液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)研究

鄧皓仁 孫 瀟 韓東陽 劉雨夢(mèng) 焦 波 Pfotenhauer J M 甘智華,4

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院機(jī)械工程系 榮成 264300) (3美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系 美國·麥迪遜 53706) (4浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)研究

鄧皓仁1孫 瀟1韓東陽1劉雨夢(mèng)1焦 波2Pfotenhauer J M3甘智華1,4

(1浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027) (2哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院機(jī)械工程系 榮成 264300) (3美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程系 美國·麥迪遜 53706) (4浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

為了研究脈動(dòng)熱管用于冷卻MgB2超導(dǎo)磁體的可行性，對(duì)一臺(tái)自行研制的液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展了實(shí)驗(yàn)研究工作。充液率為34.2%時(shí)，隨著加熱功率的增大，脈動(dòng)熱管經(jīng)歷了啟動(dòng)、脈動(dòng)、極限3個(gè)階段，啟動(dòng)階段中脈動(dòng)熱管傳熱溫差波動(dòng)很大，傳熱性能差，而脈動(dòng)階段中脈動(dòng)熱管傳熱溫差很小，傳熱性能好。脈動(dòng)熱管在加熱功率為1.28 W 時(shí)具有最高的有效熱導(dǎo)率為19 kW/m·K，此時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段溫差為0.28 K。

低溫脈動(dòng)熱管 啟動(dòng)特性 傳熱特性 液氫溫區(qū)

1 引 言

脈動(dòng)熱管(Pulsating Heat Pipe 或 Oscillating Heat Pipe，簡(jiǎn)稱PHP或OHP)，因傳熱高效和響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，引起了國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視，并且在實(shí)驗(yàn)和理論方面均取得了進(jìn)展。通常，脈動(dòng)熱管由不含吸液芯的毛細(xì)管反復(fù)彎折而成，彎頭一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，中間可根據(jù)需求設(shè)置絕熱段。將脈動(dòng)熱管抽成真空后，充注部分液體工質(zhì)，工質(zhì)在毛細(xì)力的作用下會(huì)在管內(nèi)隨機(jī)形成相間分布、長(zhǎng)短不一的氣柱和液塞[1]。當(dāng)給予蒸發(fā)段適當(dāng)?shù)募訜峁β?，并冷卻冷凝段，管內(nèi)工質(zhì)會(huì)形成兩種流動(dòng)方式：一是因壓力不平衡而產(chǎn)生脈動(dòng)流動(dòng)，如圖1所示[2]；二是因管內(nèi)阻力不均勻而產(chǎn)生的單向循環(huán)流動(dòng)[3-4]。目前，大多數(shù)學(xué)者的關(guān)注點(diǎn)主要在室溫溫區(qū)[5-10]，低溫溫區(qū)的研究仍處于起步階段。而低溫工質(zhì)(N2、H2、Ne、He等)熱物性與室溫工質(zhì)相差很大，特別是在粘度、接觸角、氣化潛熱等方面，導(dǎo)致室溫脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)與理論成果無法直接應(yīng)用到低溫脈動(dòng)熱管上。因此，亟需開展低溫脈動(dòng)熱管的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。

圖1 脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)示意圖[2]Fig.1 Structure of pulsating heat pipe

近年來，國內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)開展了低溫脈動(dòng)熱管的研究。但在液氫溫區(qū)，僅有日本綜合研究大學(xué)院大學(xué)(GUAS)的Nastume和日本國立聚變科學(xué)研究所(NIFS)的Mito等人的工作[3,11-13]，為了實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)磁體線圈的散熱，他們提出了在線圈內(nèi)置入脈動(dòng)熱管的技術(shù)，并先后開展了液氫/液氮/液氖溫區(qū)、不同充液率、加熱功率和傾角下的脈動(dòng)熱管性能的研究，其管內(nèi)徑為0.78 mm的氫工質(zhì)脈動(dòng)熱管有效導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了500—3 000 W/m·K(加熱量0—1.2 W)；管內(nèi)徑為1.58 mm的氫工質(zhì)脈動(dòng)熱管有效導(dǎo)熱系數(shù)為2 220—11 480 W/m·K(加熱量0.588—10 W)。但因管徑選取不合適，其PHP傳熱性能偏低，并且受重力影響較大(彎折數(shù)小)。本文設(shè)計(jì)了液氫溫區(qū)低溫脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)[14-15]，目的是實(shí)現(xiàn)低溫脈動(dòng)熱管遠(yuǎn)距離、不受重力影響的高效傳熱。本次實(shí)驗(yàn)獲得了氫工質(zhì)充液率為34.2%時(shí)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性以及不同加熱功率對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱特性的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)以及低溫脈動(dòng)熱管的理論研究奠定了基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

本研究自行研制的液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。所研究的脈動(dòng)熱管通過制冷機(jī)二級(jí)冷頭提供冷量，制冷機(jī)一級(jí)冷頭用來冷卻銅屏，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置置于高真空室內(nèi)，通過多層絕熱進(jìn)一步減少傳入到系統(tǒng)的漏熱。為了更好的說明問題，圖3給出了脈動(dòng)熱管的支撐結(jié)構(gòu)及與制冷機(jī)冷頭的連接方式示意圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置剖面Fig.2 Profile of device

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Structure of device

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的控制，如彎折數(shù)、絕熱段長(zhǎng)度、傾角、充液率、以及加熱功率等，從而研究這些參數(shù)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響。核心部件是脈動(dòng)熱管，主要由冷凝段、蒸發(fā)段、絕熱段組成，如圖4所示。其中蒸發(fā)段與冷凝段是兩個(gè)結(jié)構(gòu)類似的U型銅塊：U型銅塊內(nèi)外側(cè)各加工有7個(gè)U型凹槽，共28個(gè)U型槽；每個(gè)U型槽均焊有U型紫銅毛細(xì)管(由于紫銅的高熱導(dǎo)率，毛細(xì)管內(nèi)工質(zhì)的溫度與銅管壁溫近似相等)。蒸發(fā)段與冷凝段之間毛細(xì)管則為絕熱段，上下毛細(xì)管之間利用Swagelok的面密封接頭(VCR)進(jìn)行連接。因此脈動(dòng)熱管可以在上下毛細(xì)管之間連入一段直毛細(xì)管來實(shí)現(xiàn)絕熱段長(zhǎng)度的改變，并且可以改變連入回路的彎折數(shù)(1—28)?？紤]到制冷機(jī)二級(jí)冷頭不能承受較大的徑向力，制冷機(jī)二級(jí)冷頭與脈動(dòng)熱管冷凝段之間使用紫銅編織帶進(jìn)行柔性連接，如圖5所示，以實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)熱管在不同工作傾角時(shí)的正常工作。本次實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)熱管工作傾角為+90°，連入的管子彎折數(shù)N=5，即10個(gè)通道。

圖4 脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of PHP

圖5 編織帶柔性連接方式Fig.5 Flexible connection of straps

合適的毛細(xì)管內(nèi)徑尺寸是脈動(dòng)熱管實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)的基礎(chǔ)。根據(jù)White和Beardmore的研究可知，當(dāng)Bo<2時(shí)，重力的影響較小，毛細(xì)力起主導(dǎo)作用[16]，才能保證管內(nèi)氣柱和液塞的形成。

(1)

式中：Dcrit為毛細(xì)管的內(nèi)徑，m;σ為表面張力，N/m;ρl和ρv分別為工質(zhì)在液相和氣相時(shí)工質(zhì)的密度，kg/m3;g為重力加速度,m/s2。根據(jù)公式(1)，可得到氫工質(zhì)在不同溫區(qū)的最大毛細(xì)管直徑，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)裝置取毛細(xì)管的內(nèi)徑為2.3 mm(圖8五角星處)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最高工作溫度約為28 K，即如果超過了這個(gè)溫度或在該溫度下大于這個(gè)內(nèi)徑，重力的影響將會(huì)大于毛細(xì)力，此時(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)形式為環(huán)狀流動(dòng)，而不是脈動(dòng)。

圖6 氫工質(zhì)毛細(xì)管最大直徑Fig.6 Critical diameter of pipes for hydrogen

脈動(dòng)熱管的傳熱性能通常由有效導(dǎo)熱系數(shù)表征。其計(jì)算公式如下[2,13]：

(2)

式中：Q為蒸發(fā)段的加熱量，W;ΔT為蒸發(fā)段與冷凝段的溫差，K;Le為脈動(dòng)熱管的有效長(zhǎng)度=(蒸發(fā)段長(zhǎng)度+冷凝段長(zhǎng)度)/2+絕熱段長(zhǎng)度，m;S為脈動(dòng)熱管管內(nèi)截面積之和，即為2·N·π·(Din/2)2,m2。

不同充液率的脈動(dòng)熱管，其傳熱性能不同。脈動(dòng)熱管的充液率通常被定義為：充注的工質(zhì)全部換算成冷凝段溫度下液體的體積與脈動(dòng)熱管容積的比值[13,16]。若在常溫下充注氫氣，充注壓力太高難以實(shí)現(xiàn)。因此，本次實(shí)驗(yàn)脈動(dòng)熱管工質(zhì)的充注是在脈動(dòng)熱管被冷卻至工作溫區(qū)后進(jìn)行的。為此，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在室溫端設(shè)有緩沖罐，緩沖罐內(nèi)氣體為高純氫，可作為脈動(dòng)熱管的氣源。脈動(dòng)熱管的充液率可根據(jù)以下公式[13]計(jì)算：

(3)

式中：P0為緩沖罐初始?jí)毫Γ琍a;Pa為充液后緩沖罐壓力，Pa;VBT為是緩沖罐的容積，m3;VHP為PHP容積，m3;TRT為室溫，K;R為通用氣體常數(shù)，J/mol·K;Ρl′為PHP冷凝端溫度下液體工質(zhì)摩爾體積密度,mol/m3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在充入34.2%的氫工質(zhì)后，調(diào)節(jié)GM制冷機(jī)二級(jí)冷頭和脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段加熱器的加熱功率，得到了加熱功率對(duì)脈動(dòng)熱管溫度的影響曲線，如圖7所示，圖8是在圖7的基礎(chǔ)上，用冷凝段和蒸發(fā)段的溫差表示左縱坐標(biāo)。蒸發(fā)段加熱功率為0.26 W時(shí)，脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段的溫度增大時(shí)冷凝段的溫度減小，蒸發(fā)段的溫度減小時(shí)冷凝段的溫度增大，傳熱溫差波動(dòng)很大，視為脈動(dòng)熱管進(jìn)入起振階段，如圖9所示。逐漸增大加熱功率，當(dāng)蒸發(fā)段加熱功率達(dá)到0.57 W時(shí)，脈動(dòng)熱管兩端溫差波動(dòng)很小，趨于穩(wěn)定，視為脈動(dòng)熱管進(jìn)入穩(wěn)定工作階段，如圖10。

圖7 冷凝段和加熱段溫度隨時(shí)間和加熱功率的變化Fig.7 Dependence of temperatures of condenser and evaporator on time and heat input

圖8 冷凝段和加熱段溫差隨時(shí)間和加熱功率的變化Fig.8 Dependence of the temperature difference between condenser and evaporator on time and heat input

圖9 脈動(dòng)熱管溫度變化圖(Q=0.26 W)Fig.9 Curves of temperatures at Q=0.26 W

圖10 脈動(dòng)熱管溫度變化圖(Q=0.57 W)Fig.10 Curves of temperatures at Q=0.57 W

當(dāng)加熱功率達(dá)到2.0 W時(shí)，冷凝段溫度由27 K逐漸升高至29.5 K，同時(shí)蒸發(fā)段溫度由27.4 K逐漸升高至32 K，且溫差持續(xù)擴(kuò)大，無法穩(wěn)定，脈動(dòng)熱管進(jìn)入極限階段，如圖11所示。由于本文脈動(dòng)熱管毛細(xì)管直徑為2.3 mm，最高工作溫度為27.6 K，故在加熱功率為1.89 W時(shí)，脈動(dòng)熱管溫度超過了最高工作溫度，管內(nèi)無法形成氣柱與液塞相間分布，無法形成脈動(dòng)行為，但此時(shí)脈動(dòng)熱管兩端溫差相比于無充液時(shí)仍然很小，故本文認(rèn)為此時(shí)脈動(dòng)熱管管內(nèi)流形不再是脈動(dòng)流動(dòng)，但仍有液氫產(chǎn)生，熱管為回路熱管。

圖11 脈動(dòng)熱管溫度變化圖(Q=1.89 W)Fig.11 Curves of temperatures at Q=1.89 W

圖12 脈動(dòng)熱管溫差隨加熱功率的變化曲線Fig.12 Dependence of temperature differences between condenser and evaporator on heat input

圖13 不同加熱功率下的有效導(dǎo)熱系數(shù)Fig.13 Effective thermal conductivities at different heat inputs

圖12是脈動(dòng)熱管毛細(xì)管內(nèi)有無充液時(shí)溫差隨加熱功率的變化曲線。充液率為34.2%時(shí)，氫工質(zhì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)后，冷凝段與蒸發(fā)段的溫差大幅減小，在加熱功率小于1.7 W的情況下，脈動(dòng)熱管冷凝段與蒸發(fā)段的溫差小于1 K，因此脈動(dòng)熱管的傳熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于沒有充液時(shí)的性能。

根據(jù)式(1)求得液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管充液率在34.2%情況下的有效導(dǎo)熱系數(shù)，有效導(dǎo)熱系數(shù)與加熱功率之間的關(guān)系如圖13所示。當(dāng)加熱功率為1.28 W 時(shí)，脈動(dòng)熱管具有最高的有效熱導(dǎo)率為19 kW/m·K，此時(shí)傳熱溫差為0.28 K。

4 結(jié) 論

進(jìn)行了液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)研究，得到了充液率34.2%情況下脈動(dòng)熱管的運(yùn)行過程溫度與溫差變化曲線以及該充液率時(shí)有效熱導(dǎo)率與加熱功率之間的關(guān)系，并且與無充液的情況進(jìn)行了對(duì)比，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)以及低溫脈動(dòng)熱管的理論研究奠定了基礎(chǔ)。液氫溫區(qū)脈動(dòng)熱管在達(dá)到起振點(diǎn)之后，隨著加熱功率的增大有效熱導(dǎo)率增大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)最大值之后有效熱導(dǎo)率隨著加熱功率的增大而減小。當(dāng)充液率為34.2%時(shí)，脈動(dòng)熱管在加熱功率為1.28 W 時(shí)具有最高的有效熱導(dǎo)率為19 kW/m·K，此時(shí)蒸發(fā)段與冷凝段溫差為0.28 K。

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Experimental investigation on a pulsating heat pipe at liquid hydrogen temperature range

Deng Haoren1Sun Xiao1Han Dongyang1Liu Yumeng1Jiao Bo2Pfotenhauer J.M.3Gan Zhihua1,4

(1Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)(2Department of Mechanical Engineering, Harbin University of Science and Technology, Rongcheng 264300, China) (3Department of Mechanical Engineering, University of Wisconson Madison, Madison 53706, USA) (4The State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to cool MgB2superconducting material, a pulsating heat pipe(PHP) around liquid hydrogen temperature was designed and studied by experiment. When filling ratio is 34.2%, with the increasing of the heating power, PHP experienced 3 periods: start-up, pulsation, and dry out. The results show that during the start-up, the fluctuation of PHP’s temperature difference is large, and the heat transfer performance of PHP is poor. But during pulsation period, the fluctuation of PHP's temperature difference is very small, and the heat transfer performance of PHP is good. The PHP achieves the highest effective thermal conductivity of 19 kW/m·K at the heating power of 1.28 W. At this moment, the temperature difference between the condenser and the evaporator is 0.28 K.

cryogenic pulsating heat pipe; starting characteristic; heat transfer characteristic; liquid hydrogen temperature range

2015-11-02；

2016-02-22

國家自然科學(xué)基金(51376157)和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130101110098)資助。

鄧皓仁，男， 25歲， 碩士研究生。

甘智華，男，44歲，博士，教授，博導(dǎo)。

TB657,TB661

A

1000-6516(2016)01-0006-05