單面波浪平板脈動熱管的傳熱性能

夏侯國偉 孔方明,2 謝明付

(1 長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 長沙 410076；2中國人民解放軍92002部隊(duì) 汕頭 515000)

脈動熱管是一種新型高效熱管，最早由日本人Akachi于20世紀(jì)90年代提出[1]，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳熱性能好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]，目前是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。由于脈動熱管的運(yùn)行機(jī)理尚不清晰，所以當(dāng)前大多通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，主要分析管徑[3-5]、充液率[5-9]、傾角[10-11]、工質(zhì)[12-13]等對其傳熱性能的影響。傳統(tǒng)的脈動熱管為圓管式，是由一根金屬毛細(xì)管彎曲成蛇形結(jié)構(gòu)。平板脈動熱管由于其熱端是平面，因此可以直接或加工成散熱器應(yīng)用于電子元件的散熱[14-17]。相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，與管式脈動熱管相比，平板脈動熱管有其自身的運(yùn)行特點(diǎn)。Khandekar等[18]研究發(fā)現(xiàn)，矩形通道脈動熱管的運(yùn)行性能好于圓形槽道或圓管；周巖等[19]研究發(fā)現(xiàn)正三角形截面脈動熱管的熱阻值低于正方形截面脈動熱管，管徑較大的脈動熱管的熱阻值低于小管徑熱阻值；楊洪海等[20]研究發(fā)現(xiàn)，方槽板式脈動熱管存在尖角的毛細(xì)吸附力以及相鄰槽道通過薄壁的橫向熱平衡，這些結(jié)構(gòu)因素影響脈動熱管的運(yùn)行特性。結(jié)合前期研究成果，設(shè)計一種具有梯形截面的單面波浪平板脈動熱管并對其傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在空氣強(qiáng)制對流冷卻情況下分析充液率、傾角、加熱功率等對傳熱性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)對象及實(shí)驗(yàn)方法

本文中研究的單面波浪脈動熱管為一種新穎的板式熱管，具有結(jié)構(gòu)簡單、耗材少、易于加工等特點(diǎn)，波浪結(jié)構(gòu)增大了散熱面。熱管結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，外形長寬高為210 mm×41.8 mm×2.88 mm，兩端盒體連接焊接小管用于抽真空及灌液，形成的梯形通道當(dāng)量直徑為1.664 mm。熱管分為蒸發(fā)端和冷凝端，長度分別為84 mm和126 mm，熱管殼體材料是厚度為0.4 mm的不銹鋼薄板。脈動熱管工作原理為：工質(zhì)在脈動槽道中受分子作用力影響始終處于氣液相間狀態(tài)。工作時，熱端工質(zhì)吸熱蒸發(fā)壓力上升，產(chǎn)生推動力，推動氣液塞(即工質(zhì))向冷端運(yùn)動并在冷端冷凝放熱，工質(zhì)在毛細(xì)力的作用下重新回到熱端，往復(fù)循環(huán)使熱量源源不斷從熱端輸往冷端。工作過程中，由于槽道氣液塞隨機(jī)生滅，對金屬內(nèi)壁形成強(qiáng)烈沖刷并破壞熱邊界層，從而傳熱得到顯著強(qiáng)化。

圖1 平板脈動熱管截面圖(單位：mm)

圖2 平板脈動熱管實(shí)物圖

脈動熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括加熱部分、冷卻部分和數(shù)據(jù)采集部分，傾角可精確調(diào)節(jié)。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、交流穩(wěn)壓器、可調(diào)變壓器、功率表組成，可實(shí)現(xiàn)輸入功率的任意調(diào)節(jié)；冷卻部分為1臺改進(jìn)的電腦CPU散熱風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)空氣強(qiáng)制對流散熱；熱管中間管壁處沿軸向布置9個溫度測點(diǎn)，采用AB膠將鎳鉻-鎳硅熱電偶粘貼在管壁上，通過美國吉時利2700數(shù)字多用表將測得溫度值傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上進(jìn)行處理，該數(shù)字多用表具有溫度補(bǔ)償功能，精度為6位半，實(shí)現(xiàn)溫度的精確測量，溫度測點(diǎn)布置見圖4。實(shí)驗(yàn)中熱管蒸發(fā)段及加熱塊用保溫材料包裹以減少散熱。

實(shí)驗(yàn)步驟為：在某充液率下，調(diào)節(jié)不同傾角，在每種傾角下，進(jìn)行不同加熱功率的傳熱性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中熱管使用的工質(zhì)為丙酮，初始真空度為10-2Pa。實(shí)驗(yàn)時，當(dāng)熱電偶測量的壁溫在15 min內(nèi)波動小于0.5 ℃時，可認(rèn)為熱管工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

本文的傳熱性能評價指標(biāo)為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，其含義等同于固體導(dǎo)熱系數(shù)，計算過程如下:

K=QL/A(T1-T2)

(1)

式中：A為熱管截面積，cm2；T1為蒸發(fā)端平均溫度，K；T2為冷凝端平均溫度，K；Q為熱管的加熱功率，W；L為熱管的軸向長度，cm；當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)K，W/(cm·K)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 測點(diǎn)分布圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析討論

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析與討論后得到一系列曲線，根據(jù)這些曲線，可從以下幾個方面對熱管的傳熱性能進(jìn)行分析和對比。

2.1 充液率對熱管傳熱性能的影響

圖5為熱管傾角為90°(垂直安放)、60°、30°和0°時，在不同充液率下的傳熱性能曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱管傾角不為0°時，最佳充液率為20%～30%；當(dāng)熱管水平放置時，由于工質(zhì)回流不暢，在低充液率的情況下易出現(xiàn)傳熱性能波動甚至急劇惡化的現(xiàn)象，此時應(yīng)采用較大的充液率。

2.2 傾角對熱管傳熱性能的影響

圖6為熱管充液率20%、30%、40%和50%時熱管在不同的傾角下傳熱性能曲線。從圖中可以看出，除熱管0°放置外，熱管安裝角度對其傳熱性能影響不大，特別是高充液率情況下；但總體來說90°時熱管性能較為優(yōu)異，這是因?yàn)?0°時重力對工質(zhì)回流有很大幫助。熱管0°放置時，在低充液率情況下傳熱性能較差，甚至喪失脈動傳熱效果，主要是由于工質(zhì)回流不暢所致，根本原因可能是熱管當(dāng)量直徑稍小的緣故。

2.3 加熱功率對熱管傳熱性能的影響

由圖5和圖6可知，隨著加熱功率的增加，熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，達(dá)到極限后有下降的趨勢，說明這種熱管存在一個傳熱極限，和熱管槽道的結(jié)構(gòu)設(shè)計有很大關(guān)系。需要指出的是，對于低充液率高加熱功率時，須防止熱端出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。

圖5 在不同傾角時充液率對傳熱性能的影響

圖6 在不同充液率時傾角對傳熱性能的影響

2.4 低加熱功率時脈動熱管的特性

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)熱管在低加熱功率時表現(xiàn)出一些特殊之處，表現(xiàn)為熱管內(nèi)部經(jīng)常發(fā)出斷斷續(xù)續(xù)的清脆響聲，隨之熱源和熱端的溫度突然跳躍降低、冷端的溫度出現(xiàn)突然跳躍上升，同時熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)也跳躍升高，如圖7所示。分析后認(rèn)為，由于加熱功率過低，而管壁導(dǎo)熱又不斷帶走熱量，熱端需要不斷積累熱量才能獲得足夠推動力。當(dāng)推動力可以克服流動阻力時，氣塞推動液塞快速運(yùn)動至熱端頂部撞擊管壁造成響聲，此時由于冷熱端溫差突然減小，故當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)突然增大。氣塞到達(dá)冷凝端后被冷凝，冷端溫度又迅速降低，熱端溫度再次逐漸升高積蓄熱量，因此冷熱端溫度出現(xiàn)波動。此外熱管在低加熱功率下運(yùn)行時曾出現(xiàn)長時間未能啟動的現(xiàn)象，表現(xiàn)為冷端溫度先短暫上升，然后突然下降并基本保持不變，蒸發(fā)端溫度卻持續(xù)上升，如圖8所示。分析認(rèn)為是由于冷端的液態(tài)工質(zhì)不能回流至熱端，形成冷端堵塞，而此時熱管推動力不足、熱端因未完全蒸發(fā)致使毛細(xì)作用力下降，所以冷端積液難以回流。此時如果拿一根木棒輕敲熱管外壁，管內(nèi)工質(zhì)力平衡破壞，冷端工質(zhì)在振動作用下回流至熱端，則會聽到一陣清脆響聲，冷端溫度和熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)都迅速上升，根本原因可能是由于熱管的當(dāng)量直徑過小的緣故。

圖7 低加熱功率時的傳熱性能

圖8 低加熱功率時的啟動性能

3 結(jié)論

對一種單面波浪平板脈動熱管的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后得出以下結(jié)論：

1)單邊波浪脈動熱管在用丙酮為工質(zhì)時最佳充液率在20%～30%。

2)除水平放置外，安裝角度對熱管的傳熱性能影響不大，但90°時為最佳狀態(tài)；水平放置時應(yīng)預(yù)防燒干，可采用較高的充液率。

3)本次設(shè)計熱管的當(dāng)量直徑稍小，低功率下熱管傳熱性能存在波動，有時甚至不能啟動。

本文受湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(12JJ2031)和長沙市能源局項(xiàng)目([2008]27-8)資助。(The project was supported by Natural Science Foundation of Hunan Province (No.12JJ2031) and Changsha energy administration (No.[2008]27-8).)

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