雙面三角形和矩形通道平板脈動熱管的傳熱性能

夏侯國偉，楊彩蕓，陳蘭蘭

(1. 長沙理工大學 能源與動力工程學院，湖南 長沙，410076；2. 大唐華銀攸縣電廠，湖南 攸縣，412300)

隨著社會和科技的發展，人們對低溫傳熱技術的需求日益迫切，如電子元器件的散熱、空調能量的回收、工業領域低溫工藝條件下熱量的傳遞等。由于受傳統的散熱技術的限制，目前這類問題一直沒有得到很好解決，必須開發適于較低溫度下具有優良傳熱能力的技術與設備。脈動熱管因具有優異的傳熱性能和較低的啟動及工作溫度，已成為在低溫傳熱技術上取得突破的熱點研究領域。自20世紀90年代初脈動熱管概念被提出以來[1]，國內外研究者對脈動熱管結構優化[2-4]、脈動熱管傳熱性能[5-13]和脈動熱管傳熱過程進行分析研究[14]。文獻研究表明：角板式脈動熱管有其自身的結構及運行特點，其傳熱性能比圓管式脈動熱管的性能更優[2-3]；脈動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[12-13]等因素的影響，目前，對其工作機理尚沒有統一解釋，各種新型熱管尚無一種公認的結構型式。在此，本文作者結合當前脈動熱管研究熱點，提出 2種平板脈動熱管(一種為雙面三角形通道脈動熱管，另一種為矩形通道脈動熱管)，并對這 2種通道截面形狀的脈動熱管進行傳熱性能進行實驗研究，分析工質、傾角、充液率、加熱功率對這 2種形狀的熱管傳熱性能的影響，并進行對比。

1 實驗對象及實驗方法

本實驗設計的三角形、矩形截面形狀熱管結構如圖 1所示，外形長×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。殼體內腔高度為2.3 mm，隔板置于內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量直徑為1.36 mm，矩形通道當量直徑為1.3 mm。槽道分布緊湊，其中三角形通道熱管相當于有2層通道。熱管蒸發段、絕熱段、冷凝段的長度分別為40，30和40 mm，在一端焊接 2個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熱熱阻。

脈動熱管傳熱性能實驗系統示意圖如圖2所示，實驗裝置包括加熱部分、冷卻部分和數據采集部分。加熱部分由纏繞電阻絲的加熱塊、可調變壓器、功率表組成，可實現輸入功率的任意調節；冷卻部分為 1臺改進的電腦CPU散熱風扇，可實現空氣強迫對流散熱；數據采集部分溫度測點布置見圖 3。平板熱管每隔10 mm布置1個測點，加熱塊上再布置1個測點，共12個測點。溫度測量一次元件為鎳鉻-鎳硅熱電偶，由數字多用表采集并傳輸到計算機上進行處理。為減少實驗中的熱損失，將熱管的絕熱段與蒸發段及加熱塊用石棉保溫材料包裹。

實驗步驟為：在某充液率下，調節不同傾角，在每種傾角下，進行不同加熱功率的傳熱性能實驗。實驗使用二次蒸餾水和丙酮2種工質。實驗時，當熱電偶測量的壁溫在15 min內波動小于0.5 ℃時，可認為熱管工作達到穩定狀態。

圖2 實驗系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental system

圖3 測點分布圖Fig.3 Distribution of measuring points

傳熱性能評價指標為當量導熱系數，其計算過程如下。

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

2 結果分析與討論

對實驗數據進行計算和整理，可得到一系列實驗曲線。據這些曲線，從以下幾方面對熱管的傳熱性能進行分析和對比。

2.1 充液率對2種截面形狀熱管傳熱性能的影響

當垂直安放(即傾角為90°)時，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：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，進行了 5個不同傾角的傳熱性能實驗。當充液率為27%～29%時，傾角對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：這2種通道熱管的當量導熱系數基本上隨傾角增加而增加，在 90°時達到最大；傾角變化對三角形通道的影響比對矩形的影響小，即三角形通道對傾角變化的敏感性更小；矩形通道熱管傾角小于 60°時易出現燒干現象。

圖4 充液率對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 工質對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當量導熱系數與水工質的當量導熱系數相比普遍高許多，最大時前者是后者的 170%；矩形通道丙酮與水工質差別不大，只是前者當量導熱系數比后者的略高。總體而言，丙酮工質優于水工質。

2.4 加熱功率對2種截面形狀熱管傳熱性能的影響

比較圖4和圖5可知：當量導熱系數隨著加熱功率的增加而增加，當熱流密度達80 W/cm2時，水工質矩形通道熱管可能出現燒干現象。

2.5 2種截面形狀熱管啟動溫度對比

以充液率為27%～29%、傾斜角度為90°的熱管為研究對象，考察加熱功率為60 W時的啟動情況，結果如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可見：水工質時，三角形通道熱管與矩形通道熱管的啟動溫度均為 32℃；丙酮工質時，三角形通道熱管與矩形通道熱管的啟動溫度均為18 ℃。可以認為：啟動溫度主要受工質的影響，與通道截面形狀關系不大。

圖7 傾角對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 水工質的熱管啟動溫度Fig.8 Start-up temperature of heat pipe with water as working fluid

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

3 結論

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

(2) 兩型熱管當量導熱系數隨傾角增加而增加，傾角為 90°時傳熱能力最強，三角形通道對傾角變化的敏感性更小。

(3) 丙酮的當量導熱系數比水的當量導熱系數大，在一定熱流密度下為水的1.7倍。

(4) 兩型熱管當量導熱系數都隨加熱功率增加而增加，當熱流密度大于80 W/cm2時，對矩形通道，需注意防止干燒。

(5) 啟動溫度主要受工質的影響，與通道截面形狀關系不大。

(6) 三角形通道的總體傳熱性能及運行平穩性比矩形通道的優。

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