脈動熱管可視化實驗前期難點問題研究

劉玉東 周躍國 周小三

(重慶大學動力工程學院 重慶 400030)

熱管作為一種高效傳熱元件，其相當導熱系數是銅的幾十倍、甚至幾百倍，故有超導熱體之稱。在無外加動力的情況下它借助管內工質的相變來實現巨大熱量的遠距離傳輸。熱管具有其它傳熱技術所不具備的許多優點：卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等。因此，熱管技術已經在越來越廣闊的領域取得卓有成效的應用。我國熱管技術在化工、建材、冶金、動力工程、生物工程、航空、航天等方面的應用處于國際領先地位。在制冷空調行業由于冷熱流體間的溫差小，熱管技術更能體現其優越性，使之成為實現制冷空調低能耗、高效率、冷熱源多樣性、走綠色空調之路的現實技術基礎之一，在實現人與自然的和諧相處和可持續發展方面，具有廣闊的發展前景。

脈動熱管(pulsating heat pipe簡稱PHP)作為熱管家族的新成員，它誕生于二十世紀九十年代，最早由日本人Akachi[1]發明。其結構和工作原理與常規熱管有很大的不同。它有兩種最基本的結構：回路型和開路型，如圖1所示。

其中帶單向閥的閉合回路型脈動熱管可以有效控制工質的流動方向和改善傳熱特性，但是由于熱管制造的微型化使得在管路上添加一個或多個單向閥的目標變得難以實現，因此從實際應用角度來看沒有閥門的閉合回路型脈動熱管更具競爭優勢。

與傳統熱管不同，脈動熱管內部不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多學科、多參數的氣液兩相流系統。脈動熱管的工作原理是：首先將毛細管抽真空并充入部分工質，由于管徑細小，在表面張力的作用下工質會以氣液柱的形式隨機分布在管內；當在加熱端施加足夠的熱量后，內部工質會出現沸騰和膨脹，氣液柱在壓差的推動下從加熱段流向冷凝段，氣柱在冷凝段遇冷收縮破裂、釋放熱量之后，在重力的作用下連同到達冷凝端的液柱返回至加熱段從而實現熱量的傳遞。

圖1 脈動熱管基本結構Fig.1 The basic forms of pulsating heat pipes

脈動熱管與傳統熱管相比具有如下顯著優點：1)體積小，結構簡單，成本低。管徑細小及微電子元器件對冷卻器的要求共同決定了脈動熱管的整體尺寸小；內部沒有毛細芯結構，有利于降低熱管結構的復雜性和生產成本；沒有其它機械運動部件，因而運行平穩、維護費用低。2)傳熱性能優良。除通過相變傳熱外，脈動熱管還通過氣液柱的振蕩傳遞顯熱并將熱量轉化為振蕩所需要的功。3)適應性好。脈動熱管的形狀可以任意彎曲，可以有多個加熱段和冷凝段，而且加熱和冷凝的部位可以隨意選取，可以在任意傾斜角度和加熱方式下工作。

脈動熱管除了應用于電子元器件的散熱[2]外，還在改善材料的性能、地板采暖[3]、 空調排風預熱回收[4]等領域得到了應用。目前國內已有很多關于脈動熱管可視化實驗研究的文章，然而這些文章主要將實驗結果作為重點分析的對象，很少針對實驗過程中遇到的問題進行研究探討。這里特對脈動熱管可視化實驗過程中遇到的一些問題進行了分析研究，對以后的研究者少走彎路有一定的意義。

圖2 脈動熱管結構形式Fig.2 The structure of pulsating heat pipes

1 脈動熱管的結構形式

目前，國內用于實驗的脈動熱管有圖2(a)和(b)所示的幾種形式。

一些研究者[5-7]在脈動熱管上僅設置了充液口(即抽真空口)，采用了如圖2(a)所示的結構；而另一些研究者[8-13]不但在脈動熱管上部設置了充液口還設置了真空表接頭，采用了如圖2(b)所示的結構。在脈動熱管上部設置真空表不但可以讀取管內的真空度而且可以檢驗整個裝置的氣密性，故從有利于實驗的角度來講，圖2(b)在結構形式上要優于圖2(a)，然而在按圖2(b)所示的結構加工成脈動熱管，在進行充液測試時，發現工質并不會像想像的那樣從充液口進入后順著脈動熱管的彎曲方向流動，而是大量聚集在充液接頭和真空表接頭下部及兩個接頭之間的水平管段中，之所以會出現這種現象是因為充液接口與真空表接口之間通過水平管段連接形成了連通器，造成充液時兩者的液面高度始終相同，使進入下部平行毛細管內的工質極少；存在的另一個問題是更換充液率和工質種類比較困難。因此，對脈動熱管進行了如圖2(b)所示的改進。即在充液接頭與壓力表接頭之間安裝磨口玻璃塞。充液時關閉玻璃塞使工質順著管子彎曲方向流動，實驗開始后打開玻璃塞使工質在管內循環流動；更換工質時將磨口玻璃塞拔出，利用空氣泵將管內工質從玻璃塞處泵出。Charoensawan[14]等人的研究表明一定數目的閥門可以提高脈動熱管的性能。雖然改進后的脈動熱管能夠很好地實現工質的充注和更換但也帶來了一些問題，一是添加閥門增加了系統泄漏的可能性，二是工質仍然會在充液接頭及真空表接頭下方的豎直管段中聚集。前者可以通過提高密封性來解決，后者則要通過適當減短充液接頭及真空表接頭下方的豎直管的高度來解決。

2 均勻充液實驗

脈動熱管管內工質的充注及氣液柱的形成依賴于脈動熱管的內外壓力差、表面張力、重力等因素。王偉[15]指出，在脈動熱管內充入部分工質后立刻關閉閥門，過一段時間后再次打開閥門進行充注(即不連續間隔充注工質)，這樣持續進行直到滴定管中的工質全部進入銅管內，可以實現工質以氣液間隔的狀態均勻分布在管內。通過多次的充液實驗，這里認為這種做法存在兩個問題。一是工質的充注靠犧牲真空度為代價，而管內的真空度是有限的，另外閥門的開閉也不可能十分迅速，故在閥門打開的一瞬間，大部分工質在迅速進入管內的同時管內的真空度也將消耗殆盡；二是脈動熱管為銅管，即使進行了局部可視化也不足以判斷是否實現了均勻充液。對均勻充液的實現進行了多次反復實驗。圖3為抽真空及充液裝置圖。

圖3 抽真空及充液裝置Fig.3 The setup of pumping into a vacuum and fi lling working fl uids

具體的做法是：首先關閉閥門4并將真空泵接在閥門3上，然后打開閥門3，開啟真空泵對脈動熱管進行抽真空處理，當真空表的讀數保持不變時，先關閉閥門3再停掉真空泵，抽真空結束；其次，用軟膠管將滴定管與閥門4相連，通過滴定管先向軟膠管內充入一定量的工質。充注完畢后，先用手指捏住軟管的中間，將內部工質一分為二，然后開啟閥門4，此時工質不會進入脈動熱管內。隨后通過控制手指捏緊軟管的程度來使工質在內外壓差的作用下進入管內，當工質全部進入管內后，關閉閥門4，充液過程結束。雖然用手指代替閥門的通斷可以克服閥門開閉不靈活的缺陷，但是結果發現管內工質的分布并不均勻。這主要是因為工質在管內的受力不能夠人為控制。圖4為充液率為30%和45%時的汽液柱分布圖。

圖4 30%和45%充液率時的氣液柱分布Fig.4 The distribution of the vapor-liquid slugs in PHP when the fi lling rate is 30% and 45%

3 加熱、冷卻方式的選擇

在對國內外大量文獻調研的基礎上，對脈動熱管傳熱性能實驗所采用的加熱和冷卻方式進行了總結。常用的加熱方法有電加熱絲加熱[16-17]和恒溫熱水浴加熱[12,18]兩種，前者屬于不均勻加熱而后者屬于均勻加熱，從增加系統的不平衡性以利于脈動熱管啟動運行的角度看電加熱絲加熱優于恒溫水浴加熱。另外，這兩種加熱方式都存在加熱滯后性，但是電加熱絲加熱的滯后時間較恒溫熱水浴的要短。冷凝端的冷卻方式主要有恒溫水浴冷卻[10,19]和強制對流冷卻[17-18]兩種。用恒溫水浴冷卻時，一般測量冷卻水槽的進出口溫度及內部溫度，以根據式(1)來計算總熱阻或根據式(2)來計算放熱量。

其中：R為脈動熱管的總熱阻，Te為蒸發段各測點溫度的平均值，Tc為冷凝段各測點溫度的平均值。Qe為扣除散熱損失后的加熱功率。

其中：Qc為冷卻段放熱量， 為冷卻水的密度，C為冷卻水的比熱容，L為冷卻水的體積流量，Tco冷卻水槽出口水溫，Tci為冷卻水槽進口水溫。

當用恒溫水浴對冷凝段進行冷卻時，特別是在進行可視化實驗時，多次測得的冷凝段平均溫度和冷卻水槽的進出口溫度幾乎沒有明顯變化，由于Te的不斷升高和Tc的幾乎不變使得總熱阻R過大和Qc過小。這主要有三個原因：1)玻璃質脈動熱管的傳熱系數較低；2)水的比熱容較大，升溫不明顯；3)為了對管內工質的流型和流向進行可視化實驗，絕熱段沒有完全包裹起來，造成熱量損失達。這里在以恒溫熱水浴和恒溫冷水浴為冷熱源分別對加熱段進行加熱和對冷凝段冷卻的情況下對脈動熱管的效率進行了計算，結果表明，以甲醇為工質時的最高效率僅有47%，以水為工質時，最高效率僅為27%。可見加熱、冷卻方式的選擇對最終的結果影響很大。

4 測溫點的布置及熱電偶的固定

國內外的研究者[20-23]多用熱阻來對脈動熱管的傳熱性能進行評價。熱阻計算離不開溫度的測量，這自然牽涉到熱電偶的使用。熱電偶的布置位置和固定方法應綜合考慮管材和必要的測溫點兩個因素。當脈動熱管為金屬材質時，可以通過在壁面打孔然后放置熱電偶的方法來進行測量；當為玻璃質管材時，由于玻璃易碎易折斷，因此最好采用熱電偶頂端貼壁來實現，而玻璃管壁面粗糙度較小，使得貼壁實施起來較為困難。實驗的做法是，首先將熱電偶前端折成一個半圓圈，然后將它卡在玻璃管外壁上，并使熱電偶前端測點頂在脈動熱管管壁上，最后在外部包裹密封固定材料。如圖5所示：

圖5 熱電偶布置方式Fig.5 The fi xed way of thermocouples

由于蒸發端與冷凝端各彎頭是蒸發過程和冷凝過程發生最為劇烈的場所；同時氣液柱在彎頭處受到離心力的作用會對壁面產生強烈的沖刷作用，另外在此處布置熱電偶可以有效防止熱電偶的滑動，因此有必要在脈動熱管的彎頭處布置熱電偶。熱電偶布置完畢后，先用硅橡膠包裹密封，然后在硅橡膠的外部包裹玻璃棉和隔熱膜以減少熱電偶受外部環境的影響；同時為了增強系統的不平衡度以利于脈動熱管的啟動運行，各個彎頭上玻璃棉的厚度依次遞減。

脈動熱管可視化實驗大多采用透明玻璃管，以便對管內的流型和流動情況進行觀察。為了保證脈動熱管具有一定的強度，一般采用小內徑、大外徑玻璃管，這樣若采用間接測量必然存在很大的測量誤差，因此有必要對已測得的溫度進行修正。

5 結論

對脈動熱管可視化實驗過程準備中遇到的一些問題進行了實驗研究并給出了具體的解決辦法。

1)在水平管段上加裝玻璃塞既可以使工質按照玻璃管的彎曲方向進行充注又可以方便地實現充液率和工質種類的更換。

2)工質靠犧牲管內的真空度來進入管內，不能人為控制脈動熱管內氣液柱的分布情況。

3)加熱冷卻方式的選擇對實驗結果有很大的影響。

4)有必要在彎頭處布置熱電偶，進行溫度測量時應進行必要的修正以減少測量誤差。

(本文受重慶市科委自然科學基金(CSCD:2007BB 6191)、重慶大學博士啟動基金(0903005104992)項目資助。The project was supported by the Chongqing Natural Science Fundation (CSCD:2007BB6191) and Doctoral Startup Foundation of Chongqing University(0903005104992).)

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