以泡沫金屬為吸液芯的納米流體熱管傳熱性能試驗(yàn)研究

姚壽廣,程清芳,王公利,盛 冬， 蘆 笙

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

納米流體作為一種新的換熱工質(zhì),能夠顯著強(qiáng)化熱管的傳熱性能[1].但影響效果好壞的主要因素之一是吸液芯的選擇.泡沫金屬因?yàn)榫哂休^低的密度、較大的比表面積以及金屬骨架的熱導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn),用它作為熱管的吸液芯能夠提高熱管的傳熱能力,降低管壁溫差,同時(shí)能夠提供較大的毛細(xì)作用力[2].近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)泡沫金屬或納米流體強(qiáng)化傳熱的問(wèn)題做了很多研究[3-10],但是將兩者結(jié)合起來(lái)考慮的卻很少,尤其是將兩者結(jié)合應(yīng)用在熱管內(nèi)研究的幾乎沒(méi)有.文中選用泡沫金屬銅作為熱管吸液芯,以Al2O3納米流體及去離子水作為工質(zhì)分別加工成熱管,同時(shí)以Al2O3納米流體為工質(zhì)制備一傳統(tǒng)銅絲網(wǎng)吸液芯熱管,設(shè)計(jì)搭建了試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行了熱管的傳熱性能試驗(yàn),通過(guò)對(duì)比來(lái)對(duì)以納米流體為工質(zhì)、多孔泡沫金屬為吸液芯的熱管傳熱性能進(jìn)一步了解,為文中相關(guān)研究提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)裝置

圖1為試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖.試驗(yàn)中采用交流穩(wěn)壓電源控制加熱器的電流,以帶電熱棒的銅塊為熱源加熱熱管的蒸發(fā)段;絕熱段裝于保溫套內(nèi),盡量減少與環(huán)境的熱量傳遞;冷凝段外設(shè)有冷卻水套,冷卻水通過(guò)冷卻水套吸收冷凝段放出的熱量.本試驗(yàn)采用的熱管外殼由紫銅管加工而成,管外徑為12 mm,壁厚0.7 mm,總有效長(zhǎng)度為480 mm,蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段長(zhǎng)度分別為160,160,160 mm.選擇銅材的泡沫金屬和絲網(wǎng)作為熱管的吸液芯.泡沫金屬孔隙率為95%,孔密度為90 ppi;絲網(wǎng)吸液芯為雙層160目的銅絲網(wǎng).熱管工質(zhì)為Al2O3納米流體,納米流體質(zhì)量濃度為1.0%.試驗(yàn)加熱功率范圍為30～120 W.

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的熱電偶其測(cè)量最大偏差0.75%,達(dá)到試驗(yàn)精度要求.試驗(yàn)時(shí)熱管上總共布有8根熱電偶,熱電偶在熱管上的分布如圖2.熱電偶通過(guò)在管外壁打磨溝槽的方式將測(cè)溫頭填埋于管壁上,并用耐高溫膠紙加以固定,確保熱電偶測(cè)溫頭與管壁的緊密接觸,盡可能減小試驗(yàn)誤差.

圖2 熱電偶分布Fig.2 Location of thermocouples

試驗(yàn)從熱管的啟動(dòng)性能、等溫性、蒸發(fā)段換熱系數(shù)、冷凝段換熱系數(shù)、總熱阻等方面的對(duì)比分析來(lái)評(píng)價(jià)熱管的傳熱性能.文中定義加熱功率Q為電加熱功率減去蒸發(fā)段保溫層向環(huán)境的散熱功率,蒸發(fā)段換熱系數(shù)按式(1，2)計(jì)算.

(1)

Δte=Twe-Tv

(2)

式中:he為蒸發(fā)段換熱系數(shù)，W/(m2/℃)；Q為加熱功率(W);考慮管壁很薄,忽略管壁帶來(lái)的溫差；Δte為蒸發(fā)段管殼外表面與蒸氣之間的溫差(℃);Ae為蒸發(fā)段管殼內(nèi)表面積(m2);Twe為蒸發(fā)段管殼外表面平均溫度(℃);Tv為熱管工作溫度(℃),取絕熱段管殼外表面溫度的平均值.

冷凝段換熱系數(shù)按式(3，4)計(jì)算.

(3)

Δtc=Tv-Twc

(4)

式中:hc為冷凝段換熱系數(shù)(W/(m2/℃));Δtc為冷凝段管殼外表面與蒸氣之間的溫差(℃);Ac為冷凝段管殼內(nèi)表面積(m2);Twc為冷凝段管殼外表面平均溫度(℃).

熱管各熱阻分別按式(5,6,7)計(jì)算.

(5)

(6)

(7)

式中:Re為熱管蒸發(fā)段熱阻(℃/W);Rc為熱管冷凝段熱阻(℃/W);R為熱管總熱阻(℃/W).

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱管壁溫分布

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),熱管的壁面溫度分布受到多種因素的影響,除了與加熱功率、冷卻水條件有關(guān)外,熱管工質(zhì)的不同以及吸液芯形式的不同也會(huì)對(duì)熱管的壁溫分布造成影響.圖3是以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管、以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管和以去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管分別在相同的加熱功率40,80 W下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后熱管壁面溫度T的分布圖.

圖3 熱管的壁面溫度分布Fig.3 Distribution of wall temperatures along the heat pipe

從圖3可以看出,隨著加熱功率的增加,3根熱管工作溫度上升,同時(shí)整個(gè)軸向的溫度增大,熱管一直保持良好的工作特性.在相同的加熱功率下,同樣采用Al2O3納米流體為工質(zhì)時(shí),泡沫金屬吸液芯熱管的工作溫度要比絲網(wǎng)吸液芯熱管的工作溫度低,而且相對(duì)于絲網(wǎng)熱管來(lái)說(shuō),泡沫金屬吸液芯熱管的蒸發(fā)段和絕熱段各測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差都要小,壁面上溫度的最大值與最小值的差值也要小,這說(shuō)明泡沫金屬吸液芯熱管的均溫性要比絲網(wǎng)吸液芯熱管均溫性好.這意味著在相同工質(zhì)和管壁材料的前提下,泡沫金屬吸液芯熱管在達(dá)到材料的熱應(yīng)力極限前可以傳遞更多的熱量,且在傳遞相同熱量的時(shí)候較低的壁溫有利于熱管的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作.

圖3中,以納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管壁面最大溫差降低了5℃,由此得出,在吸液芯相同的情況下,相對(duì)于工質(zhì)去離子水,工質(zhì)納米流體能提高熱管的等溫性.

2.2 蒸發(fā)段換熱系數(shù)

圖4給出了3根熱管在不同加熱功率P下蒸發(fā)段換熱系數(shù)he的對(duì)比.

圖4 熱管蒸發(fā)段換熱系數(shù)對(duì)比Fig.4 Distribution of evaporation heat transfer coefficient

由圖可知,隨著加熱功率的增加,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管和以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管的蒸發(fā)段換熱系數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),而在相同的加熱功率下,相對(duì)于以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管能顯著強(qiáng)化熱管的蒸發(fā)段換熱系數(shù),蒸發(fā)段換熱系數(shù)最大提高了125%.而在吸液芯相同的情況下,相對(duì)于工質(zhì)去離子水,工質(zhì)納米流體對(duì)熱管的蒸發(fā)段換熱系數(shù)影響更加明顯,蒸發(fā)段換熱系數(shù)最大提高了200%.這從熱管蒸發(fā)段換熱的機(jī)理上可以得到解釋,吸液芯的不同主要是影響熱管的毛細(xì)力,從而影響熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)的兩相比例,而納米流體相對(duì)去離子水一方面是導(dǎo)熱系數(shù)顯著增大,同時(shí)納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)和小尺寸效應(yīng)增強(qiáng)了液體內(nèi)部的擾動(dòng),使得液體變的更容易蒸發(fā).

2.3 冷凝段換熱系數(shù)

圖5為3根熱管冷凝段采用冷卻水套水冷卻時(shí)冷凝段換熱系數(shù)在不同加熱功率下變化曲線(xiàn).從圖中可以看出,隨著加熱功率P的增加,熱管的換熱系數(shù)hc不斷增大,這是因?yàn)樗涔r下,冷凝段內(nèi)的蒸汽溫度越高,蒸汽冷凝速率也就越大,冷凝段的傳熱性能也就越好.在相同的加熱功率下,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管和以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管冷凝段換熱系數(shù)相差不大.同蒸發(fā)段換熱系數(shù)一樣,在吸液芯相同的情況下,相對(duì)于工質(zhì)去離子水,工質(zhì)納米流體對(duì)熱管的冷凝段換熱系數(shù)影響也很明顯.這是因?yàn)橛绊憻峁芾淠螕Q熱系數(shù)的主要因素是蒸氣與管壁接觸時(shí)形成的液膜層,由于粒子的布朗運(yùn)動(dòng)和小尺寸效應(yīng)增強(qiáng)了液體內(nèi)部的擾動(dòng),減小了液體的表面張力,液膜更容易破裂,從而強(qiáng)化了凝結(jié)換熱,增大了冷凝段的換熱系數(shù),但是吸液芯的結(jié)構(gòu)對(duì)膜狀凝結(jié)換熱系數(shù)的影響卻很小.

圖5 熱管冷凝段換熱系數(shù)對(duì)比Fig.5 Distribution of condensation heat transfer coefficient

2.4 熱管熱阻

圖6,7分別給出了3根熱管在不同加熱功率下蒸發(fā)段熱阻Re和冷凝段熱阻Rc的變化曲線(xiàn).從圖中可以看出,以納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管的蒸發(fā)段熱阻和冷凝段熱阻都要小,而吸液芯的不同對(duì)熱管蒸發(fā)段熱阻的影響比對(duì)熱管冷凝段熱阻的影響要大的多.這是因?yàn)檎舭l(fā)換熱和冷凝換熱機(jī)理不同造成的,在蒸發(fā)換熱中,蒸發(fā)段內(nèi)的蒸氣干度是影響蒸發(fā)換熱的主要因素之一,由于兩種吸液芯的通透性、產(chǎn)生毛細(xì)力的不同,在相同的工質(zhì)條件下,泡沫金屬吸液芯熱管的蒸發(fā)段換熱效果更好,熱阻也就越小.而冷凝段內(nèi)蒸氣與管壁接觸時(shí)形成的液膜層是熱管冷凝換熱的主要熱阻,影響膜狀凝結(jié)換熱的主要因素在于工質(zhì)與管壁,吸液芯的結(jié)構(gòu)對(duì)膜狀凝結(jié)換熱系數(shù)的影響很小,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管和以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管的冷凝段熱阻相差自然不大,而以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管卻要比以去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管的冷凝段熱阻小的多.

圖6 不同吸液芯熱管蒸發(fā)段熱阻對(duì)比Fig.6 Distribution of thermal resistance of evaporator under different wick

圖7 不同吸液芯熱管各段熱阻對(duì)比Fig.7 Distribution of thermal resistance of evaporator condenser under different wick

圖8以橫坐標(biāo)為熱管加熱功率,縱坐標(biāo)為熱管的總熱阻R,繪制了T-R圖,給出了3根熱管的總熱阻的對(duì)比.從圖8中可以看出,在相同的加熱功率情況下,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管的總熱阻小10%左右.這表明泡沫金屬材料作為一種優(yōu)良的換熱介質(zhì),所具有的高導(dǎo)熱系數(shù),較好的通透性,孔穴內(nèi)部強(qiáng)制對(duì)流換熱以及結(jié)構(gòu)中的高比表面積等特性,使以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管具有更好的傳熱性能.

圖8中可以看出,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管的總熱阻要小30%,和熱管的換熱系數(shù)一樣,這同樣可以從納米流體的高導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)化熱管傳熱的微觀(guān)機(jī)理上得到解釋.

圖8 不同吸液芯熱管總熱阻對(duì)比Fig.8 Distribution of total thermal resistance of the heat pipe under different wick

2.5 熱管傳熱極限

如果蒸發(fā)段出現(xiàn)局部溫度明顯上升或者蒸發(fā)段溫度出現(xiàn)震蕩和不穩(wěn)定現(xiàn)象時(shí),即視此熱管已經(jīng)達(dá)到該工作下的傳熱極限.試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),水冷工況下以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管在115 W時(shí)蒸發(fā)段即出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象,而以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管在加熱功率升至127 W左右時(shí)達(dá)到傳熱極限,且以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管出現(xiàn)傳熱極限時(shí)的工作溫度要比以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管高.這是由于泡沫金屬吸液芯產(chǎn)生的最大毛細(xì)力比絲網(wǎng)吸液芯大且泡沫金屬吸液芯的有效熱導(dǎo)率高、熱阻小,使得以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管的毛細(xì)極限和沸騰極限都高于以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管,更不易出現(xiàn)傳熱極限.

3 結(jié)論

文中對(duì)以Al2O3納米流體及去離子水為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管和以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管進(jìn)行了傳熱性能試驗(yàn)研究,主要得出了以下結(jié)論:

1) 以泡沫金屬為吸液芯的熱管,相對(duì)于采用去離子水為工質(zhì),采用納米流體為工質(zhì)能顯著強(qiáng)化熱管的傳熱性能.

2) 在相同的加熱功率下,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的壁溫分布要優(yōu)于以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管,等溫性更好.

3) 相比于以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管,以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管具有更好的傳熱性能.吸液芯的不同對(duì)熱管的影響主要體現(xiàn)在蒸發(fā)段上,蒸發(fā)段換熱系數(shù)增加了20%,熱管總熱阻要小10%.

4) 以Al2O3納米流體為工質(zhì)的泡沫金屬吸液芯熱管比以Al2O3納米流體為工質(zhì)的絲網(wǎng)吸液芯熱管具有更大的傳熱極限.

[1] 趙蔚琳,劉宗明,李金凱.基于納米流體熱管的研究綜述[J].化工機(jī)械,2009，36(2)：83-88.

Zhao Weilin,Liu Zongming,Li Jinkai.Review of researches on the heat pipes based on nanofluids[J].ChemicalEngineering&Machinery,2009,36(2):

83-88.(in Chinese)

[2] 李勇進(jìn).泡沫金屬材料在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用與研究進(jìn)展[C]∥第七屆中國(guó)功能材料及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議.中國(guó)長(zhǎng)沙:[s.n.],2010.

[3] Bang I C,Heung C.Boiling heat transfer performance and phenomena of Al2O3-water nanofluids from a plain surface in a pool[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2005(48)12: 2407-2419.

[4] Wen D,Ding Y.Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous based r-alumina nanofluids[J].JournalofNanoparticleResearch,2005(7):265-274.

[5] 李東東.納米流體強(qiáng)化熱管內(nèi)部傳熱機(jī)理研究[D].山東濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué),2011.

[6] 王亦偉,張建新,牛萍娟,等.絲網(wǎng)熱管換熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,29(5):

81-84.

Wang Yiwei,Zhang Jianxin,Niu Pingjuan,et al.Experimental research on performance of heat transfer in screen heat pipe[J].JournalofTianjinPolytechnicUniversity,2010,29(5):81-84.(in Chinese)

[7] 汪利先,明廷臻.管中心填充兩層多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱研究[J].水電能源科學(xué),2009,27(6):223.

Wang Lixian,Ming Tingzhen.Study on heat transfer enhancement by filling tube inner part with two layers of porous media[J].WaterResourcesandPower,2009,27(6):223.(in Chinese)

[8] 紀(jì)獻(xiàn)兵,徐進(jìn)良,Abanda Aime Marthial,等.超輕多孔泡沫金屬平板熱管的傳熱性能研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(2):72-78.

Ji Xianbing,Xu Jinliang,Marthial A A,et al.Investigation on heat transfer performance of flat heat pipes with ultra-light porous metal foam wicks[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(2):72-78.(in Chinese)

[9] 鄭麗,王愛(ài)明,李菊香,等.熱管吸液芯的研究進(jìn)展[J].低溫與超導(dǎo),2011,39(4)：43-47.

Zheng Li,Wang Aiming,Li Juxiang,et al.Research progress of wick in heat pipe[J].CryogenicsandSuperconductivity,2011,39(4):43-47.(in Chinese)

[10] 李菊香,涂善東.多孔泡沫金屬換熱器內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2008,16(1):65-66.

Li Juxiang,Tu Shandong.Analysis on flow and heat transfer of fluid in porous metal foam heat exchanger[J].JournalofPetrochemicalUniversities,2008,16(1):65-66.(in Chinese)