付玉榮

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可以通過較小的截面實現(xiàn)大量的熱量輸送而無需外加動力，其導(dǎo)熱能力超過目前已知的任何金屬[1]。而環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是在傳統(tǒng)熱管的基礎(chǔ)上，設(shè)計發(fā)明的一種蒸發(fā)段與冷凝段分離的熱管裝置[2]，相較于傳統(tǒng)熱管具有以下優(yōu)點：1 ）系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器是分離的，熱源與熱沉之間可以柔性連接，管線布置不受結(jié)構(gòu)的限制，更加靈活。2）系統(tǒng)由于毛細(xì)芯抽吸力的存在，可反重力運行，適用于一些復(fù)雜的運行環(huán)境。3）環(huán)路熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)僅存在于蒸發(fā)器內(nèi)，汽液管線均為光滑內(nèi)壁面，相比于常規(guī)熱管，液體工質(zhì)流動阻力大大減小，因而可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。鑒于此，目前LHP 系統(tǒng)已成為了整個熱管界研究的熱點，并廣泛應(yīng)用于航空航天、電子元器件散熱、余熱回收及太陽能熱利用等方面[3-4]。

1 環(huán)路熱管

1.1 工作原理

傳統(tǒng)環(huán)路熱管一般由蒸發(fā)器，冷凝器，氣體管線及液體管線這四部分組成，蒸發(fā)器和冷凝器之間通過蒸汽管線和液體管線連通，形成封閉回路，其工作原理圖如圖1 所示。當(dāng)對蒸發(fā)器施加熱載荷時，液體工質(zhì)在毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽槽道流出，進(jìn)入蒸汽管線，在密度差的作用下進(jìn)入冷凝器中被冷凝成液體并保持一定的過冷度[5]，該過冷液體經(jīng)液體管線在毛細(xì)芯所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力驅(qū)動下回流進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行再次蒸發(fā)，如此循環(huán)實現(xiàn)熱量交換輸送，整個過程無需外加動力。

圖1 環(huán)路熱管工作原理圖

1.2 失敗模式

環(huán)路熱管的啟動及運行過程中存在著兩種失敗模式，一是“倒灌”，二是“燒干”[6] ?！暗构唷爆F(xiàn)象一般出現(xiàn)在環(huán)路熱管的啟動過程中，當(dāng)環(huán)路熱管正常啟動時，一方面蒸發(fā)器吸熱，在毛細(xì)芯表面產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽在壓力差的驅(qū)動下沿蒸汽槽道流出蒸發(fā)器；另一方面在毛細(xì)抽吸力的作用下從液體管線補入新的液體工質(zhì)。但當(dāng)蒸汽流動受阻時，汽體工質(zhì)無法流出蒸發(fā)器，反被壓回毛細(xì)芯中，此時即出現(xiàn)蒸汽“倒灌”現(xiàn)象。倒灌蒸汽堵塞毛細(xì)結(jié)構(gòu)并阻礙液體工質(zhì)回流，導(dǎo)致工質(zhì)無法順利循環(huán)，環(huán)路熱管啟動失敗。此外，若是LHP工作過程中運行條件發(fā)生突變?nèi)缂訜峁β释蝗簧?，也會?dǎo)致“倒灌”現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得熱管停止工作。“燒干”通常出現(xiàn)在運行過程中，當(dāng)環(huán)路熱管運行時，隨著加熱功率的增加，毛細(xì)抽吸力的不足或系統(tǒng)充液率過低，導(dǎo)致毛細(xì)芯內(nèi)液體工質(zhì)減少至干涸，此時出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，使得蒸發(fā)器內(nèi)壁溫度急劇升高，LHP 不能正常工作甚至被損毀。

上述兩種失敗模式的出現(xiàn)歸根結(jié)底都是環(huán)路熱管的壓力控制失衡引起的。故在此引出環(huán)路熱管正常工作的必要條件：毛細(xì)結(jié)構(gòu)提供的最大毛細(xì)抽吸力大于或等于系統(tǒng)中流體完成循環(huán)的總壓降，如下式：

式中：(ΔPcap)max為毛細(xì)結(jié)構(gòu)所提供的最大有效毛細(xì)抽吸力，Pa；ΔPe為蒸發(fā)器內(nèi)壓力降，Pa；ΔPv汽體工質(zhì)在汽體管道內(nèi)的流動壓力降，Pa；ΔPc是冷凝器內(nèi)壓力降，Pa；ΔPl是液體管線內(nèi)的流動壓力降，Pa；ΔPg是重力壓降，Pa。

為使環(huán)路熱管順利啟動并正常運行，一方面需要優(yōu)化毛細(xì)結(jié)構(gòu)以提供盡可能大的毛細(xì)抽吸力，另一方面則要通過合理設(shè)計減少系統(tǒng)中流體總壓降。為此，近年來各國學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的實驗研究和數(shù)值模擬，下面將從蒸發(fā)器設(shè)計、毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、工質(zhì)選擇及布置方式這三個方面進(jìn)行簡單介紹。

2 環(huán)路熱管傳熱性能的研究進(jìn)展

2.1 蒸發(fā)器設(shè)計

蒸發(fā)器是LHP 系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分，根據(jù) LHP的使用場合及安裝要求，其蒸發(fā)器可以是平板型或圓柱形。但傳統(tǒng)的圓柱形蒸發(fā)器在實際應(yīng)用中存在無法與散熱面緊密貼合、蒸發(fā)器受熱不均勻等問題，故平板式蒸發(fā)器使用頻率更高、傳熱性能更強。平板型蒸發(fā)器的設(shè)計主要是供液方式的選擇及結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計。

2.1.1 供液方式

平板式蒸發(fā)器的供液方式有兩種：反向供液和縱向供液[7]，其結(jié)構(gòu)形式如圖 2。反向供液是指蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)回流方向與熱流方向平行但反向，此時工質(zhì)流動距離短且分布均勻、供液效果好，但蒸發(fā)器厚度較大，不適合應(yīng)用在小空間散熱中。而縱向供液是指蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)回流方向與熱流輸送方向垂直且補償室位于毛細(xì)芯一側(cè)，這種方式供液可以保證蒸發(fā)器具有較小的厚度，代價是削弱了其供液能力且熱泄露較大。Bai[8]等設(shè)計了一種新型的縱向供液式蒸發(fā)器環(huán)路熱管，毛細(xì)芯直接燒結(jié)在蒸發(fā)器殼內(nèi)壁上，蒸發(fā)在毛細(xì)芯內(nèi)表面完成，采用氨作為傳熱工質(zhì)，模擬了其傳熱性能。結(jié)果表明，該環(huán)路熱管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計大大減少了從蒸發(fā)器到儲液室間的熱泄露，且具有較好的反重力效果。

圖2 不同供液方式的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖[7]

2.1.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)路熱管蒸發(fā)器處的熱泄露及熱阻是影響環(huán)路熱管傳熱性能的重要因素之一。為了解決上述兩個問題，各國學(xué)者研究了多種形式的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。He 等[9]設(shè)計了一種復(fù)合材料的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，加熱面采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的紫銅，側(cè)壁及下壁面采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的316 L 不銹鋼材料，實驗結(jié)果表明相比于全銅材質(zhì)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料蒸發(fā)器能夠有效減少蒸發(fā)器側(cè)壁熱泄露，進(jìn)而提高熱管傳熱性能。Tharayil[10]等在蒸發(fā)器內(nèi)部設(shè)置了 4 個肋片，且肋片表面覆蓋金屬絲網(wǎng)，在增加傳熱面積的同時，使蒸發(fā)器獲得了良好的均溫性能。

單因素分析的結(jié)果表明，年齡、體表面積、白蛋白水平、肝功能水平、合并基礎(chǔ)疾病與異煙肼血藥濃度存在顯著的相關(guān)性；性別和NAT2的兩個位點的基因多態(tài)性沒有顯著相關(guān)性。國外對異煙肼代謝過程的分子生物學(xué)研究表明，NAT2*4和NAT2*15的表達(dá)會影響異煙肼的藥物濃度[14，15]；但本研究沒有觀察到這一現(xiàn)象。這可能與NAT2*4和NAT2*15在亞裔人群中的突變率較低有關(guān)。根據(jù)樣本統(tǒng)計出NAT2*4的突變率為 9.3%（9/97），NAT2*15 的突變率為4.1%（4/97）；故不排除是由于樣本量不足而沒有發(fā)現(xiàn)這兩個基因位點與藥物暴露量之間的關(guān)系。

2.2 毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蒸發(fā)器內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)是環(huán)路熱管能夠成功啟動并正常運行的重要組成部分，它為 LHP 系統(tǒng)運行提供了毛細(xì)驅(qū)動力，用以克服工質(zhì)在整個系統(tǒng)中循環(huán)的壓力損失。目前各國學(xué)者研究較多的吸液芯種類有：微槽吸液芯，金屬絲網(wǎng)芯，粉末燒結(jié)芯以及復(fù)合吸液芯。其孔徑、孔隙率、滲透率綜合決定了毛細(xì)芯的抽吸力和流動阻力，但上述三個性能參數(shù)之間互相影響，使得高毛細(xì)抽吸力和低流動阻力之間存在矛盾。往往小孔徑在增加毛細(xì)抽吸力的同時，帶來的是低孔隙率和低滲透率，也就是說工質(zhì)流動阻力也在增加，這極大地限制了毛細(xì)芯的性能。

楊臥龍[11]等采用一體式燒結(jié)毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)如圖 3（a），設(shè)計了一款新型平板環(huán)路熱管，并實驗研究了其在反重力為高度300 mm 時的熱管性能。結(jié)果表明當(dāng)熱負(fù)荷為20～200 W 時，熱管能夠順利啟動并正常運行，且其反重力運行性能顯著提高。其原因在于一體式燒結(jié)的蒸汽通道與毛細(xì)芯的整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了較高的毛細(xì)力，同時縮短了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱傳遞路徑即減小了液體流動壓降。

圖3 三種不同的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)示意圖

Aoki[12]等人采用了氧化還原后的銅絲網(wǎng)吸液芯制備了厚度分別為0.7 mm 和1 mm 的兩款超薄熱管，實驗測試結(jié)果表明在 100 mm 和 150 mm 的水平傳輸距離下，最大傳熱量分別可以達(dá)到7 W 和20 W。其原因在于銅絲網(wǎng)芯在氧化還原后毛細(xì)力和滲透率得到了明顯提高，使得工作流體在該熱管中具有良好的循環(huán)能力，因而實現(xiàn)了較大的傳熱能力。這表明高性能的吸液芯可以提供更大的毛細(xì)力以實現(xiàn)更大、更遠(yuǎn)距離的熱量輸送。除此之外，李紅傳[13]等制作的超親水多尺度毛細(xì)芯及夏珍[14]等研究的樹狀仿生微通道毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)如圖 3（b）、（c），同樣表現(xiàn)出了良好的傳熱性能，且為后來者拓寬了研究方向。

張浩[15]等研制了一個傳熱距離為1.6 m、具有大蒸發(fā)面積的氨－不銹鋼環(huán)路熱管，該熱管毛細(xì)芯表面帶有徑向或軸向的凹槽，增大了 LHP 蒸發(fā)面積。實驗研究表明該環(huán)路熱管有良好的啟動性能和變負(fù)荷性能。因此大蒸發(fā)面積的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)有助于增強熱管驅(qū)動力，提高熱管的傳熱性能。

2.3 工質(zhì)選擇

工質(zhì)特性及充液率對于環(huán)路熱管性能的影響也是環(huán)路熱管的研究熱點。工質(zhì)的選擇首先需要考慮其熱物理性質(zhì)，由毛細(xì)極限理論可知，良好的液體工質(zhì)應(yīng)具有大表面張力，高汽化潛熱，好的潤濕性以及較小的粘度等，也就是具有高的傳輸因數(shù)。除此之外，還要考慮工質(zhì)與管殼材料及毛細(xì)芯材料的相容性。常溫常壓下工作的環(huán)路熱管中常用的工質(zhì)有水、甲醇、乙醇、丙酮等。

Anand 等[16]研究了丙酮，甲醇，正戊烷和乙醇四種工質(zhì)對LHP 系統(tǒng)傳熱特性的影響，研究表明采用甲醇作為工質(zhì)時環(huán)路熱管能承受的熱負(fù)荷范圍最大，毛細(xì)極限最高。但傳統(tǒng)的相變工質(zhì)由于自身導(dǎo)熱系數(shù)的限制已經(jīng)很難滿足 LHP 系統(tǒng)在有限空間內(nèi)高導(dǎo)熱率的發(fā)展要求，因此國內(nèi)外學(xué)者選擇在傳統(tǒng)工質(zhì)中添加固體顆粒的方式來強化工質(zhì)特性?？紤]到所添加顆粒粒徑過大易引起LHP 設(shè)備的磨損或堵塞，故而提出了將納米材料按一定比例加入傳統(tǒng)工質(zhì)以提高其導(dǎo)熱性能的方法。

大量的實驗研究證明，納米流體作為 LHP 相變工質(zhì)具有更高的傳熱效果和更好的運行性能。Liu 等[17]將加入了碳納米管顆粒的懸浮液作為環(huán)路重力熱管的循環(huán)工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該納米流體能夠很好提高重力熱管的換熱性能。Ismail 等[18]用實驗證明了氧化鋯納米流體代替水作為工質(zhì)提高了熱管的換熱性能及其穩(wěn)定性。Maryam Shafahi 等[19]討論了 3 種不同的納米顆粒（Al2O3、CuO 和TiO2）制作的流體對圓柱型熱管熱力性能的影響。結(jié)果表明，納米流體能夠減小熱力系統(tǒng)熱阻和溫度梯度，提高熱管的熱性能和最大的熱載荷，系統(tǒng)熱阻隨著納米顆粒溶度的增加或納米顆粒粒徑的減小而減小，且存在一個最佳的溶度值使得系統(tǒng)能夠承載的熱載荷達(dá)到最大值。徐燕小[20]以 Cu-去離子水、納米流體作為工質(zhì)，對環(huán)路熱管的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明相比于去離子水和無水乙醇，納米流體能夠顯著提高蒸發(fā)器的傳熱效果，并且存在一個最佳充裝量，使得系統(tǒng)的綜合傳熱性能最優(yōu)。

2.4 布置方式

蒸發(fā)器和冷凝器的布置方式直接決定了環(huán)路熱管豎直方向和水平方向的傳輸距離，并限制了其傳熱能力。

霍杰鵬[21]實驗研究了冷凝器擺放位置對環(huán)路熱管熱輸送能力的影響研究結(jié)果表明冷凝器擺放在靠近蒸發(fā)器出口處即熱輸送距離最短時，最有利于環(huán)路熱管的啟動，但冷凝器冷卻能力較差。當(dāng)冷凝器擺放在靠近儲液室進(jìn)口處即熱輸送長度最大時，蒸汽循環(huán)困難。當(dāng)冷凝器擺放在管線中央即取較合適的傳輸距離時，熱管有最大熱負(fù)荷，且換熱效果最佳。這說明合理的冷凝器位置即熱傳輸距離的確定是熱管能夠具有優(yōu)良換熱性能的重要影響因素。

張文濤[22]建立分離式熱管物理模型，冷凝器位于蒸發(fā)器上方，數(shù)值分析了不同傳輸距離下分離式熱管的傳熱性能，當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器垂直高度由 800 mm增加到 1200 mm 時，熱管系統(tǒng)的換熱量將提高 6.7%。這是由于重力輔助液體工質(zhì)循環(huán)，使得冷凝器內(nèi)蒸汽被快速冷凝，導(dǎo)致的換熱量增加，因此冷凝器在上方時，蒸發(fā)器與冷凝器間高度差的增加是提高環(huán)路熱管換熱性能的一種有效方式。但該距離并不能無限增加，因為當(dāng)垂直距離過高時，一方面加快了液體工質(zhì)的回流速度，但另一方面也阻礙了工作蒸汽到達(dá)冷凝器，影響了冷凝器處工質(zhì)的換熱，進(jìn)而導(dǎo)致了整個熱管系統(tǒng)換熱性能下降甚至失效。當(dāng)蒸發(fā)、冷凝器垂直距離為 1000 mm 時，水平距離由 300 mm 增加為350 mm 和 400 mm 時，蒸汽速度沿水平方向逐漸降低，熱管的換熱性能出現(xiàn)下降，但整體影響較小。這說明由于水平距離增加而引起的工質(zhì)循環(huán)流動阻力的增加是影響環(huán)路熱管性能的主要因素，但當(dāng)加熱功率足夠大時，小范圍內(nèi)水平距離的增加不會過分影響熱管整體的換熱效果。

此外，由于空間布局的限制，環(huán)路熱管地面應(yīng)用時往往需要熱管反重力運行，即運行時蒸發(fā)器布置在冷凝器上方。此時重力阻礙液體工質(zhì)回流，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)阻力增加，影響了環(huán)路熱管的正常啟動和運行。環(huán)路熱管反重力運行是熱管實際應(yīng)用中不可避免的難題。朱亞萍[6]設(shè)計了一套以乙醇為傳熱工質(zhì)的新型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的平板環(huán)路熱管，并進(jìn)行了實驗測試，在反重力高度為 25 mm 時，熱量輸送范圍為 150～800 W。將環(huán)路熱管應(yīng)用于太陽能熱水器中，取代原來的室外水環(huán)路以實現(xiàn)全干式的熱量輸送，在解決室外防凍的同時保證了良好的傳熱效果，具有良好的實際意義。

3 結(jié)論及展望

環(huán)路熱管是一種高效的兩相流換熱裝置，因其導(dǎo)熱率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗重力能力強等特點，受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文從環(huán)路熱管蒸發(fā)器設(shè)計，毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工質(zhì)選擇及布置方式這四個方面簡單介紹了近十年來環(huán)路熱管熱傳輸性能的研究進(jìn)展。為了進(jìn)一步提高環(huán)路熱管的傳熱性能，一方面需要優(yōu)化LHP 結(jié)構(gòu)以提供盡可能大的毛細(xì)驅(qū)動力，另一方面則要減少系統(tǒng)中流動總壓降?；诖耍F(xiàn)將今后研究方向總結(jié)如下：

1）環(huán)路熱管中側(cè)壁及徑向的熱泄露將會嚴(yán)重影響LHP 系統(tǒng)的運行，采取簡單易行的方式改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，以減少漏熱對于提高熱管換熱效率有著重要意義。

2）通過在毛細(xì)芯表面燒結(jié)凹槽等方式增大毛細(xì)芯表面蒸發(fā)面積有助于提高環(huán)路熱管的傳熱性能。

3）研究和制備高性能的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)以解決毛細(xì)芯高毛細(xì)壓力和高流動阻力之間的矛盾是下一步工作的重點。

4）蒸汽槽道作為蒸汽流動的主要壓損通道，其結(jié)構(gòu)、尺寸對于蒸汽能否順利流入蒸汽通道有著巨大影響。因此LHP 系統(tǒng)中蒸汽槽道的形狀及尺寸的研究對于熱管的傳熱性能有著重大的意義。

5）高性能的傳熱工質(zhì)如納米流體的研究及應(yīng)用將顯著提高其強化換熱效果。

6）環(huán)路熱管的布置方式，尤其是蒸發(fā)器在上的反向布置及彎折的研究對于環(huán)路熱管的實際應(yīng)用有著較大的參考價值。