冗余體積對(duì)低溫脈動(dòng)熱管傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

施雅然 徐 冬 呂秉坤 顏吉祥 李來風(fēng)

(1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3 松山湖材料實(shí)驗(yàn)室 東莞 523808)

1 引言

制冷機(jī)做冷源傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體具有運(yùn)行成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),近年來被廣泛使用,高純銅常作為冷頭與磁體間的軟連接來導(dǎo)冷從而避免冷頭震動(dòng)的影響。此種冷量傳輸方式一方面受限于銅的熱導(dǎo)率,銅辮子在遠(yuǎn)距離導(dǎo)冷時(shí)體積過大,經(jīng)濟(jì)性差;另一方面也容易在磁體內(nèi)部形成局部熱點(diǎn),甚至導(dǎo)致磁體失超,故而應(yīng)用效果不佳。脈動(dòng)熱管作為一種新型兩相傳熱裝置,具有傳熱效率高、可遠(yuǎn)距離導(dǎo)冷、受重力影響小等突出優(yōu)點(diǎn),為解決低溫下高熱流密度散熱問題提供了新的方案。

脈動(dòng)熱管(Pulsating heat pipe,PHP)最早是由日本學(xué)者Akachi 在1990 年提出的。PHP 是由一根毛細(xì)管反復(fù)彎折構(gòu)成,包括蒸發(fā)端、絕熱段和冷凝端3部分,其原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示。工質(zhì)在毛細(xì)管內(nèi)受表面張力的主導(dǎo)作用形成隨機(jī)分布的氣塞、液塞,在冷熱端及管間不平衡壓力差的推動(dòng)下形成局部的脈動(dòng)流動(dòng)和總體的循環(huán)運(yùn)行,依靠管內(nèi)工質(zhì)的相變和氣液塞之間的脈動(dòng)來傳遞熱量。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,中高溫區(qū)脈動(dòng)熱管在實(shí)驗(yàn)及機(jī)理方面都取得了長足的進(jìn)展,但低溫脈動(dòng)熱管的研究起步較晚,目前對(duì)于低溫PHP 的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在工質(zhì)、充液率、根數(shù)、管徑等參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響上。例如,Mito[1]等人探究了不同管徑對(duì)傳熱性能的影響,結(jié)果表明內(nèi)徑為1.59 mm 的低溫 PHP 的有效導(dǎo)熱系數(shù)是內(nèi)徑0.78 mmPHP的兩倍;Barba[2]等人測試了不同根數(shù)(36,22,12)的液氮PHP水平放置時(shí)的傳熱性能,結(jié)果表明根數(shù)越多,PHP 的傳熱性能越好;徐冬[3]等人研究了充液率及傾斜角度的影響,結(jié)果表明,存在最佳充液率,其范圍在48.8%—66.1%,且與加熱功率的大小有關(guān),此外,在中等充液率下,重力對(duì)PHP 傳熱性能的影響更為明顯,90°運(yùn)行時(shí)傳熱效果最好。

圖1 脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of PHP

從上述研究內(nèi)容來看,目前對(duì)于低溫PHP 的實(shí)驗(yàn)研究還存在較大的局限性,像冗余體積、初始條件、壁面粗糙度等參數(shù)影響的研究還處于空白階段,不足以揭示其傳熱機(jī)理。因此,為彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足,解決低溫PHP 應(yīng)用的通用性問題,本研究設(shè)計(jì)了一種10 根液氮PHP,實(shí)驗(yàn)研究了冗余體積對(duì)其傳熱性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 帶冗余體積液氮脈動(dòng)熱管

圖2 所示為實(shí)驗(yàn)所用的脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu),其由1 根長1.98 m 的316 不銹鋼毛細(xì)管反復(fù)彎折成10 個(gè)平行通道而制成,首尾兩端通過Swagelok 的T 型不銹鋼三通與充入管相連用以充入工質(zhì)。PHP 毛細(xì)管外徑為1.59 mm(1/16 英寸),內(nèi)徑為0.9 mm,其內(nèi)徑小于液氮脈動(dòng)熱管的臨界直徑,以確保管內(nèi)工質(zhì)主要受表面張力驅(qū)動(dòng)從而能夠形成穩(wěn)定的氣液塞分布。PHP 的臨界管徑定義為:

圖2 液氮PHP 結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖Fig.2 Structure diagram and photograph of nitrogen-based PHP

式中:Dcrit為臨界內(nèi)徑,m/s2;σ為工質(zhì)的表面張力,N/m;g 為重力加速度,m/s2;ρl和ρv分別為工質(zhì)在飽和狀態(tài)時(shí)的氣態(tài)密度和液態(tài)密度,kg/m2。PHP 的蒸發(fā)端、絕熱段和冷凝端的長度分別為35 mm、100 mm、35 mm。蒸發(fā)端和冷凝端由長100 mm,寬35 mm,厚10 mm 的高純銅板制成,其上銑出10 個(gè)寬度略大于毛細(xì)管外徑的凹槽,PHP 毛細(xì)管錫焊在銅板槽內(nèi),保證有良好的熱接觸。蒸發(fā)端的銅板酸洗并打磨光滑后在背面涂抹一層薄薄的低溫清漆,然后將一阻值為80 Ω 的錳銅絲粘貼其上用以在實(shí)驗(yàn)過程中提供階躍式加熱量。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中充入管的存在將不可避免地引入一部分冗余體積,本實(shí)驗(yàn)中脈動(dòng)熱管冗余體積的大小是通過調(diào)節(jié)沖充入管的長度來改變的,實(shí)際結(jié)構(gòu)見圖3。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用小冗余體積的PHP,其充入管是由一段長153 mm,內(nèi)徑為0.3 mm 的不銹鋼管段和一段長267 mm,內(nèi)徑為1 mm 的不銹鋼管段組成,兩段管通過釬焊焊接在一起,其體積占脈動(dòng)熱管體積的17.51%;對(duì)于大冗余體積PHP,其充入管在小冗余體積PHP 充入管的基礎(chǔ)上又加入了一段長1 000 mm,內(nèi)徑1 mm 的不銹鋼管段,兩段不銹鋼管通過?1 的不銹鋼兩通卡套相連(兩段不銹鋼管在卡套內(nèi)部完全對(duì)接,卡套不會(huì)引入額外的冗余體積),其體積占脈動(dòng)熱管體積的79.86%。

圖3 小冗余體積和大冗余體積PHP 結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of small redundant volume PHP and large redundant volume PHP

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖4 所示為本實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)裝置及測控系統(tǒng)。采用一臺(tái)單級(jí)GM 制冷機(jī)提供冷量,制冷機(jī)法蘭通過螺栓連接一真空罩,真空罩法蘭上設(shè)計(jì)有真空抽氣口,實(shí)驗(yàn)前將其與渦輪分子泵機(jī)組相連并將裝置內(nèi)部抽至高真空,以消除氣體對(duì)流和傳導(dǎo)導(dǎo)熱。冷頭與一高純銅制成的防輻射屏蔽罩相連,并通過紫銅熱橋連接冷頭與PHP 的冷凝端銅板,銅板與熱橋接觸面間采用銦片和涂抹Apiezon N 真空導(dǎo)熱硅脂來減小接觸熱阻。防輻射屏外表面及整個(gè)PHP 組件均包裹30余層真空多層絕熱材料,以減少輻射漏熱。冷頭上粘有一個(gè)大功率聚酰亞胺加熱膜,用于在冷凝端控溫時(shí)提供冷頭熱量補(bǔ)償。裝置布置8 個(gè)溫度計(jì)測點(diǎn)(如圖中白點(diǎn)所示),所有溫度計(jì)均為經(jīng)過中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫計(jì)量站標(biāo)定的鉑電阻溫度計(jì),精確度0.5 K,采用四線制測量并涂抹Apiezon N 導(dǎo)熱硅脂改善熱接觸,所有溫度計(jì)的引線均在測點(diǎn)位置附近熱沉,以消除引線從室溫端引入的導(dǎo)熱漏熱。此外,在緩沖罐和充入管剛剛進(jìn)入室溫端的管路上裝有兩個(gè)壓力傳感器,分別用來控制充液率及監(jiān)測PHP 內(nèi)部壓力振蕩。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置及測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic illustration of experimental device and data acquisition system

實(shí)驗(yàn)過程中通過控溫儀和防輻射屏上法蘭的加熱電阻控制熱橋溫度始終維持在77 K,以保證PHP冷凝端恒定在液氮常壓下的沸點(diǎn)溫度。所有壓力及溫度數(shù)據(jù)由萬用表采集,加熱膜與蒸發(fā)端錳銅絲分別通過兩個(gè)恒惠直流電源供電。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理過程由LabVIEW 軟件編寫的程序控制,如圖4所示。

2.3 充注系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)過程

由于低溫工質(zhì)在常壓下是氣態(tài),故而低溫脈動(dòng)熱管的充液過程不同于室溫脈動(dòng)熱管的液態(tài)充注,而是先在室溫下充入一定質(zhì)量的氣態(tài)工質(zhì),降溫過程中工質(zhì)液化從而達(dá)到所需充液率,該過程通過充注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。充注系統(tǒng)包含緩沖罐、高純氮?dú)馄?、閥門及充入管等,結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 充注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Schematic illustration of filling system

實(shí)驗(yàn)開始前,先對(duì)管路進(jìn)行吹掃純化:關(guān)閉V3,打開V1、V2,開啟真空泵對(duì)緩沖罐、充注管道及PHP內(nèi)部進(jìn)行粗抽;隨后,關(guān)閉V2,打開V1、V3 及氮?dú)馄块y門,充入99.999% 的高純氮?dú)?。以上操作反?fù)進(jìn)行5 次以上,最后一次將管道內(nèi)部抽至10-5Pa 左右。隨后,關(guān)閉V1、V2,打開V3 向緩沖罐內(nèi)充入高純氮?dú)庵钡綁毫鞲衅鱌2 示數(shù)達(dá)預(yù)估的初始?jí)毫0以后關(guān)閉所有閥門。使用分子泵機(jī)組將真空腔內(nèi)部抽至10-3Pa 以下后,開啟制冷機(jī)降溫,并打開緩沖罐與PHP 管道間的閥門V1。隨著冷頭及PHP 組件溫度的不斷降低,氮?dú)庠诿}動(dòng)熱管內(nèi)液化導(dǎo)致緩沖罐壓力下降,直至壓力傳感器P2示數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)壓力Pf(接近1.013 ×103Pa)后,關(guān)閉V1,充注過程完成。充液率FR的計(jì)算是將氮?dú)庾鳛槔硐霘怏w,并根據(jù)質(zhì)量守恒求得:

式中:VBT、VPHP分別為緩沖罐、脈動(dòng)熱管的體積,m3;p0為緩沖罐內(nèi)部的初始充氣壓力、pf為充液結(jié)束后緩沖罐的內(nèi)部壓力,Pa;Rg為氣體常數(shù);Tamb為環(huán)境溫度,K;ρv和ρl分別取氮在77.3 K 下對(duì)應(yīng)的飽和氣和飽和液密度,kg/m3。

待蒸發(fā)端、冷凝端溫度均冷卻至77 K 左右并保持穩(wěn)定后,打開直流源供電,使錳銅絲向蒸發(fā)端提供穩(wěn)定的階梯性上升熱輸入。記錄各時(shí)刻蒸發(fā)端、冷凝端溫度及PHP 壓力。PHP 的傳熱性能由有效導(dǎo)熱系數(shù)評(píng)估,即:

式中:Q為輸入到脈動(dòng)熱管蒸發(fā)端的加熱功率,W;L為脈動(dòng)熱管的絕熱段的長度,m;n為脈動(dòng)熱管的絕熱段根數(shù);di為脈動(dòng)熱管的絕熱段內(nèi)徑;Te、Tc分別為每一次改變加熱功率蒸發(fā)端和冷凝端達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定后的溫度,K。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 預(yù)冷及降溫過程

在液氮PHP 開始運(yùn)行前,需要經(jīng)過預(yù)冷將整個(gè)組件冷卻至液氮溫度,圖6 所示液氮PHP 在充液率為50%,豎直放置時(shí)的降溫曲線。該工況下,緩沖罐的初始充氣壓力p0為234 kPa。在A 點(diǎn),開啟制冷機(jī)降溫后,隨即打開閥門V1,工質(zhì)被引入充注系統(tǒng)及PHP 組件內(nèi)。AB 階段,由于冷凝端通過熱橋與冷頭相連,在1 h 后便迅速下降至85 K,由于低溫PHP 在室溫下熱阻較大,蒸發(fā)端只依靠不銹鋼管壁及靜態(tài)氮?dú)獾臒醾鲗?dǎo)來導(dǎo)冷,溫度下降緩慢。在B 點(diǎn),冷凝端開始有液氮產(chǎn)生,緩沖罐及PHP 的壓力同步大幅度下降,此時(shí)開啟控溫,使冷凝端溫度維持在77.3 K 左右。BC 階段,隨著時(shí)間的推移,越來越多的氣體在冷凝端以及部分絕熱段液化,由于表面張力的作用形成交替分布的氣液塞并在管內(nèi)振蕩,液塞在重力作用下逐漸向蒸發(fā)端方向移動(dòng),故而該階段蒸發(fā)端溫度明顯下降。在C 點(diǎn),緩沖罐壓力下降至預(yù)設(shè)壓力pf(103.4 kPa),迅速關(guān)閉閥門V1,充液過程結(jié)束。在CD 階段后期,待蒸發(fā)端、冷凝端溫度及壓力均穩(wěn)定在接近常壓下的兩相狀態(tài),預(yù)冷過程結(jié)束。從結(jié)果來看,小、大冗余體積PHP 降溫過程基本一致,說明冗余體積對(duì)PHP 組件的降溫及預(yù)冷過程無明顯影響。

圖6 液氮PHP 在FR=50%,90°放置時(shí)的預(yù)冷過程Fig.6 Cooling process of nitrogen-based PHP at FR=50%,90°orientation

3.2 冗余體積對(duì)傳熱特性的影響

圖7 分別顯示了小冗余、大冗余體積液氮PHP在不同熱負(fù)荷下溫度、壓力的變化情況。兩次實(shí)驗(yàn)均在50%的充液率,90°方向上運(yùn)行。從圖中可以看到,在未達(dá)燒干點(diǎn)之前,每一次增加熱負(fù)載,冷頭充足的冷量始終能夠維持冷凝端恒定在80 K 以下,即氣塞始終可以在冷凝端被液化,而蒸發(fā)端的溫度和PHP內(nèi)部壓力則在經(jīng)歷一個(gè)短暫的上升過程后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),這表明PHP 可以成功運(yùn)行,有效地將熱量從蒸發(fā)端輸送至冷凝端。隨著熱負(fù)荷的繼續(xù)增大,PHP 被燒干,此時(shí)工質(zhì)停止了循環(huán)流動(dòng),蒸發(fā)端向冷凝端的傳熱量降低,冷凝端的工質(zhì)迅速液化,壓力驟降;而蒸發(fā)端由于沒有液體補(bǔ)充,不再發(fā)生相變,溫度大幅度上升。脈動(dòng)熱管燒干前能夠傳遞的最大熱負(fù)荷定義為脈動(dòng)熱管的極限熱負(fù)荷。在本實(shí)驗(yàn)工況下,小冗余體積PHP 的極限熱負(fù)荷為40 W,是大冗余體積PHP(17 W)的2 倍。其原因可能是:工質(zhì)從冷凝端到蒸發(fā)端的回流驅(qū)動(dòng)力來自于液塞的重力水頭及相鄰管間的不平衡壓力差。對(duì)于大冗余體積PHP 來說,較長的充入管內(nèi)部囤積了大量的氣體,其存在相當(dāng)于引入了一個(gè)氣體緩沖罐,它平衡了邊路兩根毛細(xì)管間的壓力,使得邊路毛細(xì)管與相鄰管間的壓力差被削弱,回流驅(qū)動(dòng)力不足,大部分液塞被囤積在冷凝端,蒸發(fā)端的某些位置得不到液態(tài)工質(zhì)的及時(shí)補(bǔ)充發(fā)生局部燒干。

圖7 液氮PHP 在FR=50%,90°放置時(shí)的傳熱特性Fig.7 Heat transfer performance of nitrogen-based PHP at FR=50%,90°orientation

圖8 所示為小、大冗余體積PHP 的有效熱導(dǎo)率隨功率的變化情況。對(duì)于小冗余體積PHP 來說,隨著加熱功率的增大,越來越多的氣泡在蒸發(fā)端產(chǎn)生,驅(qū)動(dòng)力逐漸增大,工質(zhì)的脈動(dòng)速度增大,故而熱導(dǎo)率逐漸提高。然而,當(dāng)加熱功率繼續(xù)增加時(shí),氣泡的增大又會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)端液膜換熱面積的減小,使得熱導(dǎo)率下降。因此,當(dāng)加熱功率為21.385 W 時(shí),存在熱導(dǎo)率峰值,其值高達(dá)28 000 W/(m·K)。但在高加熱功率下,小冗余體積PHP 在達(dá)到熱導(dǎo)率最低值后并沒有直接燒干,而是出現(xiàn)了熱導(dǎo)率的回升,由于低溫PHP 的可視化還未實(shí)現(xiàn),目前無法觀測這一部分是否發(fā)生了其他流型的轉(zhuǎn)變,其原因還需要更深一步的研究。對(duì)于大冗余體積PHP 來說,中低加熱功率下熱導(dǎo)率降低,出現(xiàn)了傳熱性能的惡化,究其原因可能是:加熱功率增加,盡管更多的氣塞在蒸發(fā)端產(chǎn)生,局部壓力增大,但這部分增大的驅(qū)動(dòng)力隨即便被大冗余體積的緩沖作用削弱,不足以推動(dòng)液塞形成較為劇烈的脈動(dòng),通過液塞脈動(dòng)傳遞的顯熱量降低,傳熱性能下降。而隨著功率的繼續(xù)增加,蒸發(fā)端氣泡不斷長大、增多,冷熱端壓力差大幅度增加,冗余體積帶來的削弱作用被湮沒,巨大的壓差驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)工質(zhì)克服毛細(xì)阻力、摩擦力形成快速穩(wěn)定的循環(huán)流動(dòng),傳熱性能得到了改善,熱導(dǎo)率回升。在加熱功率為12.5 W時(shí),大冗余體積PHP 的熱導(dǎo)率達(dá)到峰值26 914 W/(m·K)。但很快,達(dá)到了極限熱負(fù)荷,PHP 內(nèi)部出現(xiàn)了燒干,工質(zhì)停止了循環(huán),熱導(dǎo)率急劇下降。

圖8 冗余體積對(duì)液氮PHP 有效熱導(dǎo)率的影響Fig.8 Effect of redundant volume on effective thermal conductivity of nitrogen-based PHP

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,小冗余體積液氮PHP 的極限熱負(fù)荷更大,能達(dá)到更高的有效熱導(dǎo)率,其傳熱性能明顯優(yōu)于大冗余體積PHP。這表明,冗余體積的引入,盡管對(duì)初始充液率并無影響,但會(huì)很大程度地通過影響工質(zhì)的流動(dòng)流型惡化PHP 傳熱性能,在工程應(yīng)用中,應(yīng)采用更細(xì)更短的充入管以消除冗余體積引入的不利影響。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了冗余體積對(duì)液氮PHP 傳熱性能的影響,該P(yáng)HP 由10 根內(nèi)徑0.9 mm 的平行不銹鋼毛細(xì)管組成,蒸發(fā)端、絕熱段、冷凝端的長度分別為35 mm、100 mm、35 mm,冗余體積由充注系統(tǒng)中的充入管引入,小、大冗余體積分別占PHP體積的17.51%、79.86%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,小冗余體積PHP的最大有效熱導(dǎo)率達(dá)28 000 W/(m·K),其極限熱負(fù)荷高達(dá)40 W,是大冗余體積PHP 的2 倍。冗余體積的引入會(huì)一定程度地惡化液氮PHP 的傳熱性能,在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小冗余體積。