工質(zhì)對頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管的影響

郭子瑞 池日光

哈爾濱商業(yè)大學能源與建筑工程學院

0 引言

脈動熱管是Akachi 提出的新型熱管[1]，將一根細長的管子彎曲制作成如圖1[2]所示的形狀，除去內(nèi)部不凝結(jié)氣體后再注入一定量的工質(zhì)（如水、乙醇等）制作而成。在表面張力的影響下脈動熱管內(nèi)部形成多個汽塞和液塞，當對脈動熱管的蒸發(fā)段和冷凝段進行加熱和冷卻時，由于溫度分布的不均勻?qū)е缕g產(chǎn)生壓差，在該壓差的作用下工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段之間不斷的做往返運動，通過相變和對流傳熱來實現(xiàn)熱量的傳遞[3-4]。與傳統(tǒng)的脈動熱管相比，結(jié)構(gòu)上具有簡單、小型化、無吸液芯和極高的傳熱極限和遠距離傳熱等優(yōu)點，在如電子冷卻等領(lǐng)域里成為研究熱點。

Yang 等人對內(nèi)外徑為1 mm/2 mm 和2 mm/3 mm的乙醇脈動熱管進行了研究[5-6]，與前者相比后者的傳熱極限提高了40%，且前者傳熱極限幾乎不受傾斜角的影響，而后者的傳熱極限隨傾斜角的增大而減小。Rittidech等人對于內(nèi)徑為0.66 mm，1.6 mm 和2.03 mm 的脈動熱管進行了比較[7]，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)為R123時傳熱極限隨著內(nèi)徑的增加而增大，而工質(zhì)為乙醇時卻與之相反。Hu 等人對內(nèi)徑為0.4 mm，0.8 mm 和1.3 mm 的水平脈動熱管進行了實驗比較，發(fā)現(xiàn)隨著內(nèi)徑的增加其熱阻也逐漸減小，傳熱極限從70 W 增加到了120 W[8]。

Tseng 等人以HFE-7100，甲醇和乙醇作為脈動熱管的工質(zhì)進行了實驗，其結(jié)果表明加熱量在60 W 以下時，HFE-7100 的性能最好。加熱量在60 W 以上時，作為工質(zhì)水的性能最好，HFE-7100 的性能最差[9]。SAHA 等人以丙酮，水，丙醇和甲醇為工質(zhì)，在0～40 W的水平加熱條件下進行了研究，他們的實驗結(jié)果表明丙酮的性能最好，其次是丙醇[10]。Sarangi 等人以水和乙醇為工質(zhì)，在100 ℃/28 ℃的加熱/冷卻條件下進行了實驗，發(fā)現(xiàn)各自的最佳充液率分別為50%和62%[11]。Cui 等人進行了混合工質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)與純甲醇工質(zhì)相比，兌入一定量的水或乙醇時能夠有效的緩解燒干現(xiàn)象[12]。Shi 通過實驗比較了純乙醇工質(zhì)和水/乙醇工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)混合工質(zhì)的熱阻較低且其最大傳熱量也有明顯的提高[13]。

在本研究中提出了圖2 所示的脈動熱管電池熱管理系統(tǒng)，該脈動熱管具有蒸發(fā)段長（150 mm）、冷凝段短的特點（25 mm），且絕熱段長度幾乎為零。由于重力的影響，頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管相比于頂部冷卻/底部加熱型在傳熱性能上相差較大，此時工質(zhì)的選擇和充液率尤為重要。在本研究中，以甲醇，乙醇和水作為工質(zhì)進行實驗并分析了脈動熱管的啟動特性和傳熱性能。

1 實驗設(shè)備及實驗條件

如圖3 所示，本研究中的實驗臺主要由直流電源、恒溫水槽、脈動熱管、測溫系統(tǒng)等構(gòu)成。脈動熱管模塊由外到內(nèi)依次為固定板，隔熱板脈動熱管和加熱器，中心處加熱板與脈動熱管的蒸發(fā)段之間則為導(dǎo)熱墊片。

圖3 實驗系統(tǒng)

考慮到汽塞的穩(wěn)定和工質(zhì)流動過程中的壓降，脈動熱管的內(nèi)徑可通過下式確定[14]。

本研究中的脈動熱由內(nèi)外徑為1 mm/2 mm 的銅管制作而成，共15 匝且高和寬分別為190 mm 和150 mm。脈動熱管的冷凝段與冷卻板相連，由恒溫水槽提供冷卻水。測溫系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器和熱電偶構(gòu)成，且測溫點如圖4 所示：No.1～5 為加熱板上的測溫點。No.6～8，No.9～11，No.12～14 分別為脈動熱管蒸發(fā)段的上部、中部和下部的測溫點。No.15～17 為脈動熱管冷凝段的測溫點。No.18～19 為冷卻板冷卻水進出口的測溫點，且數(shù)據(jù)采集間隔為0.5 秒。

圖4 熱電偶測溫點

本文中通過式（2）求得熱阻來評價脈動熱管的傳熱性能[15]，Th為某一時間段內(nèi)脈動熱管蒸發(fā)段上9 個測溫點的平均溫度，Tc為冷凝段3 個測溫點的平均溫度，Q為電源的輸出功率。

本研究的實驗條件如表1 所示，所采用的的工質(zhì)為甲醇、乙醇和水，且其充液率（VF）為8.9%，13.3%和17.7%，其實驗順序如下：

表1 實驗條件

1）啟動真空泵除去脈動熱管內(nèi)部的不凝結(jié)氣體。

2）利用注射器將一定量的工質(zhì)推入到脈動熱管內(nèi)部。

3）設(shè)定電源電壓、冷卻水溫度等實驗參數(shù)。啟動的同時記錄各個測溫點隨時間的變化。

4）當加熱板溫度不再變化時停止記錄溫度并停止實驗。

5）解除脈動熱管的真空，除去了脈動熱管內(nèi)部的工質(zhì)。

由于脈動熱管的各測溫點的溫度隨時間是周期性變化的，所以在本研究中以加熱板的溫度不再變化或變化很小時，可認為脈動熱管的運行達到了穩(wěn)態(tài)。

2 實驗結(jié)果分析

工質(zhì)為甲醇且充液率為8.9%，13.3%和17.7%時的實驗結(jié)果如圖5 所示。充液率為8.9%和13.3%時啟動溫度大約在35 ℃和38 ℃附近，低于穩(wěn)態(tài)時的溫度，而充液率增加到17.7%時，啟動溫度達到了60 ℃以上，且啟動溫度遠高于穩(wěn)態(tài)時的溫度。

圖5 工質(zhì)為甲醇時的啟動特性

圖6 為工質(zhì)為乙醇時的實驗結(jié)果。液率為8.9%時的啟動溫度大約為35 ℃與甲醇相比相差無幾，而充液率為13.3%時啟動溫度達到了50 ℃，與甲醇相比足足提高了10 ℃且出現(xiàn)了啟動溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度的現(xiàn)象。而充液率為17.7%時，在53 ℃下發(fā)生溫度的震蕩，在維持了一段時間之后停止了震蕩，當溫度逐漸升高到一定值后再次發(fā)生了溫度的震蕩。工質(zhì)為水時，如圖7所示，沒有發(fā)生甲醇和乙醇時的溫度的震蕩，即脈動熱管沒有啟動。在相同的充液率條件下，甲醇的啟動溫度最低，其次是乙醇，水在78 ℃下仍未發(fā)生溫度的震蕩。

圖6 工質(zhì)為乙醇時的啟動特性

圖7 工質(zhì)為水時的啟動特性

式（3）為Antoine 公式[16]，其工質(zhì)參數(shù)見表2[16]。用飽和溫度對飽和壓力進行微分即可獲得單位溫差下的飽和壓差，且甲醇、乙醇和水的計算結(jié)果具體如圖8所示。

表2 Antonie 方程中工質(zhì)的參數(shù)

圖8 工質(zhì)的飽和壓力隨溫度的梯度變化

從圖8 中可知甲醇的單位溫差下的飽和壓力梯度最大，其次是乙醇和水，且從表3[17]可知甲醇和乙醇的密度、比熱和潛熱等熱物性參數(shù)與水相比較低，所以在相同的加熱和冷卻條件下，工質(zhì)為甲醇和乙醇時的溫度變化快使得壓力變化也快，脈動熱管越容易啟動，而工質(zhì)為水時因不能提供足夠大的蒸氣壓而未能啟動。

表3 工質(zhì)熱物性參數(shù)

圖9 所示的是工質(zhì)為甲醇，水和乙醇且達到穩(wěn)態(tài)時的脈動熱管的熱阻，圖10～12 所示的是工質(zhì)分別為甲醇、水和乙醇各測溫點隨時間的變化情況。工質(zhì)為甲醇時，在8.9%～17.7%的充液率范圍內(nèi)的溫度震蕩為非間歇性，且脈動熱管蒸發(fā)段各測溫點之間的溫差隨著充液率的增加而減少，熱阻從0.77 K/W 減少到0.64 K/W 再增加到了0.74 K/W。這表明充液率較低時，不能充分有效地給蒸發(fā)段中/上部提供工質(zhì)而發(fā)生燒干現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸發(fā)段各點發(fā)生溫差和熱阻的增加。但隨著充液率的增加，工質(zhì)能夠充分的提供到蒸發(fā)段的中/上部，緩解了工質(zhì)不足而發(fā)生的燒干現(xiàn)象。但充液率過多時，不僅減少了工質(zhì)的加速度和速度，還增加了流動過程中與壁面的阻力，阻礙了工質(zhì)的流動，從而增大了熱阻甚至發(fā)生了間歇性運行。工質(zhì)為乙醇且充液率為8.9%和13.3%時與甲醇的結(jié)果類似，溫度震蕩為非間歇性運行，熱阻從0.96 K/W 降低到0.83 K/W。但充液率為17.7%時卻發(fā)生了間歇性運行，熱阻從VF=13.3%時的0.83 K/W 急劇增加到了1.72 K/W，而工質(zhì)為水時如圖13 所示8.9%～17.7%的充液率范圍內(nèi)，在較長時間的加熱條件下仍未發(fā)生溫度的震蕩，即脈動熱管中的傳熱形式為純導(dǎo)熱，并且其熱阻為1.85 K/W。

圖9 脈動熱管熱阻

圖10 工質(zhì)為甲醇時溫度隨時間的變化

圖11 工質(zhì)為乙醇時溫度隨時間的變化

圖12 工質(zhì)為水時溫度隨時間的變化

3 結(jié)論

為了有效進行電動汽車電池熱管理，本研究中以甲醇，乙醇和水作為頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管的工質(zhì)，分析了啟動階段和穩(wěn)態(tài)階段下的運行特性，并且其結(jié)論如下：

1）甲醇作為頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管的工質(zhì)其性能最好，而水作為工質(zhì)是不合格的，并且該結(jié)果表明頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管的工質(zhì)需具有較大的飽和壓力。

2）隨著充液率的增加，啟動溫度也在增加，這表明充液率的增加導(dǎo)致工質(zhì)在流動過程中的阻力也增大，啟動所需的蒸汽壓差也越大即啟動溫度也越大，并且隨著充液率的增加脈動熱管的穩(wěn)態(tài)運行從非間歇轉(zhuǎn)向間歇性。

3）脈動熱管的熱阻隨著充液率的增加呈先減少后增大的趨勢，表明過低的充液率或過多的充液率導(dǎo)致燒干現(xiàn)象或流動阻力的增加和間歇性運行，即脈動熱管存在最佳的充液率。

符號說明:

g 重力加速度[m/s2]

Psat飽和壓力[Pa]

Q供熱量[W]

Tcool冷卻水溫度[℃]

Tc冷凝段溫度[℃]

Te蒸發(fā)段溫度[℃]

Tsat飽和溫度[℃]

R 熱阻[℃/W]

σ表面張力[N/m]

ρl液相密度[kg/m3]

ρg氣相密度[kg/m3]