不振蕩、幅度較大的小頻率振蕩、幅度小的大頻率振蕩過程。其余工質振蕩熱管溫度變化特征規(guī)律相似。

圖3 不同加熱功率下去離子水振蕩熱管的蒸發(fā)段、冷凝段溫度變化特征（FR=62%）

表1 標準大氣壓下不同工質的熱物性

圖4 不同加熱功率下乙醇振蕩熱管的蒸發(fā)段、冷凝段溫度變化特征（FR=62%）

圖5 不同加熱功率下甲醇振蕩熱管的蒸發(fā)段、冷凝段溫度變化特征（FR=62%）

圖6 不同加熱功率下丙酮振蕩熱管的蒸發(fā)段、冷凝段溫度變化特征（FR=62%）

2.1 啟動振蕩與黏性、汽化潛熱

觀察圖3～圖6中啟動溫度振蕩時不同工質振蕩熱管蒸發(fā)段的加熱功率可以看到，充注丙酮時啟動振蕩的加熱功率最小，為10 W，其次為甲醇和去離子水，為20 W，而乙醇最大。

對比物性分析，丙酮的液態(tài)密度、比熱容、表面張力和甲醇、乙醇相近，導熱系數與乙醇接近。(dp/dT)sat比甲醇、乙醇略小。從液塞受力來看，液塞受壓力、剪切力和重力共同作用，其中液塞兩端壓力可以表達成(dp/dT)sat函數。(dp/dT)sat越大越容易克服剪切力及重力產生向上運動。因此造成丙酮啟動振蕩加熱功率小于其它工質的原因不在于以上這些物性因素，可能是由于丙酮沸點低、汽化潛熱小、動力黏度小。如果工質沸點低、汽化潛熱小，那么加熱產生氣泡所需加熱功率就小或者同樣的加熱功率下過熱度更大、氣化過程更激烈，易于推動液栓運動。但當比較圖3與圖4去離子水與乙醇啟動振蕩情況時，卻可以看到在(dp/dT)sat較小、沸點高、汽化潛熱大的不利條件下，去離子水先于乙醇啟動振蕩，說明沸點、汽化潛熱不能完全決定啟動振蕩時加熱功率的大小。比較圖3～圖6可以看到，不同工質啟動振蕩的加熱功率與工質動力黏度大小相反，動力黏度小使得黏性剪切力減小、運動阻力減小，因此，動力黏度在振蕩熱管啟動振蕩時是一個關鍵物性因素。

比較圖3～圖6還發(fā)現，振蕩啟動時水與甲醇振蕩熱管蒸發(fā)段溫度明顯下降，而乙醇與丙酮卻沒有這種現象，比較水、甲醇異于乙醇、丙酮的共性，可排除其它物性作用，應該與汽化潛熱有關。

2.2 振蕩特性與黏性

比較圖3～圖6，在一定的加熱功率下，達到穩(wěn)定振蕩時，蒸發(fā)段溫度的升高對應此時冷凝段溫度的下降，兩段溫度基本是反相位，說明這個過程測點處工質僵持不動，蒸發(fā)段工質持續(xù)受熱生成氣泡或者氣泡、氣栓長大，冷凝段氣泡或氣栓被冷卻而縮小，如此受熱受冷后壓力不平衡加劇，最后由壓差推動蒸發(fā)段某處工質突然運動，連帶管內工質一同動作，蒸發(fā)段溫度下降，冷凝段溫度即刻上升。

在加熱功率為35 W時，相比乙醇、去離子水，丙酮、甲醇振蕩熱管測點溫度振蕩頻率高、幅度小。這種現象表明：丙酮、甲醇工質不是以上下徘徊運動為主，而是同時具有主體定向循環(huán)流動，蒸發(fā)段氣泡、氣栓才生長就被流體裹挾走；該兩種工質無需長時間持續(xù)受熱及冷卻即可積聚運動所需壓差。表明振蕩頻率高、幅度小的工質流速較快，與可視化試驗結果相吻合[14-16]。比較物性發(fā)現，丙酮、甲醇相較乙醇和去離子水明顯沸點低、動力黏度小。其中沸點影響從圖3和圖4可分析，比較去離子水和乙醇在35 W加熱功率下的溫度振蕩特性發(fā)現乙醇振蕩熱管測點溫度振蕩頻率小、幅度大，說明去離子水流動速度快。相比乙醇，去離子水沸點高、汽化潛熱大、動力黏度小，沸點低和汽化潛熱小的乙醇流動速度不及去離子水，同樣沸點低和汽化潛熱小的甲醇、丙酮流動速度卻高于去離子水，可見此種工況動力黏度對流動速度起決定性影響。

分析圖3～圖6，當加熱功率增大到50 W、65 W、80 W時，輸入熱量增大使振蕩流動加快，慣性力作用增大、黏性力作用減小，不同工質振蕩熱管溫度振蕩頻率和幅度差別漸漸縮小。

2.3 燒干特性與汽化潛熱

從圖3～圖6溫度振蕩特性可見，在62%充注率時，汽化潛熱偏小的兩種工質丙酮和乙醇在加熱到100 W時蒸發(fā)段溫度發(fā)生多次明顯地大幅度向上振蕩，并且振蕩頻率變小。說明蒸發(fā)段發(fā)生局部短暫急劇過熱，而甲醇和去離子水振蕩熱管沒有出現這種現象。振蕩熱管啟動振蕩流動后，隨加熱功率增加，工質流動狀態(tài)經歷汽液塞上下徘徊、汽液塞彈狀振蕩循環(huán)流、氣液兩相環(huán)狀循環(huán)流[16]。無論哪種流動形態(tài)，蒸發(fā)段來流液體的量一直是不穩(wěn)定的。加熱到100 W時，流動處于氣液兩相環(huán)狀流態(tài)，來流液體為緊貼管壁的一層液膜，由于丙酮、乙醇汽化潛熱比較甲醇和去離子水明顯小，蒸發(fā)段加熱熱流間或會大于丙酮、乙醇液膜氣化所需的熱量，造成蒸發(fā)段局部短暫的干涸，溫度大幅升高?？梢?，同樣充液率下汽化潛熱小的工質更易燒干，汽化潛熱大的工質發(fā)生燒干加熱功率較大。

3 不同純工質振蕩熱管的蒸發(fā)段溫度與熱阻

圖7所示為充液率為55%、62%、70%、90%、95%時，不同純工質振蕩熱管的蒸發(fā)端平均溫度和熱阻隨加熱功率變化的規(guī)律。

3.1 不同充液率情況比較

充液率55%時，加熱功率從35 W增至50 W時，不同工質振蕩熱管蒸發(fā)段溫度平緩上升，熱阻明顯降低。當加熱功率達到65 W，除去離子水外，其余工質振蕩熱管蒸發(fā)段溫度上升顯著，熱阻明顯上揚。相比去離子水，同樣的充液率下其它工質產生的蒸干是因為工質沸點及汽化潛熱都比去離子水低，其中丙酮沸點及汽化潛熱最低，蒸發(fā)段出現蒸干狀態(tài)管段多、持續(xù)時間長，局部壁溫過熱嚴重。甲醇沸點僅次于丙酮，局部壁溫過熱亦較嚴重，熱阻次高。去離子水振蕩熱管熱阻在65 W之后還將隨加熱功率增大維持低水平。

從圖7中62%～95%充液率試驗結果來看，不同純工質隨加熱功率增大蒸發(fā)段溫度持續(xù)升高，熱阻持續(xù)減小。在35 W～50 W區(qū)間熱阻減小最快，50～60 W減小趨勢減緩，60 W之后變化平穩(wěn)。依第2.2節(jié)分析可知，不同工質在35 W時溫度振蕩振幅大、周期長，振蕩流動速度較慢，熱阻相對較大。加熱功率增大后，蒸發(fā)段溫度升高，流動速度加快，振蕩幅度及周期減小，傳熱過程增強，熱阻即明顯減小。當加熱功率繼續(xù)增大時，流動速度進一步加快，而流速加快的增強換熱效果卻不及振蕩流動啟動及流動加速初期，因而熱阻減小平緩。

3.2 不同工質情況比較

圖7(c)～7(f)顯示，充液55%以上、加熱功率65 W之下，丙酮振蕩熱管蒸發(fā)段溫度一般比較低，熱阻較小。丙酮沸點低，動力黏度小，在該工況范圍相對流動速度最快，傳熱性能最佳。當加熱功率增大至80 W后，相對其它工質，丙酮振蕩熱管蒸發(fā)段溫度上升較快，熱阻變大，因為此階段不同工質流動速度都比較快，工質輸運能量能力——汽化潛熱和比熱容對換熱作用明顯，而丙酮此二物性明顯低于其它工質。

圖7中，除圖7(b)55%充液率、65 W加熱功率的燒干工況，乙醇振蕩熱管的熱阻略高一些。從物性數據及振蕩特性來分析，一是因為乙醇的動力黏度最大，造成流動阻力偏大，流動情況不換熱；另一方面乙醇汽化潛熱、液態(tài)比熱容值都不很理想，工質攜帶能量的能力也不好。

比較丙酮與乙醇振蕩熱管熱阻變化趨勢：加熱功率在50 W之前丙酮由于黏度小、流動快，其振蕩熱管熱阻明顯小于乙醇；加熱功率從50～100 W時，不同工質流動速度都提高，此時黏性作用減小，汽化潛熱、比熱容作用增強，而丙酮和乙醇液體比熱接近、汽化潛熱比乙醇小，此階段丙酮振蕩熱管的熱阻與乙醇差距越來越小。

再比較丙酮與甲醇振蕩熱管的情況：甲醇汽化潛熱比丙酮大近一倍，液態(tài)比熱略大約5%，動力黏度大一倍左右。大加熱功率下，丙酮動力黏度小的優(yōu)勢漸失情況下，甲醇相比丙酮熱阻小，也與甲醇汽化潛熱大有關。

在充液較多時，甲醇由于密度小、動力黏度小，汽化潛熱又比乙醇和丙酮大，所以在大加熱功率下性能最好，見圖7(b)、7(k)。因此甲醇振蕩熱管在高充液率、大功率時性能表現最好。

圖7 不同工質在各充液率下蒸發(fā)段平均溫度及熱阻隨加熱功率的變化

圖7中去離子水相較其它工質液態(tài)比熱、汽化潛熱明顯高，工質攜帶能量的能力優(yōu)勢突出，大多情況下使其振蕩熱管傳熱性能較好。特例有二：一是在加熱功率小不足以啟動振蕩時，如圖5中加熱功率小于20 W；二為過大充注率時，如圖7(i)、7(k)充液率達到95%。原因是去離子水沸點高、汽化潛熱大，(dp/dT)sat比較小，動力黏度、密度也比較大，使其小加熱功率不容易產生氣泡、壓差也比較小、流動阻力大，較甲醇、丙酮難以啟動振蕩。當充液多達95%時，去離子水密度大，質量重，黏度偏大，造成較大流動阻力，流速不及其它工質，熱阻偏大，蒸發(fā)段溫度相對較高。

可見，采用何種工質及充液多少需結合工況具體分析。單從發(fā)揮熱阻優(yōu)勢看，使用丙酮充液應適當多（60%～80%），加熱功率不宜太大。使用甲醇充液應當多（大于80%），加熱功率可大。使用去離子水充液應適當少（55%～70%），加熱功率可大。

3.3 不同工質不同充液率熱阻差異

圖8 不同充液率隨加熱功率變化的熱阻變化規(guī)律

從圖7來看，加熱功率增至80 W后，流速加快，不同工質振蕩熱管熱阻相差較小，說明達到快速穩(wěn)定的循環(huán)振蕩流動狀態(tài)時，熱物性不同造成振蕩熱管傳熱性能差異有限。

將同一工質不同充液率隨加熱功率變化的熱阻變化規(guī)律放在同一張圖上（圖8）比較發(fā)現，只要不是充液率小造成燒干情況（充液率≥55%），不同充液率在加熱功率增加至一定水平后振蕩熱管熱阻相差很小，說明達到快速穩(wěn)定的循環(huán)振蕩流動狀態(tài)時，充液率不同造成振蕩熱管傳熱性能差異亦有限。

因此，無論何種工質、充液多少，達到快速穩(wěn)定的循環(huán)振蕩流動狀態(tài)時，熱阻均趨向一個大致相當的數值?？梢酝茢?，此時決定振蕩熱管熱阻大小的，既不是工質物性，也不是工質充注率，而可能是振蕩熱管本身的材質及結構參數決定了工質相變流動存在極限速度，工質物性與其極限速度綜合作用的效果趨同，即熱阻趨同，是一個不能突破的傳熱極限。

4 結論

進行了去離子水、甲醇、乙醇和丙酮4種純工質振蕩熱管在不同加熱功率和充注率時的實驗研究。通過蒸發(fā)段、冷凝段溫度振蕩特性、不同工質不同充液率熱阻比較，分析了工質物性對振蕩流動、溫度振蕩特性及傳熱性能的影響，得到以下結論。

（1）啟動振蕩以及振蕩流動速度較小時，傳熱性能取決于流動狀況，動力黏度小的工質流速快，熱阻較小。隨加熱功率逐漸增大，不同工質振蕩熱管內工質流速均增大，溫度振蕩頻率和幅度差別逐漸縮小，黏性影響漸弱，而工質輸運能量能力即汽化潛熱及比熱容作用逐漸明顯。加熱功率達到在一定程度后，比熱容及汽化潛熱大的工質振蕩熱管傳熱性能略好。

（2）對于振蕩熱管，在同樣的小充液率下，充注汽化潛熱小的工質容易燒干，而充注汽化潛熱大的工質燒干會延遲。

（3）在充液適當、不出現燒干且加熱功率較大時，振蕩熱管內工質達到快速穩(wěn)定的循環(huán)振蕩流動狀態(tài)。此時盡管工質不同、充液率亦不同、熱阻相差均不大，說明此時物性及充液不同造成傳熱性能差異不大，即決定振蕩熱管熱阻的關鍵因素可能不是工質，而是振蕩熱管材質及結構參數。據此推測，振蕩熱管本身的材質及結構參數決定了工質相變流動存在極限速度，工質物性與其極限速度綜合作用的效果趨同，即熱阻趨同，是一個不能突破的傳熱極限。

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