新型三維脈動(dòng)熱管的性能

王亞雄，丁祥云（內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

研究開(kāi)發(fā)

新型三維脈動(dòng)熱管的性能

王亞雄，丁祥云
（內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

把傳統(tǒng)脈動(dòng)熱管冷卻段改進(jìn)成雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成新型三維脈動(dòng)熱管，并建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考察了以丙酮為工質(zhì)，在充液率54%、冷卻水溫度22℃的條件下，不同加熱功率（20～700W）、不同傾斜角度（0°、50°、90°）對(duì)新型三維脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)以及傳熱性能的影響，通過(guò)加熱段以及冷卻段管壁溫度變化判斷脈動(dòng)熱管啟動(dòng)運(yùn)行特性，通過(guò)總熱阻評(píng)價(jià)熱管傳熱效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈動(dòng)熱管在 0°、50°和 90°傾斜角度下均可以啟動(dòng)，但90°傾斜角時(shí)更有利于新型脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行。90°傾斜角時(shí)，脈動(dòng)熱管在加熱功率40W時(shí)啟動(dòng)，100W達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，700W時(shí)到達(dá)傳熱極限，脈動(dòng)熱管的總熱阻呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，總熱阻最小可達(dá)0.117℃/W。脈動(dòng)熱管在90°和50°傾斜角度下傳熱總熱阻沒(méi)有明顯差異，但在0°傾斜角時(shí)，極易達(dá)到傳熱極限且在整個(gè)過(guò)程中熱阻要比50°和90°傾斜角條件下高很多，加熱功率180W達(dá)傳熱極限。

脈動(dòng)熱管；熱阻；傳熱；氣化；傳遞；傾斜角

20世紀(jì)90年代初，脈動(dòng)熱管（oscillating heat pipe，OHP）由日本學(xué)者AKACHI等［1］最早提出，也稱為振蕩熱管（pulsating heat pipe，PHP）。加熱段和冷卻段之間的壓力差是脈動(dòng)熱管的驅(qū)動(dòng)力［2］。

脈動(dòng)熱管作為超薄平面?zhèn)鳠嵩?，可廣泛用于中高溫太陽(yáng)能集熱、電子元器件散熱、大平面熱量雷達(dá)面、大功率動(dòng)力電池冷卻或恒溫加熱、LED照明或顯示、電磁體冷卻等用途。脈動(dòng)熱管加熱或冷卻裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱效率高、可靠性高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的重視［3-4］。如今，如何提高脈動(dòng)熱管的傳性能是學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，其中影響脈動(dòng)熱管傳熱性能的因素有脈動(dòng)熱管的工質(zhì)、充液率、加熱方式、冷卻方式、脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)等［5-10］。

脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)對(duì)脈動(dòng)熱管的傳熱性能影響很大，TSENG等［11］對(duì)變徑脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行研究，脈動(dòng)熱管在水平放置的情況下，變徑脈動(dòng)熱管比傳統(tǒng)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)功率要小，而且熱阻也小一些。王宇等［12］對(duì)傳統(tǒng)回路型脈動(dòng)熱管和多通路并聯(lián)回路型脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)構(gòu)表明多通路并聯(lián)回路型的脈動(dòng)熱管總熱阻較小。曹小林等［13］采用平板型脈動(dòng)熱管，將大小一致的正方形通道界面改進(jìn)成通道截面為深度一致、寬度不同的矩形，按照大小相間排列。研究結(jié)果得出，截面改變后的脈動(dòng)熱管和改進(jìn)前脈動(dòng)熱管外界條件相同時(shí)，改進(jìn)后的傳熱性能比改進(jìn)前的好?？追矫鞯龋?4］針對(duì)一種雙面三角形通道平板脈動(dòng)熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該熱管具有很好的傳熱性能。SHANG等［15］對(duì)傳統(tǒng)脈動(dòng)熱管管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，把管徑改成相鄰管徑不同或是一根管路直徑不等，并對(duì)改進(jìn)后的脈動(dòng)熱管的傳熱特性進(jìn)行研究，得出結(jié)論改進(jìn)后熱管在一定的工作條件下傳熱性能提高了。CHIANG等［16］對(duì)不對(duì)稱排列的微細(xì)通道閉合回路脈動(dòng)熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，不對(duì)稱排列微細(xì)通道閉合回路脈動(dòng)熱管在低彎道數(shù)、較低充液率、高的操作溫度以及蒸發(fā)區(qū)和冷凝區(qū)較高的溫度差下，能夠達(dá)到一個(gè)更好的振蕩效果。KWON等［17］對(duì)單彎雙重直徑脈動(dòng)熱管進(jìn)行試驗(yàn)，觀察雙重直徑對(duì)流型和傳熱性能的影響。結(jié)果表明，雙重直徑脈動(dòng)熱管促進(jìn)循環(huán)流動(dòng)，且減小脈動(dòng)熱管的熱阻。HEMADRI等［18］在以鋁或者是鋼為材質(zhì)的基板上加工蛇形槽道，并將其嵌入基板槽道中，稱之為脈動(dòng)熱管擴(kuò)熱板。試驗(yàn)研究表明，脈動(dòng)熱管擴(kuò)熱板的傳熱優(yōu)勢(shì)要在特定的條件下才能表現(xiàn)出來(lái)，它的有效導(dǎo)熱系數(shù)范圍為400～2300W/（m·K）。

本項(xiàng)目在查閱國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)和實(shí)踐應(yīng)用基礎(chǔ)上，提出新型三維脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置。本文主要研究以丙酮為工質(zhì)，充液率54%，冷卻水溫度22℃時(shí)，在不同傾斜角度（0°，50°，90°）不同加熱功率（20～700W）的條件下對(duì)新型三維脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行性能，以及對(duì)傳熱性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)裝置

新型三維脈動(dòng)熱管的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由脈動(dòng)熱管主體、加熱系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。脈動(dòng)熱管主體是由外徑3mm、厚度0.3mm的紫銅管彎曲而成，總長(zhǎng)770mm，加熱段長(zhǎng) 350mm，絕熱段長(zhǎng) 390mm，冷卻段長(zhǎng)30mm，管道間距為30mm，共4彎。冷卻段管道纏繞在外徑25mm、厚度2.5mm的銅管上，形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)DL-4020低溫冷卻液循環(huán)泵向外徑25mm的銅管管道里通冷水進(jìn)行冷卻，控溫精度為±0.5℃，通過(guò)電子流量計(jì)對(duì)冷卻水流量進(jìn)行測(cè)量。把兩塊電木加工成所需形狀，對(duì)冷卻段起到固定、保溫的作用，并且使脈動(dòng)熱管管道與2.5mm 銅管管道接觸良好。在脈動(dòng)熱管管道與2.5mm銅管管道接觸處涂上導(dǎo)熱膠，保證冷卻段脈動(dòng)熱管與2.5mm銅管管道接觸良好，并在電木外面包裹保溫棉進(jìn)行保溫。

加熱段由直流電源、銅板和加熱膜組成，直流電源電壓及電流的測(cè)量精度分別為±0.1V和±0.01 A。加熱段的加熱方式是把加熱膜貼在銅板上對(duì)脈動(dòng)熱管加熱段進(jìn)行加熱，脈動(dòng)熱管絕熱段與加熱段通過(guò)兩塊木板固定，木板之間填滿保溫棉進(jìn)行保溫，見(jiàn)圖 3。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電腦、熱電偶和 Agilent 34972A數(shù)據(jù)采集器組成，在脈動(dòng)熱管加熱段、絕熱段、冷卻段的管壁上一共布置18個(gè)熱電偶，采用直徑為0.25mm的T形熱電偶對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，熱電偶的測(cè)量誤差為±0.15℃，熱電偶分布如圖4所示。實(shí)驗(yàn)所用的工質(zhì)為丙酮，充液率54%，選取傾斜角度0°、50°、90°，冷卻水溫度22℃，對(duì)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行性能和傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。加熱功率范圍為20～700W。

反應(yīng)脈動(dòng)熱管傳熱性能的熱阻的定義公式見(jiàn)式（1）～式（3）。

圖1　新型三維脈動(dòng)熱管熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2　新型三維脈動(dòng)熱管冷卻段雙螺旋結(jié)構(gòu)

圖3　脈動(dòng)熱管側(cè)視剖面圖

根據(jù)系統(tǒng)熱平衡分析，實(shí)驗(yàn)裝置加熱段和冷卻段之間的熱量損失不超過(guò)6.9%。

圖4　新型三維脈動(dòng)熱管尺寸以及熱電偶分布圖（單位：mm）1～20—測(cè)溫點(diǎn)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了減少實(shí)驗(yàn)誤差與實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性，同組實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，圖5為充液率54%、傾角90°、冷卻水溫22℃時(shí)，兩次重復(fù)試驗(yàn)計(jì)算得出的兩組熱阻隨加熱功率的變化圖，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如下。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性良好。

下面對(duì)新型三維脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程和影響其啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行性能的因素進(jìn)行分析，并對(duì)影響其傳熱性能的因素進(jìn)行分析。

2.1啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程

圖6～圖9為新型三維脈動(dòng)熱管在傾斜角為90°、充液率54%、冷卻水溫22°時(shí)冷卻段和加熱段管壁溫度變化情況。由于脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程很復(fù)雜，目前對(duì)脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)沒(méi)有嚴(yán)格的定義，一般認(rèn)為脈動(dòng)熱管冷卻段和加熱段溫度突變并形成一系列溫度波動(dòng)時(shí)即為脈動(dòng)熱管啟動(dòng)。

圖5　兩組重復(fù)實(shí)驗(yàn)熱阻變化

圖6為加熱功率20W時(shí)脈動(dòng)熱管加熱段和冷卻段溫度變化曲線。由圖6可見(jiàn)，熱量不斷的輸入脈動(dòng)熱管加熱段，加熱段的溫度不斷升高，中間出現(xiàn)溫度突變，卻沒(méi)有連續(xù)振蕩，這是一個(gè)能量積累的過(guò)程。

如圖7所示，加熱功率40W時(shí)，能量積累到一定值后瞬間爆發(fā)，脈動(dòng)熱管壁溫出現(xiàn)明顯波動(dòng)，說(shuō)明其管道內(nèi)部開(kāi)始有振蕩產(chǎn)生，伴隨著工質(zhì)在管道內(nèi)迅速上升，使得管道冷卻段溫度驟升，加熱段溫度驟減，加熱段與冷卻段溫差變小，工質(zhì)振蕩幅度明顯增大，并連續(xù)振蕩。此時(shí)，脈動(dòng)熱管啟動(dòng)。由圖7可見(jiàn)，雖然脈動(dòng)熱管加熱段和冷卻段溫度開(kāi)始上下波動(dòng)，但并沒(méi)有成規(guī)律性振蕩。

如圖8所示，加熱功率100W時(shí)，脈動(dòng)熱管冷熱端溫度振蕩幅度規(guī)律，壁溫出現(xiàn)整體大幅度波動(dòng)，振蕩頻率變大，說(shuō)明在短時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的熱管位置上有大量的工質(zhì)快速通過(guò)，與該位置上溫差很大的工質(zhì)流到該位置上，造成局部溫度突變。溫差與啟動(dòng)階段相比變小，并且各測(cè)溫點(diǎn)間的振幅和振頻相近且穩(wěn)定，此時(shí)進(jìn)入脈動(dòng)熱管的穩(wěn)定期。

如圖9所示，脈動(dòng)熱管冷熱端溫差增大，加熱段壁溫振幅變小，傳熱性能變差，此時(shí)到達(dá)脈動(dòng)熱管傳熱極限。

脈動(dòng)熱管管壁溫度的波動(dòng)主要是因?yàn)闅鈶B(tài)工質(zhì)和液態(tài)工質(zhì)流過(guò)管壁時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出不同的傳熱特性，在同一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化既與氣塞和液塞的分布情況有關(guān)，又與熱管內(nèi)氣液態(tài)工質(zhì)的振蕩情況和相變有關(guān)。管道內(nèi)丙酮發(fā)生相變時(shí)，會(huì)發(fā)生氣泡的產(chǎn)生、長(zhǎng)大、合并、縮小和破碎的過(guò)程。當(dāng)氣泡數(shù)量迅速增多時(shí)，管道內(nèi)的壓力會(huì)上升，對(duì)應(yīng)的飽和溫度也會(huì)升高。影響脈動(dòng)熱管壁溫度波動(dòng)的多種因素的不穩(wěn)定性使得熱管壁溫變化特性不同。由圖6～圖9可見(jiàn)，冷卻段的溫度波動(dòng)要比加熱段的溫度波動(dòng)大，這是因?yàn)楣べ|(zhì)由加熱段流到冷卻段，冷卻段溫度較低，工質(zhì)在冷卻段冷凝放熱，較高的換熱溫差是冷卻段溫度波動(dòng)較大的原因。

2.2不同傾斜角度對(duì)脈動(dòng)熱管運(yùn)行特性的影響

2.2.1不同傾斜角度對(duì)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)性能的影響

圖6、圖10和圖11分別為傾斜角度90°、 50° 和 0°時(shí)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)時(shí)壁溫波動(dòng)圖。在傾斜角度為0°和50°時(shí)，加熱功率加到60W時(shí)，脈動(dòng)熱管開(kāi)始啟動(dòng)，傾斜角度為90°時(shí)，加熱功率40W時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行，由此可見(jiàn)，傾斜角度為90°時(shí)更有利于新型三維脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)由圖可以看出，傾斜角度越大，加熱段啟動(dòng)運(yùn)行溫度越低，溫差也越小。

圖6　加熱功率20W時(shí)冷熱端壁溫變化

圖7　加熱功率40W時(shí)冷熱端壁溫變化

圖8　加熱功率100W時(shí)冷熱端壁溫變化

圖9　加熱功率700W時(shí)冷熱端壁溫變化

2.2.2不同傾斜角度對(duì)脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行性能的影響

圖7、圖12和圖13分別為傾斜角度90°、50° 和 0°時(shí)脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)壁溫變化情況。由以上三圖可見(jiàn)，雖然新型三維脈動(dòng)熱管能夠在 0°傾斜角度下啟動(dòng)運(yùn)行，但在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，溫差相對(duì)于50°和90°時(shí)要大很多，而且振蕩狀態(tài)沒(méi)有那么穩(wěn)定。脈動(dòng)熱管在傾斜角度0°和50°時(shí)，加熱功率120W進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，而傾斜角度為90°時(shí)，加熱功率100W即進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

圖10　加熱功率60W、傾斜角50°時(shí)冷熱端壁溫變化

圖11　加熱功率60W、傾斜角0°時(shí)冷熱端壁溫變化

圖12　加熱功率120W、傾斜角50°時(shí)冷熱端壁溫變化

2.3不同傾斜角度對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響

圖14為新型三維脈動(dòng)熱管在充液率54%、冷卻水溫度22℃時(shí)不同傾斜角度0°、50°和90°下，傳熱總熱阻隨加熱功率的變化情況。由圖14可見(jiàn)，加熱功率加到150W之前，脈動(dòng)熱管的傳熱熱阻隨加熱功率的增大呈顯著減小的趨勢(shì)，150W 之后，傳熱熱阻減小趨勢(shì)趨于平緩。在大加熱功率時(shí)，脈動(dòng)熱管的振蕩特征主要是小幅度大頻率振蕩。在一定的加熱功率100W之后，50°和90°的傳熱熱阻大小差別就不那么明顯了，這主要是因?yàn)橥ǖ纼?nèi)影響工質(zhì)流動(dòng)的主要因素是表面張力，只要脈動(dòng)熱管內(nèi)有充足的熱驅(qū)動(dòng)力，冷卻段和加熱段的壓力差夠大，管道內(nèi)的氣液工質(zhì)就能夠克服表面張力作用，完成其在管道內(nèi)的流動(dòng)，完成冷卻段和加熱段的熱量輸送過(guò)程。

圖13　加熱功率120W、傾斜角0°時(shí)冷熱端壁溫變化

圖14　不同傾斜角度下熱阻隨加熱功率的變化

重力對(duì)新型三維脈動(dòng)熱管的傳熱性能影響很大，不可以忽視。這是因?yàn)槊}動(dòng)熱管的工作原理是管道內(nèi)由于吸收熱量而變成氣態(tài)的工質(zhì)來(lái)到冷卻段，并在冷卻段釋放熱量，遇冷凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)，液態(tài)工質(zhì)是依靠重力作用回流到加熱段，如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的振蕩并形成工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。當(dāng)脈動(dòng)熱管傾斜角度為90°時(shí)，重力作用促進(jìn)了脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)的循環(huán)流動(dòng)；當(dāng)傾斜角度為50℃時(shí)，則是重力在脈動(dòng)熱管所在的平面上的分力促進(jìn)了脈動(dòng)熱管內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。由以上分析，傾斜角度越小，重力的分力也就越小，工質(zhì)的回流就越弱，傳熱熱阻就會(huì)變大，傳熱極限就會(huì)變低。因此，在傾斜角度為 0°時(shí)，沒(méi)有重力對(duì)工質(zhì)的回流起促進(jìn)作用，傳熱熱阻要大很多，在加熱功率180W時(shí)，脈動(dòng)熱管就達(dá)到傳熱極限。而50°和90°傾角下，加熱功率到700W時(shí)達(dá)到傳熱極限［6］。

4　結(jié)　論

用丙酮作為工質(zhì)，分析了54%充液率、22℃冷卻水溫度下不同加熱功率、不同傾斜角度下的新型三維脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行特性以及傳熱性能，得出如下結(jié)論。

（1）新型三維脈動(dòng)熱管能夠正常啟動(dòng)，在90°傾斜角時(shí)，傳熱性能良好，傳熱熱阻最低可達(dá)0.117℃/W，加熱功率700W時(shí)，達(dá)到傳熱極限。

（2）新型三維脈動(dòng)熱管在傾斜角度 0°、50° 和90°時(shí)均能啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行，其中90°時(shí)脈動(dòng)熱管更易啟動(dòng)，也更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而 0°傾斜角時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)加熱段和冷卻段之間的溫差要比50°和90°時(shí)的溫差大很多。

（3）新型三維脈動(dòng)的傳熱熱阻在不同傾斜角下均隨加熱功率的增大而減小，50°和90°時(shí)，脈動(dòng)熱管的傳熱性能沒(méi)有明顯差異，傳熱性能良好，但在傾斜角度為0°時(shí)，脈動(dòng)熱管更易達(dá)到傳熱極限，加熱功率180W熱阻就開(kāi)始呈增大的趨勢(shì)，達(dá)到傳熱極限。

符號(hào)說(shuō)明

Te—— 加熱段各測(cè)溫點(diǎn)平均溫度，℃

Tc—— 冷卻段各測(cè)溫點(diǎn)平均溫度，℃

Q—— 加熱功率值，W

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Performance study for new type of three-dimensional pulsating heat pipe

WANG Yaxiong，DING Xiangyun
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Science & Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

A new three dimensional pulsating heat pipe was formed by improving traditional pulsating heat pipe cooling segment into a double helix structure. An experimental platform of a new three-dimensional pulsating heat pipe was established. In this paper，the influence for the start performance and heat transfer performance of the new type of three-dimensional pulsating heat pipe at various heating powers （20W to 700W）and various inclination angles（0°，50°，90°）were investigated. Acetone was used as working fluid with 54% fill ratio. The temperature of cooling water was 22℃. The start running features of pulsating heat pipe by temperature changes at heating period and cooling period were judged. Heat transfer effect of heat pipe by total thermal resistance was evaluated. Experimental results showed that the pulsating heat pipe could start up at 0°，50°and 90°. It was more conducive for the new type ofpulsating heat pipe to start up and operate stably at 90°. At angle 90°，pulsating heat pipe started up at heat power 40W. Stable operation status at 100W as well as heat transfer limit at 700W were achieved. The tendency of the thermal resistance decreased first and then increased. The minimum heat resistance could reach 0.117℃/W. There was no significant difference for the heat resistance of pulsating heat pipe between the angle 90°and 50°.But at angle 0°，in the whole progress，it was easy to achieve heat transfer limit and the thermal resistance was much higher than that of 50°and 90°.Heat limit at 180W was achieved.

pulsating heat pipe；thermal resistance；heat transfer；gasification；transport；inclination angle

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2367-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.10

2015-12-28；修改稿日期：2016-01-24。

內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭潔凈化與綜合利用工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（CX2015-16）。

及聯(lián)系人：王亞雄（1964—），男，博士，教授，主要研究微型熱管及相變裝置、納米多孔材料內(nèi)的相變傳熱與傳質(zhì)。E-mail yaxiongw@hotmail.com。