常溫并聯(lián)式脈動(dòng)熱管啟動(dòng)及運(yùn)行特性的實(shí)驗(yàn)研究

(1 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 淮南 232001； 2 安徽省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院環(huán)境所 合肥 230022)

脈動(dòng)熱管是一種新型熱管，與傳統(tǒng)熱管相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，當(dāng)量傳熱系數(shù)大，體積小的特點(diǎn)[1]。根據(jù)管路形式脈動(dòng)熱管可以劃分為開路脈動(dòng)熱管和回路脈動(dòng)熱管[2]，研究表明回路型脈動(dòng)熱管易形成循環(huán)流動(dòng)，改善傳熱效果。一般脈動(dòng)熱管都具有多彎結(jié)構(gòu)，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。P. Charoensawan等[3]實(shí)驗(yàn)研究了水平閉環(huán)的脈動(dòng)熱管(HCLOHP)在正常工作狀態(tài)下的傳熱性能。 Yang Honghai等[4]進(jìn)行了閉合回路脈動(dòng)熱管(CLPHPs)工作極限的實(shí)驗(yàn)研究。S. Lips等[5]在不同內(nèi)徑、彎折數(shù)和工質(zhì)條件下對(duì)兩個(gè)全尺寸脈動(dòng)熱管進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)研究。Yang Honghai等[6]給出了兩平板閉合回路脈動(dòng)熱管在熱展平結(jié)構(gòu)中的實(shí)驗(yàn)研究。隋緣等[7]分別對(duì)充液率為45%、55%、62%、70%時(shí)的水、乙醇兩組分按體積比13∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶13 混合而成的二元混合工質(zhì)振蕩熱管的傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并與水和乙醇純工質(zhì)在相同充液率下的傳熱特性進(jìn)行對(duì)比。劉利華等[8-9]對(duì)不同工質(zhì)、充灌率、傾角、彎折數(shù)的脈動(dòng)熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。Li Qiming等[10-11]研究納米流體脈動(dòng)熱管，分析運(yùn)行中納米流體的變化以及對(duì)傳熱效果的影響。

為減小工質(zhì)流動(dòng)過(guò)程中的阻力并改善傳熱，很多學(xué)者對(duì)將多彎回路熱管改為多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的脈動(dòng)熱管進(jìn)行了研究。王宇等[12]對(duì)工質(zhì)為丙酮和無(wú)水酒精的多通道并聯(lián)回路型脈動(dòng)熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明與典型回路型熱管相比其傳熱效果較好，且具有較高的傳熱極限。梁玉輝等[13]以超純水為工質(zhì)，測(cè)試了不同充液率和傾角對(duì)并聯(lián)式脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響，結(jié)果表明充液率和傾角對(duì)熱管的傳熱性能影響顯著，在充液率為50%時(shí)熱管傳熱熱阻最小。史維秀等[14]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了傾角及冷卻工況對(duì)多通路并聯(lián)回路板式脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響及啟動(dòng)性能，結(jié)果表明重力對(duì)熱管傳熱性能影響較大，在垂直狀態(tài)下熱管較易啟動(dòng)，熱管在60°～90°可以正常啟動(dòng)，該結(jié)果與P. Charoensawan等[15-16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

本文采用恒溫?zé)崴鳛榧訜釤嵩?，測(cè)試了工質(zhì)為甲醇時(shí)常溫并聯(lián)式脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)性能和等溫性，并分別測(cè)試了甲醇和R600a作為工質(zhì)時(shí)的傳熱量。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由熱管加熱系統(tǒng)、熱管冷卻系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。熱管加熱系統(tǒng)和熱管冷卻系統(tǒng)由恒溫水箱提供加熱和冷卻所需的恒溫水。恒溫水箱采用最新設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)恒溫控制系統(tǒng)，最大加熱水溫為75 ℃，可通過(guò)調(diào)溫閥控制水溫。恒溫水箱提供冷卻用水時(shí)，通過(guò)加入冰塊降低溫度。加熱和冷卻水槽均采用有機(jī)玻璃制作，尺寸為320 mm×320 mm×50 mm，加熱水槽的頂端設(shè)有30 mm絕熱保溫，防止加熱水槽散發(fā)的熱量對(duì)熱管運(yùn)行造成影響。加熱系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)和閥門控制加熱熱水的流量。熱管冷卻系統(tǒng)分為自然冷卻和水冷卻兩種，其中水冷系統(tǒng)同時(shí)用于熱量計(jì)量，采用稱重法測(cè)量流量。實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)由Agilent 34970A高速數(shù)據(jù)采集儀采集實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需溫度，每5 s讀取記錄一次數(shù)據(jù)。采用T型(銅-康銅)高精度熱電偶，精度為0.2 ℃，在加熱和冷卻水槽的進(jìn)出口及內(nèi)部分別布置熱電偶。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的并聯(lián)式脈動(dòng)熱管由石英玻璃制作，可從外部觀察管內(nèi)的流動(dòng)及換熱情況。圖2所示為熱管結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)布置，熱管由2根橫管和8根立管構(gòu)成。熱管上、下兩根橫管的外徑分別為15 mm和10 mm；立管管長(zhǎng)500 mm，管間距為30 mm。熱管內(nèi)徑分別為2、4、6、8 mm，熱管管壁厚2 mm。熱管上端設(shè)置連接口，通過(guò)三通可連接充液口和壓力表。熱管冷凝段共布置12個(gè)熱電偶，用于測(cè)量熱管的等溫性。熱管中間兩根立管絕熱段分別布置一個(gè)熱電偶(測(cè)點(diǎn)d0、e0)，用于測(cè)量熱管的啟動(dòng)特性。測(cè)試時(shí)熱管傾角為90°。在測(cè)量熱管的啟動(dòng)特性及等溫性時(shí)，熱管采用甲醇作為工質(zhì)。熱管傳熱量的測(cè)量采用甲醇和R600a兩種工質(zhì)。為便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，熱管的啟動(dòng)特性和傳熱量測(cè)試均采用內(nèi)徑為4 mm的熱管。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The experimental system

圖2 熱管結(jié)構(gòu)和測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 The heat pipe structure and measuring point distribution

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

2.1 熱管的啟動(dòng)特性

熱管的啟動(dòng)特性直接關(guān)系熱管的傳熱性能，當(dāng)熱管啟動(dòng)較快時(shí)，可以增加熱管的傳熱量。為研究不同冷卻方式、加熱和冷卻溫度、充液量對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響，測(cè)試了不同條件下熱管的啟動(dòng)時(shí)間，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。熱管達(dá)到某一溫度，且5 min內(nèi)的溫度波動(dòng)小于1 ℃，達(dá)到該溫度所用的時(shí)間即為熱管的啟動(dòng)時(shí)間。

2.1.1不同冷卻方式對(duì)熱管啟動(dòng)的影響

為分析不同冷卻方式對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響，對(duì)內(nèi)徑為4 mm的熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。熱管充液高度為8 cm，蒸發(fā)段和冷凝段的長(zhǎng)度比為1∶1。熱管蒸發(fā)段的加熱熱水溫度為50 ℃，流量為100 L/h；冷凝段則分別采用自然冷卻和水冷兩種形式進(jìn)行冷卻，冷卻溫度均為18 ℃。圖3為絕熱段兩個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間的變化。

圖3 不同冷卻方式條件下熱管的啟動(dòng)特性Fig.3 The starting characteristics of heat pipe under different cooling conditions

由圖3可知，熱管冷凝段采用水冷時(shí)啟動(dòng)時(shí)間約為200 s，采用自然冷卻時(shí)啟動(dòng)時(shí)間約為230 s，采用水冷的啟動(dòng)時(shí)間較自然冷卻減少30 s。在水冷條件下，30～200 s時(shí)間段內(nèi)熱管的溫升較快，而此后的時(shí)間內(nèi)溫度平緩上升，至熱管穩(wěn)定工作后溫度趨于定值；而在自然冷卻情況下，熱管在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)溫度呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)。由于水的比熱較高，水冷冷卻方式強(qiáng)化了管壁的換熱，使上升的蒸氣流在冷卻段管壁能更好的形成液膜并回流到加熱段，使熱管的啟動(dòng)更為迅速。

2.1.2不同加熱溫度和冷卻溫度對(duì)熱管啟動(dòng)特性的影響

圖4所示為熱管蒸發(fā)段的加熱溫度分別為50 ℃和40 ℃，冷凝段采用溫度為18 ℃的自然冷卻，以及加熱溫度為50 ℃和冷凝段采用自然冷卻為22 ℃時(shí)絕熱段兩個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間的變化。

圖4 不同加熱溫度和冷卻溫度條件下熱管的啟動(dòng)特性Fig.4 The starting characteristic of heat pipe under different heating temperature and cooling temperature

由圖4可知，冷卻溫度相同時(shí)，蒸發(fā)段的加熱溫度越高，熱管啟動(dòng)所需的時(shí)間越短。加熱溫度為40 ℃時(shí)，熱管啟動(dòng)時(shí)間為265 s，而加熱溫度為50 ℃時(shí)熱管啟動(dòng)時(shí)間為230 s，這主要是由于加熱段的壁面溫度升高，導(dǎo)致熱管內(nèi)工質(zhì)在飽和溫度下有更高的過(guò)熱度，沸騰傳熱更快，使熱管能在較短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)。加熱溫度相同時(shí)，冷卻溫度的高低對(duì)熱管的啟動(dòng)時(shí)間影響不顯著，當(dāng)環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，熱管絕熱段溫度在250 s后趨于穩(wěn)定，比冷卻溫度為18 ℃時(shí)增加20 s，熱管啟動(dòng)后絕熱段溫度略低于冷卻溫度為18 ℃時(shí)。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，有利于蒸氣在冷凝段凝結(jié)回流，從而縮短熱管的啟動(dòng)時(shí)間。

2.1.3充液率對(duì)熱管啟動(dòng)特性的影響

熱管內(nèi)工質(zhì)的充液量對(duì)熱管性能有極大影響，不同工質(zhì)對(duì)應(yīng)的最佳充液比不同，對(duì)于大部分常溫工質(zhì)，充液率一般在20%～40%之間(按蒸發(fā)段體積折算)。為更直觀體現(xiàn)充液的多少，本研究采用立管充液高度進(jìn)行分析，在熱管充液高度分別為5、8、11 cm(約為蒸發(fā)段立管體積的20%、32%、44%)的情況下進(jìn)行熱管啟動(dòng)性測(cè)試，工質(zhì)為甲醇，加熱溫度為40 ℃，自然冷卻溫度為18 ℃，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 充液量對(duì)熱管啟動(dòng)特性的影響Fig.5 The influence of filling quantity on starting characteristics of heat pipe

由圖5可知，隨著充液量的增加，熱管啟動(dòng)所需的時(shí)間逐漸增加，熱管絕熱段的溫度逐漸降低。熱管在充液高度為5 cm時(shí)啟動(dòng)時(shí)間較短，約為235 s；熱管充液高度為8 cm的溫升速度低于充液高度為5 cm的溫升速度，啟動(dòng)時(shí)間約增加30 s；熱管充液高度為11 cm時(shí)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，約為310 s。熱管啟動(dòng)后，充液高度為8 cm和11 cm的溫度相差不多，高于充液高度為5 cm的溫度。隨著熱管充液率的增加，管內(nèi)的沸騰狀況不同，導(dǎo)致熱管啟動(dòng)時(shí)間逐漸增加和絕熱段壁面溫度降低。

2.2 熱管的等溫性

為分析不同管徑熱管的均溫性，在熱管充液高度為8 cm，加熱溫度為50 ℃，自然冷卻溫度為18 ℃，工質(zhì)為甲醇的情況下，進(jìn)行等溫性測(cè)試，記錄不同管徑熱管穩(wěn)定運(yùn)行后20 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的壁溫均值。

圖6所示為不同管徑熱管同一立管不同高度處的溫度分布。由圖6可知，隨著熱管高度的增加，不同管徑熱管的溫度均逐漸降低且溫度梯度逐漸增加。隨著熱管管徑的增加，熱管沿縱向溫度的下降幅度增大，壁面溫度分布的均勻性降低。4種管徑熱管中，2 mm管徑熱管的縱向溫差最大為0.61 ℃，8 mm管徑熱管的縱向溫差最大為1.89 ℃。因熱管管徑較小時(shí)，熱管內(nèi)存在脈動(dòng)現(xiàn)象，管內(nèi)蒸氣速度較大，可以破壞壁面處的液膜，并且使熱量更容易傳遞到熱管頂端。隨著熱管管徑的增加，管內(nèi)脈動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱甚至消失，熱管內(nèi)蒸氣速度降低，熱量向上傳遞能力減弱。

圖6 不同管徑熱管的縱向溫度分布Fig.6 The longitudinal temperature distribution of different diameter heat pipe

圖7所示為不同管徑熱管上不同立管相同高度處的等溫性。由圖7可知，熱管上不同立管具有良好的等溫性。不同管徑熱管在靠近熱管外側(cè)的立管壁面溫度均相對(duì)較低，靠近中心處立管的溫度均相對(duì)較高。因底部橫管的存在，在橫管產(chǎn)生氣泡后更易沿中心處的橫管上升到熱管頂端。隨著熱管管徑的增加，不同立管的等溫性逐漸下降，其中2 mm管徑熱管的最大溫差為0.35 ℃，8 mm管徑熱管的最大溫差為0.56 ℃。

結(jié)合圖6和圖7可以看出，并聯(lián)式脈動(dòng)熱管在縱向和橫向均具有良好的等溫性，且均隨著熱管管徑的增大等溫性逐漸降低。

圖7 不同管徑熱管的橫向溫度分布Fig.7 The transverse temperature distribution of different diameter heat pipe

2.3 熱管的傳熱量

熱管的傳熱量測(cè)試采用兩種飽和溫度的不同工質(zhì)，甲醇和R600a。熱管充液高度為6 cm，管內(nèi)初始?jí)毫Ψ謩e為0.02 MPa和0.25 MPa(對(duì)應(yīng)工質(zhì)的飽和溫度分別為30 ℃和14 ℃)。由于飽和溫度不同，熱管工質(zhì)為甲醇時(shí)的加熱溫度為35～50 ℃，而工質(zhì)為R600a時(shí)的加熱溫度為25～40 ℃，測(cè)試溫度區(qū)間均為3 ℃。將冷卻水槽封閉并進(jìn)行保溫處理。對(duì)熱管加熱段長(zhǎng)度分別為30、25、20 cm進(jìn)行測(cè)試，待熱管運(yùn)行穩(wěn)定一段時(shí)間后，測(cè)試?yán)鋮s水進(jìn)出口水溫和流量，根據(jù)進(jìn)出口溫差的平均值和流量計(jì)算得到熱管的傳熱量。圖8所示為甲醇作為工質(zhì)時(shí)，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出的熱管傳熱量?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，熱管傳熱量總體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)加熱溫度低于40 ℃時(shí)，傳熱量較低，此時(shí)蒸發(fā)段內(nèi)以自然對(duì)流換熱為主，工質(zhì)沸騰量較小。當(dāng)加熱溫度大于40 ℃，隨著壁面過(guò)熱度的增大，傳熱量有了較大幅度的提升，此時(shí)管內(nèi)工質(zhì)由自然對(duì)流轉(zhuǎn)為泡態(tài)沸騰甚至更為劇烈的核態(tài)沸騰。當(dāng)加熱溫度達(dá)到47 ℃時(shí)，隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，傳熱量基本不再增加。在測(cè)試的蒸發(fā)段長(zhǎng)度范圍內(nèi)，隨著蒸發(fā)段長(zhǎng)度的增加熱管傳熱量逐漸下降。

圖9所示為熱管工質(zhì)為R600a時(shí)的傳熱量隨加熱溫度的變化。由圖9可知，熱管工質(zhì)為R600a時(shí)傳熱量變化呈現(xiàn)出與工質(zhì)為甲醇時(shí)不同的變化規(guī)律。隨著加熱溫度的升高，熱管傳熱量逐漸增加，在加熱溫度達(dá)到30 ℃后隨著加熱溫度的進(jìn)一步增大，熱管傳熱量逐漸減小。因熱管在初始?jí)毫?.25 MPa下的飽和溫度為14 ℃，在25 ℃的加熱溫度下熱管蒸發(fā)段已具有較大的過(guò)熱度。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，過(guò)熱度逐漸增大，傳熱量上升較快，當(dāng)加熱溫度達(dá)到 31 ℃時(shí)傳熱量達(dá)到最大值。隨著加熱溫度的再次升高，過(guò)熱度進(jìn)一步增大，導(dǎo)致蒸氣溫度過(guò)高，上升速度過(guò)快，冷凝段的下降液膜被撕裂，轉(zhuǎn)變?yōu)橄?，造成冷凝段無(wú)法持續(xù)有效的回流，蒸發(fā)段出現(xiàn)干涸導(dǎo)致熱管的傳熱性能下降，此時(shí)Nusselt的層流膜狀凝結(jié)理論已不再適用，導(dǎo)致熱管內(nèi)出現(xiàn)傳熱量回落的現(xiàn)象。

圖8 不同工況下工質(zhì)為甲醇的熱管傳熱量Fig.8 The heat transfer of the heat pipe with methanol as refrigerant under different conditions

圖9 不同工況下工質(zhì)為R600a的熱管傳熱量Fig.9 The heat transfer of the heat pipe with R600a as refrigerant under different conditions

從圖8和圖9可以看出，過(guò)熱度相同條件下，R600a的傳熱量大于甲醇，因R600a具有較高的汽化潛熱。測(cè)試范圍內(nèi)，隨著熱管加熱長(zhǎng)度的減小，熱管的傳熱量呈上升趨勢(shì)。在熱管工質(zhì)為R600a時(shí)，隨著蒸發(fā)段長(zhǎng)度的減小，在過(guò)熱沸騰的工況下傳熱有所改善，緩解了過(guò)熱度過(guò)大的影響。因隨著熱管蒸發(fā)段長(zhǎng)度的減少，蒸發(fā)段液膜長(zhǎng)度降低，液膜能更好的回流到蒸發(fā)段，使換熱得到強(qiáng)化。

3 結(jié)論

本文測(cè)試了甲醇作為工質(zhì)時(shí)不同冷卻方式、加熱和冷卻工況、充液率對(duì)熱管啟動(dòng)性能的影響以及熱管的等溫性。在熱管工質(zhì)分別為甲醇和R600a時(shí)測(cè)試了熱管在不同加熱溫度和加熱長(zhǎng)度時(shí)的傳熱量，并確定熱管的最優(yōu)工況，為熱管的設(shè)計(jì)和選用提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1)冷凝段采用水冷時(shí)熱管的啟動(dòng)性能優(yōu)于采用自然冷卻；較高的加熱溫度和較低的冷卻溫度有利于熱管啟動(dòng)；隨著充液量的增加，熱管的啟動(dòng)時(shí)間增加，壁面溫度降低。

2)并聯(lián)脈動(dòng)式熱管在縱向和橫向均具有良好的等溫性，就本研究而言，隨著管徑的增加(2、4、6、8 mm)，縱向最大溫差由0.61 ℃增至1.89 ℃，橫向最大溫差由0.35 ℃增至0.56 ℃，熱管縱向和橫向的等溫性均隨著熱管管徑的增大而逐漸降低。

3)測(cè)試條件下，甲醇作為工質(zhì)時(shí)隨著加熱溫度的升高，熱管傳熱量逐漸增加后趨于平緩，加熱溫度為47 ℃時(shí)傳熱量最大。工質(zhì)為R600a時(shí)，隨著加熱溫度的升高，傳熱量逐漸增加，當(dāng)過(guò)熱度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱管傳熱量下降，加熱溫度達(dá)到31 ℃時(shí)傳熱量最大。隨著加熱長(zhǎng)度的減小(30、25、20 cm)，熱管的傳熱量呈上升趨勢(shì)，因此，減小蒸發(fā)段長(zhǎng)度可緩解過(guò)熱度過(guò)高造成的不利影響。

本文受安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2015ZD20)和國(guó)家安全監(jiān)管總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(anhui-0003-2016AQ)資助。(The project was supported by the Major Program University Science Research Project of Anhui Province(No.KJ2015ZD20) and the Key Technologies of Safety Accident Prevention and Control with State Administration of Work Safety Supervision (No.anhui-0003-2016AQ).)

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