韓曉紅 鄭豪策 王學(xué)會(huì) 高 旭 鹿 丁 陳光明

(1浙江大學(xué)制冷低溫研究所浙江省制冷與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310027)

(2航天低溫推進(jìn)劑技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100028)

1 引言

脈動(dòng)熱管作為一種新型高效傳熱元件，在20世紀(jì)由日本學(xué)者Akachi［1］提出，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、性能高效等特性而受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注［2-3］。脈動(dòng)熱管由一根細(xì)長(zhǎng)的管道通過(guò)彎折成多個(gè)彎頭而制成，其熱量的傳遞是通過(guò)管道內(nèi)部的氣塞和液塞之間的振蕩實(shí)現(xiàn)的。為了使得脈動(dòng)熱管內(nèi)部能夠形成穩(wěn)定的氣塞和液塞分布狀態(tài)，脈動(dòng)熱管的管徑具有上限［4-5］。

脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)與運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)傳熱傳質(zhì)過(guò)程，受諸多因素的影響，如脈動(dòng)熱管管徑［6］、工質(zhì)物性［7］、加熱功率［6-8］、傾斜角［9］、充液率［10-13］等，研究人員對(duì)此作了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Yang［9］等對(duì)內(nèi)徑為1 mm、2 mm的脈動(dòng)熱管的燒干特性進(jìn)行了分析和研究，結(jié)果表明燒干特征會(huì)嚴(yán)重影響脈動(dòng)熱管的傳熱性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的燒干極限隨著管徑的增大而上升。Charoensawan［10］、Rittidech［11］、Qu［12］等通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較不同內(nèi)徑(內(nèi)徑小于 3 mm)的脈動(dòng)熱管傳熱性能，發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)熱管的最大傳熱量隨管徑的增加而增大。同時(shí)，Kwon［13］等通過(guò)研究變管徑單回路脈動(dòng)熱管(內(nèi)徑為1.2 mm/2.2 mm等)，發(fā)現(xiàn)變管徑回路相對(duì)原有單一小內(nèi)徑回路，可以有效地增強(qiáng)其換熱性能。從以上的文獻(xiàn)［6-13］中可以看出，對(duì)于脈動(dòng)熱管的研究主要集中于小管徑(內(nèi)徑小于等于3 mm)脈動(dòng)熱管的傳熱性能，而大管徑脈動(dòng)熱管在相同充液率下工質(zhì)的熱容量較高，且在高熱流密度下具有不易燒干的傳熱優(yōu)勢(shì)，因此加強(qiáng)對(duì)于大管徑脈動(dòng)熱管的研究具有非常重要的意義。但到止前為止，針對(duì)管徑大于3 mm脈動(dòng)熱管的傳熱特性及影響其傳熱特性因素的研究還非常少，目前公開(kāi)的文獻(xiàn)中有Nandan Saha［14］對(duì)影響內(nèi)徑為4 mm的單回路脈動(dòng)熱管傳熱性能的因素(充液率、傾角)開(kāi)展了研究。但其研究是以單回路脈動(dòng)熱管作為研究對(duì)象，無(wú)法完全揭示大管經(jīng)脈動(dòng)管的傳熱特性，需要進(jìn)一步對(duì)多回路脈動(dòng)熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

基于此，本文的主要目的是以?xún)?nèi)徑為4 mm、彎頭數(shù)為10的脈動(dòng)熱管作為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)該脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性、熱流密度及充液率對(duì)傳熱性能的影響進(jìn)行研究，同時(shí)將該結(jié)果與管內(nèi)徑為2 mm、10個(gè)彎頭的脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比分析。以上研究將為大管徑脈動(dòng)熱管的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與步驟

本研究采用圖1所示脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置主要由4個(gè)系統(tǒng)組成:脈動(dòng)熱管系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在脈動(dòng)熱管系統(tǒng)中，采用內(nèi)徑為4 mm，外徑為5 mm的紫銅管，通過(guò)折彎加工成具有10個(gè)“U”形折彎數(shù)的閉合回路。脈動(dòng)熱管的冷凝段、絕熱段以及蒸發(fā)段的長(zhǎng)度分別為80、90和80 mm。在絕熱段以及蒸發(fā)段管道外側(cè)，均包有耐高溫的保溫材料，以降低系統(tǒng)與環(huán)境換熱造成的熱量損失。在加熱系統(tǒng)中，采用直徑為0.3 mm、長(zhǎng)度為10.6 m、電阻為103Ω的鎳鉻電熱絲作為熱源，通過(guò)控制交流變壓器的電壓輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)不同工況下的加熱功率。在冷卻系統(tǒng)中，冷卻水通過(guò)冷卻水水泵輸送進(jìn)入冷卻水箱底部，從水箱另一側(cè)上端出口排入恒溫水槽。在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，蒸發(fā)段和冷凝段的溫度采集選用T型熱電偶，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后其精度為±0.1℃。熱電偶的布置如圖1中所示，在冷卻段、蒸發(fā)段分別布置有4個(gè)熱電偶。加熱段的輸入功率記錄采用功率表，其精度為0.5級(jí)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最終經(jīng)過(guò)Agilent34970A(精度61/2)傳輸?shù)絇C機(jī)上。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置均保持豎直放置。

圖1 脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the pulsating heat pipe experimental set-up

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，為了防止管道內(nèi)部堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，采用酸液洗滌管道內(nèi)部的氧化層，并利用高壓氮?dú)鈱?duì)管道內(nèi)部的雜物進(jìn)行吹除，此后進(jìn)行脈動(dòng)熱管工質(zhì)的充注。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，利用真空泵將管道內(nèi)部壓力抽至1 Pa以下。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)采用去離子水，通過(guò)一次性注液用針筒向管內(nèi)緩慢充注工質(zhì)。通過(guò)控制充注量，設(shè)置脈動(dòng)熱管的充液率(filling ratio)分別為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。通過(guò)調(diào)整交流變壓器的輸出電壓，從而控制蒸發(fā)段輸入功率從40 W變化至80、120、160、200、240 及280 W。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，冷卻水溫度始終保持在20℃。

2.2 數(shù)據(jù)處理

脈動(dòng)熱管的換熱性能通過(guò)熱阻值進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中，熱阻的定義式為:

式中，R為總熱阻，℃/W;P為傳熱量，W;Te和Tc分別為蒸發(fā)段測(cè)點(diǎn)溫度的平均值和冷凝段測(cè)點(diǎn)溫度的平均值，℃，其計(jì)算公式為:

實(shí)際上，定義式中的脈動(dòng)熱管裝置的熱阻包含兩個(gè)并聯(lián)熱阻部分，即管內(nèi)工質(zhì)傳熱熱阻和銅管的導(dǎo)熱熱阻。在并聯(lián)模塊中，管內(nèi)工質(zhì)傳熱熱阻相對(duì)較小，為整體熱阻的主要部分，因而可以忽略銅管導(dǎo)熱熱阻，近似認(rèn)為計(jì)算熱阻即為工質(zhì)的傳熱熱阻。

在本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將采用熱流密度q替代蒸發(fā)段輸入功率P來(lái)衡量傳熱量的大小。其中，熱流密度的定義式為:

式中:q為熱流密度，W/m2;P為加熱功率，W;A為蒸發(fā)段面積，m2。

2.3 誤差分析

由于本實(shí)驗(yàn)裝置在蒸發(fā)段與絕熱段外設(shè)置保溫良好的絕熱材料，本實(shí)驗(yàn)裝置的最大熱量損失為0.7 W，因而相對(duì)于蒸發(fā)段輸入功率可以忽略不計(jì)。所選用T型熱電偶的精度為±0.1℃，綜合考慮熱電偶的測(cè)溫精度和所采用的采集儀器的精度，溫度T的精度為±0.12℃。功率表的測(cè)量精度為±0.15 W。熱阻R的誤差精度計(jì)算公式如下［15］:

根據(jù)T與P的測(cè)量精度，計(jì)算得到熱阻R的最大誤差為3.75%。此外，隨著加熱功率的上升，誤差會(huì)有所減小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析討論

3.1 脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性

脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性可以通過(guò)對(duì)脈動(dòng)熱管工作過(guò)程中壁面溫度的變化分析進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)分析比較不同熱流密度下脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)段的輸入功率超過(guò)最小啟動(dòng)功率時(shí)，隨著熱流密度的增加，脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)時(shí)間變短。同時(shí)，隨著熱流密度的增加，脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程由溫度突變型啟動(dòng)過(guò)渡至溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)。

(1)溫度突變型啟動(dòng)

圖2所示為充液率為0.6、熱流密度為2 924 W/m2時(shí)脈動(dòng)熱管冷凝段、蒸發(fā)段溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。從圖2中可以看出，在脈動(dòng)熱管初始加熱階段，通過(guò)銅管導(dǎo)熱，冷凝段與蒸發(fā)段溫度急劇飛升至高于正常運(yùn)行溫度，同時(shí)熱量得到不斷積累。在此過(guò)程中，緩慢積累的熱量不能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，因而液體工質(zhì)無(wú)法完全克服毛細(xì)阻力產(chǎn)生振蕩。當(dāng)熱量積累至一定水平后，蒸發(fā)段溫度突降，冷凝段溫度隨之上升，此后脈動(dòng)熱管正式啟動(dòng)。在脈動(dòng)熱管穩(wěn)定運(yùn)行階段，蒸發(fā)段與冷凝段的溫度均保持在一定范圍內(nèi)振蕩。此時(shí)熱量的傳遞中相變換熱份額上升，傳熱效果增強(qiáng)。這種啟動(dòng)方式通常在熱流密度較小的工況下出現(xiàn)。因?yàn)槊}動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)汽化需要足夠的熱量，所以在啟動(dòng)初始階段有一個(gè)溫度上升、熱量積累的過(guò)程，同時(shí)最高溫度高于正常運(yùn)行溫度。而在正常啟動(dòng)后，良好的換熱性能使得蒸發(fā)段與冷凝段的溫度發(fā)生降低，進(jìn)而形成穩(wěn)定的溫度振蕩。

圖2 溫度突變型啟動(dòng)Fig.2 Start-up pattern of temperature suddenly changed

(2)溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)

相對(duì)溫度突變型啟動(dòng)方式，溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)過(guò)程中不存在溫度突然降低過(guò)程，而是脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段與冷凝段溫度迅速上升正常運(yùn)行溫度后，平穩(wěn)過(guò)渡至穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖3所示為充液率為0.6、熱流密度為5 848 W/m2時(shí)脈動(dòng)熱管冷凝段、蒸發(fā)段溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)。在此熱流密度下，啟動(dòng)過(guò)程為溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式通常在熱流密度比較高的條件下產(chǎn)生，此時(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)能夠得到足夠的熱量而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)管內(nèi)的溫度振蕩。

3.2 熱流密度對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響

圖3 溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)Fig.3 Start-up pattern of temperature steadily changed

在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，蒸發(fā)段輸入功率的大小決定了傳熱量的大小，是影響脈動(dòng)熱管啟動(dòng)和傳熱性能的重要因素。當(dāng)熱流密度過(guò)低時(shí)，不能產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度振蕩，脈動(dòng)熱管的傳熱能力也較差。當(dāng)熱流密度足夠高時(shí)，閉合回路型脈動(dòng)熱管能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度振蕩。圖4所示為脈動(dòng)熱管的熱阻隨蒸發(fā)段熱流密度的變化規(guī)律圖。從圖4中可以看出，在運(yùn)行過(guò)程中脈動(dòng)熱管的熱阻隨著熱流密度的升高而降低。開(kāi)始階段熱阻下降較快，隨后漸漸趨于平緩。其中在充液率為0.4、熱流密度為10 250 W/m2的工況下得到最小熱阻為0.24℃/W。這是由于隨著熱流密度的升高，管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)速度上升，從而使得循環(huán)加快;管內(nèi)工質(zhì)的流態(tài)從塞狀流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的環(huán)狀流，其換熱性能得到提升。

圖4 熱阻隨熱流密度變化規(guī)律圖Fig.4 Variation of thermal resistance with heat flux at different filling ratios

在本實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，在熱流密度為10 250 W/m2時(shí)仍然沒(méi)有觀(guān)察到脈動(dòng)熱管蒸發(fā)段溫度的急劇上升，也就是說(shuō)其內(nèi)部并未發(fā)生大面積的燒干現(xiàn)象。但是，由于管內(nèi)氣液塞分布不均勻及各彎頭處溫度變化不一致，在脈動(dòng)熱管運(yùn)行過(guò)程中仍然觀(guān)察到了局部燒干。圖5所示為脈動(dòng)熱管在充液率為0.5、熱流密度為7 310 W/m2時(shí)蒸發(fā)段溫度變化圖。從圖5可知熱電偶T8與T5均在加熱過(guò)程發(fā)生溫度飛升，說(shuō)明壁管此時(shí)出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象。此時(shí)在蒸發(fā)段中氣塞管壁處的液膜由于無(wú)法及時(shí)散熱而導(dǎo)致液膜破裂，同時(shí)相鄰液塞無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充而至局部燒干，傳熱性能下降。此后，隨著工質(zhì)震蕩的進(jìn)行，相鄰的液塞工質(zhì)填補(bǔ)至液膜燒干處，使得局部燒干部位溫度迅速下降，重新回歸正常工作狀態(tài)。

圖5 蒸發(fā)段局部燒干圖Fig.5 local dry-out at evaporation section

3.3 充液率對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響

當(dāng)脈動(dòng)熱管的充液率較低時(shí)，此時(shí)脈動(dòng)熱管內(nèi)部氣塞多而液塞少，雖然此時(shí)氣塞能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，但是由于液塞較少導(dǎo)致脈動(dòng)熱管的總傳熱量也較少。同時(shí)，氣塞較多也會(huì)使得脈動(dòng)熱管在較高的熱流密度下易出現(xiàn)局部燒干。當(dāng)管內(nèi)的充液率較高時(shí)，管內(nèi)工質(zhì)的增加會(huì)使得流動(dòng)摩擦阻力增大。同時(shí)，氣塞的減少會(huì)導(dǎo)致脈動(dòng)熱管驅(qū)動(dòng)力減少，使得管內(nèi)脈動(dòng)循環(huán)速度降低以及傳熱能力降低。圖6所示為脈動(dòng)熱管的熱阻在不同熱流密度下，隨充液率變化的規(guī)律。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，在不同熱流密度下，脈動(dòng)熱管均存在著一個(gè)最佳的充液率，且該最佳充液率約為0.4，此時(shí)脈動(dòng)熱管中液相工質(zhì)的傳熱量與氣相工質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力取得良好的平衡。當(dāng)充液率為0.3ˉ0.4時(shí)，隨著充液率上升，熱阻減少且換熱性能得到提高;充液率大于0.4以后，隨著充液率的上升，熱阻呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖6 不同熱流密度下熱阻隨充液率變化圖Fig.6 Variation of thermal resistance with filling ratio at different heat flux

3.4 管徑對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響

為了進(jìn)一步研究脈動(dòng)熱管的管徑大小對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響，本文對(duì)比了管徑大小分別為2 mm和4 mm的脈動(dòng)熱管的熱阻，其中管徑為2 mm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自文獻(xiàn)［7］，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)脈動(dòng)熱管的管徑大小為2 mm和4 mm時(shí)，脈動(dòng)熱管的熱阻均隨著熱流密度的增大而減小。同時(shí)，在相同熱流密度下，內(nèi)徑為4 mm的脈動(dòng)熱管熱阻相對(duì)內(nèi)徑為2 mm的脈動(dòng)熱管熱阻降低約30%ˉ50%。這是因?yàn)?首先，隨著脈動(dòng)熱管的管徑從2 mm增大到4 mm，脈動(dòng)熱管的管內(nèi)容積增大4倍，在相同充液率下，4 mm管徑的脈動(dòng)熱管包含有更多的液體工質(zhì)。因此，在脈動(dòng)熱管換熱過(guò)程中，4 mm管徑的脈動(dòng)熱管可以通過(guò)更多的工質(zhì)帶走蒸發(fā)段的熱量，減小蒸發(fā)段與冷凝段的溫差，從而使得其熱阻值低于2 mm脈動(dòng)熱管的熱阻值;其次，對(duì)于小管徑脈動(dòng)熱管，其管內(nèi)工質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流動(dòng)阻力相對(duì)較大，需要更大的熱驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)管內(nèi)工質(zhì)的振蕩運(yùn)動(dòng)，因此在相同的熱流密度下，其熱阻值較高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并搭建了內(nèi)徑為4 mm、彎頭數(shù)為10的脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)裝置，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了充液率、熱流密度對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響。同時(shí)，通過(guò)與2 mm管徑的脈動(dòng)熱管傳熱性能相比較，分析了大管徑脈動(dòng)熱管的性能優(yōu)勢(shì)。本論文主要的結(jié)論如下:

圖7 不同內(nèi)徑下熱阻隨熱流密度變化圖Fig.7 Variation of thermal resistance of PHPs with different diameters with heat flux

(1)在脈動(dòng)熱管啟動(dòng)過(guò)程中，隨著加熱熱流密度的增加，脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)過(guò)程由溫度突變型啟動(dòng)過(guò)渡至溫度平穩(wěn)型啟動(dòng)。

(2)運(yùn)行過(guò)程中，脈動(dòng)熱管的熱阻隨著熱流密度的升高而降低。開(kāi)始階段熱阻下降較快，隨后漸漸趨于平緩，其中在充液率為0.4、熱流密度為10 250 W/m2的工況下得到最小熱阻為0.24℃/W。在低熱流密度下，蒸發(fā)段會(huì)偶爾出現(xiàn)局部燒干，但之后由于工質(zhì)振蕩而回歸正常工作狀態(tài)。

(3)對(duì)于本實(shí)驗(yàn)研究所采用的脈動(dòng)熱管，在熱流密度為2 928ˉ10 250 W/m2范圍內(nèi)時(shí)，其最佳充液率為 0.4。

(4)4 mm內(nèi)徑脈動(dòng)熱管與2 mm內(nèi)徑脈動(dòng)熱管的熱阻隨著熱流密度的變化趨勢(shì)相同。在相同熱流密度下，內(nèi)徑為4 mm的脈動(dòng)熱管熱阻小于內(nèi)徑為2 mm的脈動(dòng)熱管熱阻。

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