夏侯國(guó)偉，楊彩蕓，陳蘭蘭

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410076；2. 大唐華銀攸縣電廠，湖南 攸縣，412300)

隨著社會(huì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)低溫傳熱技術(shù)的需求日益迫切，如電子元器件的散熱、空調(diào)能量的回收、工業(yè)領(lǐng)域低溫工藝條件下熱量的傳遞等。由于受傳統(tǒng)的散熱技術(shù)的限制，目前這類(lèi)問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好解決，必須開(kāi)發(fā)適于較低溫度下具有優(yōu)良傳熱能力的技術(shù)與設(shè)備。脈動(dòng)熱管因具有優(yōu)異的傳熱性能和較低的啟動(dòng)及工作溫度，已成為在低溫傳熱技術(shù)上取得突破的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。自20世紀(jì)90年代初脈動(dòng)熱管概念被提出以來(lái)[1]，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2-4]、脈動(dòng)熱管傳熱性能[5-13]和脈動(dòng)熱管傳熱過(guò)程進(jìn)行分析研究[14]。文獻(xiàn)研究表明：角板式脈動(dòng)熱管有其自身的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)，其傳熱性能比圓管式脈動(dòng)熱管的性能更優(yōu)[2-3]；脈動(dòng)熱管的傳熱性能受管徑[5-6]、充液率[7-10]、傾角[8-9,11]和工質(zhì)[12-13]等因素的影響，目前，對(duì)其工作機(jī)理尚沒(méi)有統(tǒng)一解釋?zhuān)鞣N新型熱管尚無(wú)一種公認(rèn)的結(jié)構(gòu)型式。在此，本文作者結(jié)合當(dāng)前脈動(dòng)熱管研究熱點(diǎn)，提出 2種平板脈動(dòng)熱管(一種為雙面三角形通道脈動(dòng)熱管，另一種為矩形通道脈動(dòng)熱管)，并對(duì)這 2種通道截面形狀的脈動(dòng)熱管進(jìn)行傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析工質(zhì)、傾角、充液率、加熱功率對(duì)這 2種形狀的熱管傳熱性能的影響，并進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的三角形、矩形截面形狀熱管結(jié)構(gòu)如圖 1所示，外形長(zhǎng)×寬×高為 2.9 mm×34.6 mm×110.6 mm。熱管主要由上蓋板、底盒、三角形或矩形中間隔板組成，這三者用激光焊接起來(lái)。殼體內(nèi)腔高度為2.3 mm，隔板置于內(nèi)腔中間并距離殼體前后兩端各約10 mm，形成的三角形通道當(dāng)量直徑為1.36 mm，矩形通道當(dāng)量直徑為1.3 mm。槽道分布緊湊，其中三角形通道熱管相當(dāng)于有2層通道。熱管蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段的長(zhǎng)度分別為40，30和40 mm，在一端焊接 2個(gè)用于抽真空與充液的不銹鋼管，外徑為 3 mm。熱管殼體材料是厚度為0.3 mm的不銹鋼薄板，可有效減少其熱管的自身導(dǎo)熱熱阻。

脈動(dòng)熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括加熱部分、冷卻部分和數(shù)據(jù)采集部分。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、可調(diào)變壓器、功率表組成，可實(shí)現(xiàn)輸入功率的任意調(diào)節(jié)；冷卻部分為 1臺(tái)改進(jìn)的電腦CPU散熱風(fēng)扇，可實(shí)現(xiàn)空氣強(qiáng)迫對(duì)流散熱；數(shù)據(jù)采集部分溫度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 3。平板熱管每隔10 mm布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，加熱塊上再布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共12個(gè)測(cè)點(diǎn)。溫度測(cè)量一次元件為鎳鉻-鎳硅熱電偶，由數(shù)字多用表采集并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上進(jìn)行處理。為減少實(shí)驗(yàn)中的熱損失，將熱管的絕熱段與蒸發(fā)段及加熱塊用石棉保溫材料包裹。

實(shí)驗(yàn)步驟為：在某充液率下，調(diào)節(jié)不同傾角，在每種傾角下，進(jìn)行不同加熱功率的傳熱性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用二次蒸餾水和丙酮2種工質(zhì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)熱電偶測(cè)量的壁溫在15 min內(nèi)波動(dòng)小于0.5 ℃時(shí)，可認(rèn)為熱管工作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

圖3 測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution of measuring points

傳熱性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，其計(jì)算過(guò)程如下。

式中：A為熱管截面積，cm2；θ1為蒸發(fā)端平均溫度，℃；θ2為冷凝端平均溫度，℃；Q為熱管的加熱功率，W；L為熱管的軸向長(zhǎng)度，cm；q為熱流密度，W/cm2；K為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(cm·℃)。

2 結(jié)果分析與討論

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和整理，可得到一系列實(shí)驗(yàn)曲線。據(jù)這些曲線，從以下幾方面對(duì)熱管的傳熱性能進(jìn)行分析和對(duì)比。

2.1 充液率對(duì)2種截面形狀熱管傳熱性能的影響

當(dāng)垂直安放(即傾角為90°)時(shí)，在不同充液率下，2種截面形狀熱管的傳熱性能分別如圖4和圖5所示。從圖 4和圖 5可見(jiàn)：三角形通道最佳充液率為21%～38%，矩形通道最佳充液率為22%～39%。

2.2 傾角對(duì)2種截面形狀熱管傳熱性能影響

在三角形充液率為29%、矩形充液率為28%時(shí)，進(jìn)行了 5個(gè)不同傾角的傳熱性能實(shí)驗(yàn)。當(dāng)充液率為27%～29%時(shí)，傾角對(duì)三角形通道和矩形通道熱管傳熱性能影響分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可見(jiàn)：這2種通道熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)基本上隨傾角增加而增加，在 90°時(shí)達(dá)到最大；傾角變化對(duì)三角形通道的影響比對(duì)矩形的影響小，即三角形通道對(duì)傾角變化的敏感性更??；矩形通道熱管傾角小于 60°時(shí)易出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。

圖4 充液率對(duì)三角形通道熱管傳熱性能影響Fig.4 Influence of filling ratio on triangular channel heat pipe thermal performance

圖5 充液率對(duì)矩形通道熱管傳熱性能影響Fig.5 Influence of filling ratio on rectangular channel heat pipe thermal performance

圖6 傾角對(duì)三角形通道熱管傳熱性能影響Fig.6 Influence of oblique angle on triangular channel heat pipe thermal performance

2.3 工質(zhì)對(duì)2種截面形狀熱管傳熱性能的影響

比較圖4和圖5可知：三角形通道丙酮工質(zhì)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)與水工質(zhì)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)相比普遍高許多，最大時(shí)前者是后者的 170%；矩形通道丙酮與水工質(zhì)差別不大，只是前者當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)比后者的略高?？傮w而言，丙酮工質(zhì)優(yōu)于水工質(zhì)。

2.4 加熱功率對(duì)2種截面形狀熱管傳熱性能的影響

比較圖4和圖5可知：當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨著加熱功率的增加而增加，當(dāng)熱流密度達(dá)80 W/cm2時(shí)，水工質(zhì)矩形通道熱管可能出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。

2.5 2種截面形狀熱管啟動(dòng)溫度對(duì)比

以充液率為27%～29%、傾斜角度為90°的熱管為研究對(duì)象，考察加熱功率為60 W時(shí)的啟動(dòng)情況，結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見(jiàn)：水工質(zhì)時(shí)，三角形通道熱管與矩形通道熱管的啟動(dòng)溫度均為 32℃；丙酮工質(zhì)時(shí)，三角形通道熱管與矩形通道熱管的啟動(dòng)溫度均為18 ℃。可以認(rèn)為：?jiǎn)?dòng)溫度主要受工質(zhì)的影響，與通道截面形狀關(guān)系不大。

圖7 傾角對(duì)矩形通道熱管傳熱性能影響Fig.7 Influence of oblique angle on rectangular channel heat pipe thermal performance

圖8 水工質(zhì)的熱管啟動(dòng)溫度Fig.8 Start-up temperature of heat pipe with water as working fluid

圖9 丙酮工質(zhì)的熱管啟動(dòng)溫度Fig.9 Start-up temperature of heat pipe with acetone as working fluid

3 結(jié)論

(1) 雙面三角形通道平板脈動(dòng)熱管的最佳充液率為 21%～38%，矩形通道平板脈動(dòng)熱管最佳充液率為22%～39%。

(2) 兩型熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨傾角增加而增加，傾角為 90°時(shí)傳熱能力最強(qiáng)，三角形通道對(duì)傾角變化的敏感性更小。

(3) 丙酮的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)比水的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)大，在一定熱流密度下為水的1.7倍。

(4) 兩型熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)都隨加熱功率增加而增加，當(dāng)熱流密度大于80 W/cm2時(shí)，對(duì)矩形通道，需注意防止干燒。

(5) 啟動(dòng)溫度主要受工質(zhì)的影響，與通道截面形狀關(guān)系不大。

(6) 三角形通道的總體傳熱性能及運(yùn)行平穩(wěn)性比矩形通道的優(yōu)。

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