管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管冷卻動(dòng)力電池的傳熱特性

周智程，魏愛博，屈健，關(guān)鳳渤，DMITRII Grachev，郭澤霖

（江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212000）

在傳統(tǒng)石化燃料短缺和環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻的背景下，電動(dòng)汽車以其低能耗、低排放的特點(diǎn)日益受到關(guān)注。電動(dòng)汽車需要高比功率/能量密度電池來滿足其實(shí)際運(yùn)行的需要，同時(shí)還要求電池循環(huán)使用壽命長、成本低且沒有記憶功能。在各種車用動(dòng)力電池中，以高功率密度的鋰離子電池作為動(dòng)力源，具有行駛里程長、加速度快等特點(diǎn)[1]。然而，鋰離子電池在高電流快速充放電循環(huán)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，其儲(chǔ)電能力和壽命受溫度及整體均溫性影響較大，熱量若無法及時(shí)散除則容易使電池面臨熱失控甚至出現(xiàn)燒毀事故[2-3]，因此實(shí)現(xiàn)電池部件的有效熱管理已成為電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用過程中需要面對和解決的關(guān)鍵問題之一。

過去十余年間，為了滿足電動(dòng)汽車電池的散熱要求，提出了包括空氣冷卻[4-5]、液體冷卻[6-8]、相變材料冷卻（PCM）[9-11]和熱管冷卻[12-15]等在內(nèi)的多種技術(shù)方案。其中，熱管技術(shù)具有成本低廉、重量輕、可靠性高等特點(diǎn)，作為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電池組高效熱管理的一種潛在方法，近年來受到了廣泛關(guān)注。熱管可以將電池模塊內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，從而使電池在不同工作條件下能夠保持所需的正常溫度（通常不超過50℃[16]），并顯著降低電池模塊內(nèi)部和模塊間的溫差。作為一種典型的無吸液芯熱管，近年來脈動(dòng)熱管（OHP）在電動(dòng)汽車熱管理方面也頗受關(guān)注，該熱管能夠較好地克服傳統(tǒng)吸液芯熱管易受攜帶和沸騰極限制約的不足，具有傳熱性能優(yōu)異和環(huán)境適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[17-18]，在電動(dòng)汽車熱管理方面具有很好的應(yīng)用前景。

Rao 課題組[19-20]對基于PCM/OHP 的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)組合性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)基于PCM/OHP 的系統(tǒng)在冷卻動(dòng)力電池方面表現(xiàn)出了很好的性能。在頂部加熱/底部冷卻模式下，Chi 和Rhi[21]針對3 個(gè)甲醇為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管（內(nèi)徑分別為0.8mm、1mm 和1.4mm）用于電池冷卻的性能開展了比較研究，發(fā)現(xiàn)在熱管冷凝段水冷情況下電池模擬熱源的平均溫度能夠維持在56.4℃。Qu等[22]對三個(gè)柔性脈動(dòng)熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并評估了絕熱長度和結(jié)構(gòu)形式對脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)柔性脈動(dòng)熱管在電動(dòng)汽車熱管理方面具有應(yīng)用潛力。以上研究初步論證了脈動(dòng)熱管用于電動(dòng)汽車電池冷卻的可行性，但傳統(tǒng)的脈動(dòng)熱管-電池板接觸方式使得熱管與電池單元接觸面積較小，會(huì)增加電池單元內(nèi)的接觸熱阻和均溫性，進(jìn)而導(dǎo)致溫差增大，部分降低了模塊化電池組的性能。

脈動(dòng)熱管的優(yōu)異傳熱性能建立于其熱驅(qū)動(dòng)自激振蕩基礎(chǔ)之上，工質(zhì)選擇對熱管傳熱性能的影響至關(guān)重要。與單組分工質(zhì)相比，混合工質(zhì)在氣泡成核及熱質(zhì)傳遞方面存在明顯差異，并直接影響脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)和整體傳熱能力。Zhu 等[23]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同充液率（35%～70%）下水-丙酮混合液對脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)較之純水，使用水-丙酮混合液后脈動(dòng)熱管具有更好的啟動(dòng)性能。在50W輸入功率下，不同混合比的水-丙酮混合物與純工質(zhì)相比可使脈動(dòng)熱管的熱阻降低33.6%～68.9%。Shi 等[24]對脈動(dòng)熱管使用乙醇-水、乙醇-甲醇和乙醇-丙酮三種混合工質(zhì)的傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)由于乙醇-水混合溶液的相變抑制作用，當(dāng)混合比為2∶1 且45%充液率時(shí)，以乙醇-水混合物為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管的傳熱性能優(yōu)于其他工質(zhì)。Han等[25]對脈動(dòng)熱管使用多種水基二元非共沸混合工質(zhì)情況下的傳熱性能比較研究同樣發(fā)現(xiàn)，與使用純工質(zhì)相比，中低充液率下使用混合工質(zhì)的脈動(dòng)熱管具有更好的抗“燒干”能力，這主要是由相變抑制作用引起的。為此，本文提出了一種針對動(dòng)力電池散熱的管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管，并借鑒二元混合工質(zhì)在強(qiáng)化脈動(dòng)熱管傳熱性能方面所具有獨(dú)特優(yōu)勢[23-26]，對以不同濃度比的乙醇-水二元混合液作為工質(zhì)情況下的熱管啟動(dòng)和傳熱性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)冷情況下具有很好的溫控效果，能夠有效降低電池溫度至安全允許范圍并提高均溫性。本文主要對乙醇-水混合溶液體積比介于(4∶1)～(1∶3)情況下管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管的傳熱和溫控性能進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)一定充液率和濃度比下，電池平均溫度和均溫性都能夠較好地滿足要求，為脈動(dòng)熱管在電池?zé)峁芾矸矫娴膽?yīng)用提供了有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和測量裝置4 個(gè)部分組成。冷凝段采用軸流風(fēng)扇強(qiáng)制對流空氣冷卻，同時(shí)為了提高散熱效果，在冷凝段銅管外布置有銅制徑向翅片（翅片厚度0.2mm，高度5mm）。8個(gè)T形熱電偶（T1～T8，直徑0.1mm，精度±0.2℃）布置在蒸發(fā)段和冷凝段的不同位置，4 個(gè)T 形熱電偶（T9～T12）布置在靠近平板蒸發(fā)器側(cè)的模擬電池上不同位置處。熱管蒸發(fā)器與模擬電池間放置有減小接觸熱阻的導(dǎo)熱硅膠片。環(huán)境溫度保持25℃±1℃，有一個(gè)溫度測點(diǎn)（T13）來進(jìn)行監(jiān)測。所有溫度信號(hào)均由數(shù)據(jù)采集器（Agilent 34970A）采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。脈動(dòng)熱管輸入熱量由模擬電池發(fā)熱的金屬加熱膜（包裹于聚酰亞胺材料中）提供，外部主要由交流穩(wěn)壓器（JONCHN SVC-Ⅱ）、調(diào)壓器（DELIXI TDGC2-3kVA） 和功率計(jì)（GWINSTEK GPM-8212）來施加電壓并調(diào)節(jié)監(jiān)測加熱功率。為了減少蒸發(fā)器區(qū)域到周圍環(huán)境的散熱損失，平板蒸發(fā)器和模擬電池外部包覆有隔熱保溫棉和鋁箔紙。

本研究提出并設(shè)計(jì)制作的管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管如圖2所示。熱管裝置由銅制彎管和帶有通孔的矩形銅板通過焊接連接制作而成，銅管的內(nèi)、外徑分別為2.5mm和3.5mm。脈動(dòng)熱管在蒸發(fā)段和冷凝段末端分別設(shè)置有U形彎管連接到矩形板內(nèi)部的圓形通道，使熱管整體形成一個(gè)封閉環(huán)路。脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段和冷凝段的長度分別為84mm和165mm，平板蒸發(fā)器尺寸與某種商用磷酸鐵鋰電池電芯尺寸相當(dāng)（長、寬和厚度分別為118mm、63mm 和13mm）。實(shí)驗(yàn)中，鋰電池模塊的發(fā)熱由矩形電加熱板模擬實(shí)現(xiàn)（電池標(biāo)準(zhǔn)電壓3.2V，最大充放電電流分別為4C和5C），而脈動(dòng)熱管平板蒸發(fā)器則置于兩加熱板之間。同時(shí)，為了更好地匹配銅管的直徑尺寸并易于焊接，平板蒸發(fā)器的圓形通道制作有臺(tái)階孔。本研究中脈動(dòng)熱管的充液率為30%～50%，而乙醇-水混合溶液的體積比則介于(4∶1)～(1∶3)之間。實(shí)驗(yàn)過程中，脈動(dòng)熱管被豎直放置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.2 數(shù)據(jù)處理

總熱阻是用來衡量脈動(dòng)熱管傳熱性能的重要參數(shù)之一，定義見式(1)。

式中，Te為蒸發(fā)段的壁面平均溫度；Tc為冷凝段的壁面平均溫度；Q為蒸發(fā)段部位的加熱功率。

由圖1，脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段和冷凝段的壁面平均溫度可以用式(2)、式(3)分別表示。

式中，Ti（i=1,2,???,8）為脈動(dòng)熱管各個(gè)熱電偶測點(diǎn)獲得的壁溫。

蒸發(fā)段部位的加熱功率可用式(4)表示。

式中，U為輸入電壓；I為對應(yīng)的輸入電流。

根據(jù)式(1)～式(4)并結(jié)合誤差傳遞原理，Q和R的相對誤差可用式(5)、式(6)分別表示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖與脈動(dòng)熱管照片

圖2 管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管和平板蒸發(fā)器

因?yàn)闊峁苷舭l(fā)段通過保溫棉包裹之后具有良好的隔熱性能，通過周圍環(huán)境的最大相對熱損失低于3.5%。另外考慮熱電偶、功率計(jì)和數(shù)據(jù)采集器的精度，如果冷凝段和蒸發(fā)段的最小溫差假定為5℃，根據(jù)參考文獻(xiàn)[22]中的方法，熱阻的最大不確定度是4.8%。

2 結(jié)果與討論

2.1 乙醇-水混合工質(zhì)對脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響

圖3給出了水和乙醇工質(zhì)以及兩者混合物（若干典型混合比）在30%充液率下脈動(dòng)熱管冷、熱段壁溫隨加熱功率的變化情況。以純水為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管在0～56W 輸入功率范圍內(nèi)未能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)［圖3(a)］，這主要由其沸點(diǎn)較高、加熱功率較低導(dǎo)致蒸發(fā)段難以發(fā)生氣泡核化引起，因而無法在熱管內(nèi)激發(fā)工質(zhì)振蕩運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)提高加熱功率直至振蕩開始的過程中會(huì)引起蒸發(fā)段溫度的進(jìn)一步升高，但加熱功率≥24W 后其溫度就超過了50℃，已高于電池使用的安全溫度。因此，本研究以水為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管不適用于電池散熱冷卻。而充注純乙醇時(shí)，脈動(dòng)熱管可以在較高輸入功率（≥24W）下正常啟動(dòng)和運(yùn)行，且蒸發(fā)段溫度較低［圖3(g)］。同時(shí)還可以看出，相同加熱功率下熱管的溫度振蕩集中在冷凝段部位，而蒸發(fā)段的溫度變化則比較平穩(wěn)，這主要由蒸發(fā)段平板熱容量顯著高于冷凝段銅管引起。同時(shí)可以看出，在乙醇-水混合比低于1∶1的情況下［圖3(a)～(c)］，蒸發(fā)段溫度隨著混合液中乙醇含量的增大而減??；而當(dāng)混合比高于1∶1時(shí)，蒸發(fā)段溫度則隨著混合液中乙醇含量的增加而增加［圖3(e)～(g)］。因此存在降低蒸發(fā)段溫度、提高熱管傳熱性能的最佳混合比，通過比較圖3中幾個(gè)混合比的溫度數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)30%充液率下該值應(yīng)介于1∶1和2∶1之間。

表1為水和乙醇在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下各自的熱物性參數(shù)，通過對比可以發(fā)現(xiàn)水的比熱容和汽化潛熱分別約為乙醇的1.7倍和2.6倍，水?dāng)y帶能量的能力顯著高于乙醇，而且水的動(dòng)力黏度更低，具有較小的流動(dòng)阻力，因此表面上水較乙醇更合適用于脈動(dòng)熱管。然而，乙醇的沸點(diǎn)比水低，(dp/dT)sat值也較水大，故乙醇為工質(zhì)時(shí)熱管更易啟動(dòng)，熱管振蕩更為劇烈。實(shí)際上，乙醇-水混合物的熱物性大都介于組成混合液的乙醇和水之間，如(dp/dT)sat、比熱容、潛熱、表面張力等，而黏度則是唯一的例外。由于這兩種組分分子間的氫鍵作用[27]，混合液黏度將大于任一單組分。實(shí)際上，氫鍵強(qiáng)度隨著乙醇濃度或混合比的增加而穩(wěn)步提高，對上述熱物性的變化起著至關(guān)重要的作用。因此，水和乙醇在熱物性方面具有一定的互補(bǔ)性，由此可以解釋兩者混合液能夠較純工質(zhì)使脈動(dòng)熱管更具好的傳熱性能的原因。然而，混合液中分子間的相互作用相當(dāng)復(fù)雜，并決定了不同混合比下的性能差異，這已超出本文的探討范疇。

圖3 充液率為30%時(shí)脈動(dòng)熱管在不同加熱功率下的溫度變化

圖4 給出了30%充液率下不同混合比的乙醇-水混合溶液對脈動(dòng)熱管熱阻的影響。在Q=8W 和16W 的較低輸入功率下，脈動(dòng)熱管內(nèi)部并未形成穩(wěn)定的振蕩，氣液塞在整個(gè)系統(tǒng)中的初始隨機(jī)分布很大程度上影響了熱管的最初傳熱性能，因此出現(xiàn)了混合比4∶1工況時(shí)熱阻比3∶1時(shí)低的現(xiàn)象。隨著加熱功率的增大，工質(zhì)振蕩運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，原來的氣液塞不均勻分布被打破，脈動(dòng)熱管的運(yùn)行更為穩(wěn)定，此時(shí)混合比對熱阻變化規(guī)律的影響增強(qiáng)。當(dāng)輸入功率大于24W時(shí)，熱阻會(huì)隨著乙醇-水混合溶液混合比的減小而減小。在輸入功率為56W 時(shí)，充入混合比為1∶1的乙醇-水混合溶液的脈動(dòng)熱管熱阻最低，為0.193℃/W。由此也可以看出在混合溶液中過度增加乙醇組分的量會(huì)降低脈動(dòng)熱管的傳熱性能。

表1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下工質(zhì)的熱物性

圖4 充液率為30%時(shí)脈動(dòng)熱管在不同加熱功率下的熱阻變化

圖5為30%充液率、40W加熱功率下使用不同混合比乙醇-水混合溶液的脈動(dòng)熱管溫度隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)混合比分別為1∶3、1∶2、1∶1.5、1∶1、2∶1、3∶1 和4∶1 時(shí)，蒸發(fā)段平均溫度分別為54℃、52.5℃、48.7℃、42.5℃、40.6℃、47.3℃和49.9℃。由此可以發(fā)現(xiàn)，該加熱功率下乙醇-水混合液存在最佳混合比2∶1，此時(shí)蒸發(fā)段平均溫度最低（40.6℃），當(dāng)混合比高于或低于該值時(shí)，蒸發(fā)段溫度均隨混合比偏離程度的增加而提高，且水相體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)增加更為明顯，蒸發(fā)段溫度顯著提高。當(dāng)乙醇-水混合比為1∶2時(shí)蒸發(fā)段溫度已明顯超過50℃，這與前述階梯狀功率輸入的情況類似，即該充液率下混合液中水含量的增加將導(dǎo)致熱管性能的下降。對于其他加熱功率的比較研究發(fā)現(xiàn)，乙醇-水溶液最佳混合比一般介于1∶1和2∶1之間。當(dāng)脈動(dòng)熱管的充液率為40%和50%時(shí)，具有類似結(jié)果，40W 加熱功率下當(dāng)混合比為1∶1時(shí)蒸發(fā)段的平均溫度最低，分別為43.3℃和46.8℃，這與文獻(xiàn)[25]中使用乙醇-水混合工質(zhì)時(shí)的結(jié)果一致。對于乙醇-水混合溶液，當(dāng)混合濃度比較大或較小（偏離1∶1）時(shí)，脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)溫度/功率都相應(yīng)增大，表明熱管啟動(dòng)運(yùn)行相對困難，在所給的加熱功率范圍內(nèi)，熱管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在反復(fù)“振蕩-停滯”的現(xiàn)象，從而使冷凝段產(chǎn)生較大幅度的溫度波動(dòng)。但在混合比為1∶1 左右時(shí)，該種波動(dòng)則相對較小。隨著加熱功率的進(jìn)一步增大，熱管的運(yùn)行將更加穩(wěn)定，溫度波動(dòng)也會(huì)顯著減小。雖然冷凝段溫度波動(dòng)較大，但蒸發(fā)段的溫度波動(dòng)卻很小，這對于應(yīng)用在電池溫控領(lǐng)域是非常有利的。

2.2 乙醇-水混合工質(zhì)對脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和電池表面溫度的影響

表2列出了乙醇體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)不同充液率和混合比下脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段的最小啟動(dòng)功率和相應(yīng)的啟動(dòng)溫度。顯然，啟動(dòng)溫度隨著充液率的增加而升高。例如，對于混合比2∶1的乙醇-水混合液，充液率為30%、40% 和50% 時(shí)啟動(dòng)溫度分別為35.1℃、41.3℃和47.2℃。除充液率外，溶液混合比對啟動(dòng)溫度也有明顯影響。例如，在30%充液率下，當(dāng)混合比分別為1∶1、2∶1、3∶1 和4∶1時(shí)，啟動(dòng)溫度分別為34.8℃、35.1℃、36.9℃和40.8℃。而當(dāng)充液率為40%和50%時(shí)，最小啟動(dòng)功率同樣出現(xiàn)在混合比為1∶1 之時(shí)，此時(shí)脈動(dòng)熱管分別在16W 和24W 的加熱功率下即能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。因此，除充液率外，選用合適的乙醇-水混合比對有效降低電池的啟動(dòng)溫度同樣至關(guān)重要。

圖6 為30%充液率下使用不同混合比乙醇-水混合溶液（乙醇體積分?jǐn)?shù)較大）的模擬電池表面平均溫度隨時(shí)間的變化情況。圖中的溫度變化曲線表示模擬電池的加熱平板表面溫度的平均值（對應(yīng)圖1中的T9～T12）。從中可以看出，針對較高輸入功率時(shí)的電池溫度，存在最佳的乙醇-水混合比，可使得電池溫度最低。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，2∶1 即為此時(shí)的最佳混合比，48W 輸入功率時(shí)電池的平均溫度可以低至44℃。表3列出了輸入功率較高情況下電池最低平均溫度及相應(yīng)的乙醇-水混合比。除了30%以外，從中可以看出40%和50%充液率下的最佳混合比均為1∶1，48W 輸入功率時(shí)對應(yīng)的電池溫度分別為47.0℃和49.2℃。

除了電池的平均溫度，電池表面的溫度均溫性也非常重要。圖7比較了不同充液率下電池的均溫性特征，發(fā)現(xiàn)電池表面溫差均低于2.5℃。特別是，30%充液率下電池表面溫差的平均值甚至可低至接近1.5℃，能夠很好地滿足冷卻溫控要求。

2.3 乙醇-水混合工質(zhì)強(qiáng)化脈動(dòng)熱管傳熱分析

圖5 充液率為30%、加熱功率為40W時(shí)脈動(dòng)熱管在不同混合比下的溫度變化

表2 不同充液率和混合比下脈動(dòng)熱管啟動(dòng)功率和相應(yīng)的蒸發(fā)段啟動(dòng)溫度

圖6 乙醇-水混合液在不同混合比下的蒸發(fā)段溫度變化（30%充液率）

表3 不同充液率和較高加熱功率下電池最低平均溫度及對應(yīng)的乙醇-水體積混合比

圖7 模擬電池表面的溫度不均勻性（中間的小框代表平均值）

乙醇-水非共沸混合工質(zhì)的主要特點(diǎn)之一是在某壓力下泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度不同，存在汽液兩相區(qū)。當(dāng)溫度升高到泡點(diǎn)溫度之上時(shí)發(fā)生相變，乙醇蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)通常大于相應(yīng)的液相摩爾分?jǐn)?shù)，這主要是因?yàn)槠浞悬c(diǎn)較水低。由此解釋了混合工質(zhì)和純工質(zhì)的熱力性質(zhì)差異，即乙醇-水非共沸混合物發(fā)生相變過程中，在較大的飽和溫度范圍內(nèi)存在一定的汽相和液相之間的濃度變化區(qū)間。同時(shí)，所有混合物的飽和壓力都介于乙醇和水的飽和壓力之間，在相同溫度下遠(yuǎn)高于純水，因此對其相變產(chǎn)生抑制作用[23]。由于乙醇和水的沸點(diǎn)不同，沸點(diǎn)較低的乙醇會(huì)率先從受熱的混合液中蒸發(fā)逸出，并大量進(jìn)入汽相內(nèi)。因此，脈動(dòng)熱管中的汽塞所具有的乙醇?xì)怏w特征使其擁有相對較高的飽和壓力，由此可抑制混合液中水相的蒸發(fā)，使其大部分滯留于液相中。

此外，乙醇-水混合物的汽相和液相濃度差異以及產(chǎn)生的流動(dòng)特征也是提高脈動(dòng)熱管傳熱性能的重要原因之一。對于使用單組分工質(zhì)的熱管，熱毛細(xì)作用（Marangoni 效應(yīng)）通常會(huì)阻礙冷凝液從熱管冷凝段回流到蒸發(fā)段[28]，并制約其傳熱能力的提高，然而該現(xiàn)象卻會(huì)因非共沸混合物的濃度或溫度差異而被削弱。圖8比較了單組分與雙組分液塞汽液界面附近流體在親水通道內(nèi)加熱過程的熱質(zhì)傳遞行為，單組分流體（純工質(zhì)）中絕大部分的液體表面張力隨溫度增加而逐漸減小，由此產(chǎn)生的溫度梯度及引起的熱毛細(xì)作用可驅(qū)使液體從高溫端（位置B）流向低溫端（位置A）［圖8(a)］。與單組分工質(zhì)相比，具有非共沸特征的乙醇-水混合液的沸騰傳熱機(jī)理具有明顯差異。在汽液界面處［圖8(b)］，由于濃度梯度而產(chǎn)生的Marangoni 流在傳熱中具有重要作用，甚至可超過溫度梯度引起的Marangoni流[29-30]。對于乙醇-水混合液，溫度較高的位置B處乙醇較位置A處更易揮發(fā)逸出，使兩個(gè)不同位置之間形成乙醇組分的濃度梯度，并驅(qū)動(dòng)溶液由位置A流向位置B，即溶液向更高溫處流動(dòng)，從而增加三相線處蒸發(fā)薄液膜區(qū)域的面積，由此抑制“燒干”的發(fā)生并強(qiáng)化脈動(dòng)熱管傳熱。這也是脈動(dòng)熱管在較低充液率（30%）下未出現(xiàn)“燒干”且傳熱性能表現(xiàn)更為優(yōu)異的重要原因，同時(shí)也對脈動(dòng)熱管電池冷卻選擇乙醇-水混合工質(zhì)提供了重要參考。

圖8 脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段部位熱質(zhì)傳遞過程

3 結(jié)論

本文提出并制作了一種面向電動(dòng)汽車動(dòng)力電池散熱的管板結(jié)構(gòu)脈動(dòng)熱管，采用乙醇和水及兩者不同體積比的混合溶液為工質(zhì)，在30%～50%充液率下對脈動(dòng)熱管的傳熱溫控性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)研究，并對乙醇-水混合工質(zhì)強(qiáng)化脈動(dòng)熱管傳熱的機(jī)理進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論。

（1）與乙醇和水相比，使用乙醇-水混合工質(zhì)時(shí)脈動(dòng)熱管表現(xiàn)出更好的啟動(dòng)和傳熱溫控性能。充液率分別為30%、40%和50%且乙醇-水體積混合比為1∶1 時(shí)，脈動(dòng)熱管的最小啟動(dòng)功率分別為16W、16W和24W，對應(yīng)的蒸發(fā)段啟動(dòng)溫度分別為34.8℃、37.1℃和44.5℃，表明其在電池充放電溫升過程中能夠?qū)崿F(xiàn)有效啟動(dòng)并正常運(yùn)行。

（2）乙醇-水混合液濃度比介于1∶1 和2∶1之間時(shí)脈動(dòng)熱管一般具有最低的蒸發(fā)段平均溫度，當(dāng)混合比高于或低于該范圍時(shí)，蒸發(fā)段溫度均隨著混合比偏離程度的增加而提高，且水相體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)增加更為明顯，蒸發(fā)段溫度顯著提高。脈動(dòng)熱管在30%充液率下，當(dāng)乙醇-水混合比為2∶1 和48W 輸入功率時(shí)電池的平均溫度可以低至約44℃。該充液率下電池表面均溫性較好，平均溫差可低至接近1.5℃，能夠很好地滿足電池的溫控要求。

（3）使用乙醇-水混合溶液情況下，兩者在在熱物性參數(shù)上的互補(bǔ)性以及熱管內(nèi)部混合液濃度梯度引起的逆Marangoni 流是提升脈動(dòng)熱管傳熱溫控性能的主要原因，使其在動(dòng)力電池散熱領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。