兩相閉式熱虹吸管啟動(dòng)性能試驗(yàn)研究

■ 焦青太 馮偉杰 王春景 陶漢中

一 引言

兩相閉式熱虹吸管(以下簡稱熱管)是一種簡單且高效的傳熱元件。在實(shí)際應(yīng)用中，熱管呈現(xiàn)大長徑比特征。在大熱流密度工況下，如果啟動(dòng)時(shí)間過長，熱管蒸發(fā)段表面溫度升高甚至可以超過設(shè)計(jì)值，即使其在穩(wěn)態(tài)下可以正常和穩(wěn)定的工作。

啟動(dòng)是指熱管從初始狀態(tài)(一般為環(huán)境溫度)變化到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程，存在兩種啟動(dòng)滯后現(xiàn)象：(1)熱管從蒸發(fā)段到冷凝段軸向溫度傳遞速度很慢，尤其體現(xiàn)在熱管冷凝端的表面溫度；(2)部分蒸發(fā)段溫度高于其他軸向位置，局部溫度梯度升高。

有很多關(guān)于熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能的研究，但關(guān)于熱管啟動(dòng)性能的研究相當(dāng)有限，D. Ge 等研究了以R-11為工作介質(zhì)的回路熱管，結(jié)果顯示：當(dāng)初始穩(wěn)態(tài)低于50℃，至少需要16 ℃～17 ℃的溫差才可以啟動(dòng)熱管，且在穩(wěn)定運(yùn)行后僅有4℃的溫差。H. Li對(duì)分別以水、R-11、 R-12為工作介質(zhì)的兩相閉式熱虹吸管進(jìn)行了試驗(yàn)研究，找出其分別的最小啟動(dòng)溫差。K. S. Ong 等和H. Li 等認(rèn)為啟動(dòng)的滯后是由于過大的加熱梯度引起了沸騰極限。

本文對(duì)大長徑比的兩相閉式熱虹吸管進(jìn)行了啟動(dòng)試驗(yàn)研究以確定啟動(dòng)特征參數(shù)，分析啟動(dòng)滯后現(xiàn)象以及熱管啟動(dòng)過程中的溫度變化。

二 檢測(cè)設(shè)備和程序

檢測(cè)設(shè)備見圖1，熱管的蒸發(fā)段采用循環(huán)水加熱，入口溫度為70℃±1℃，進(jìn)出口溫差控制在1.5℃以內(nèi)，以確保蒸發(fā)段滿足第一類邊界的等溫條件。進(jìn)出口水溫均采用高精度水銀溫度計(jì)測(cè)量(±0.01℃)。

熱管溫度采用0.2mm外徑的K型熱電偶(鎳鉻－鎳硅）測(cè)量，布置方式如圖1所示。初始狀態(tài)時(shí)，18組熱電偶的最大溫差小于1℃，測(cè)量結(jié)果采用帶自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)腍P34970A數(shù)據(jù)記錄儀記錄。

表1 試驗(yàn)用熱虹吸管的充液量（g）

檢測(cè)的29根試驗(yàn)熱管均為：長1800mm，外徑10mm，壁厚0.7mm，管殼選用無氧銅，工作介質(zhì)為純水，管材需要經(jīng)過除氣、去油處理以確保熱管質(zhì)量。

熱管蒸發(fā)段長度為550mm，上部1250mm的冷凝段在30℃室內(nèi)溫度下自然對(duì)流冷卻。

試驗(yàn)用熱管的充液量如表1所示，在13#和25#熱管的蒸發(fā)段內(nèi)壁面，作為表面強(qiáng)化，分別放置了10cm和50cm 的250目不銹鋼絲網(wǎng)。在13#熱管內(nèi)，絲網(wǎng)完全浸潤在工作介質(zhì)內(nèi)；而25#熱管，在熱管工作前絲網(wǎng)超過工作介質(zhì)的高度。在16#熱管內(nèi)放置了5顆瓷珠，在27#熱管內(nèi)放置了2 g(大約200～300顆)瓷珠。

檢測(cè)過程中，熱管從30℃的室內(nèi)溫度被迅速放入循環(huán)熱水，且不接觸循環(huán)器底部。

三 結(jié)果和討論

不同充液量、初始狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的熱管，在啟動(dòng)過程中存在不同情況。充液量對(duì)于熱管的啟動(dòng)參數(shù)和軸向溫度分布有顯著影響。

對(duì)于充液量為2.14ml的6#熱管，啟動(dòng)性能在所有試驗(yàn)熱管中表現(xiàn)最好，沒有熱管啟動(dòng)滯后和蒸干現(xiàn)象，啟動(dòng)時(shí)間少于35s，在整個(gè)啟動(dòng)過程中沒有噪音和溫度波動(dòng)。

當(dāng)充液量少于2.14ml(例如7#、14#、21#)，雖然啟動(dòng)時(shí)間少于35s，冷凝段等溫也很快，但當(dāng)熱管穩(wěn)定工作時(shí)，蒸發(fā)段端蓋附近的溫度T1高于T2和T3。如圖 2 所示(7#熱管)，因?yàn)楣ぷ饕后w的缺失，存在一個(gè)溫差波動(dòng)，該點(diǎn)干涸了。

隨著熱管充液量的增加，發(fā)生了啟動(dòng)滯后現(xiàn)象，圖 3 為充液量2.66ml的22#熱管的啟動(dòng)曲線。

熱管冷凝段末端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間超過120s，冷凝段全段溫差在啟動(dòng)過程中的前15s比較小，冷凝端溫度(T7～ T18)線性上升到45℃，但在隨后超過100s的時(shí)間里，溫度上升緩慢，溫度時(shí)間關(guān)系呈現(xiàn)凸曲線。

隨著熱管充液量的進(jìn)一步增加，啟動(dòng)時(shí)間增加不多。當(dāng)充液量超過10ml ，啟動(dòng)滯后類型的溫度時(shí)間曲線變?yōu)榘记€。

一支大充液量的熱管(2#)被長時(shí)間靜置后的啟動(dòng)曲線如圖 4所示。

在熱管啟動(dòng)過程中，40s時(shí)熱管發(fā)出兩次響亮的震蕩撞擊聲，隨后熱管冷凝段溫度快速上升，撞擊是由于液態(tài)工作介質(zhì)被攜帶到冷凝段端蓋，并撞擊端蓋。氣泡在液池深部產(chǎn)生，并逐漸長大，當(dāng)氣泡的直徑達(dá)到內(nèi)壁，在氣泡上方的液態(tài)工作介質(zhì)被從蒸發(fā)段底部液池分割出來，由于氣泡上方液態(tài)的沖刷效應(yīng)，薄膜蒸發(fā)使得氣泡快速長大。受到限制的蒸汽泡推動(dòng)一段液柱到達(dá)冷凝段端蓋，并發(fā)生撞擊。在液柱上升過程中，蒸發(fā)段內(nèi)壁面也同時(shí)被潤濕，在氣化核心的蒸汽快速增長，很多蒸汽到達(dá)冷凝段散失熱量，導(dǎo)致冷凝段溫度快速增長。

圖 5 為在液池內(nèi)另一種類型的氣泡生成導(dǎo)致冷端段溫度波動(dòng)，就像一支殘有不凝性氣體熱管的啟動(dòng)過程。但這種啟動(dòng)過程與帶有不凝性氣體熱管的區(qū)別在于在穩(wěn)態(tài)時(shí)冷凝端的等溫特性。

這種現(xiàn)象是因?yàn)楸皇芷日羝麣馀萏囊褐《蛔阋詽櫇袢繜峁軆?nèi)壁面，氣泡在一些局部破裂并釋放出蒸汽。氣泡生成和破裂引起冷凝段溫度上升，而在啟動(dòng)過程中，不穩(wěn)定的蒸汽流動(dòng)又引起冷端段的溫度波動(dòng)。然而，對(duì)于含有不凝性氣體的熱管，其冷凝段的溫度波動(dòng)完全是由于不確定的擴(kuò)散和對(duì)流過程。

對(duì)于在啟動(dòng)過程中強(qiáng)化方式的影響，本文對(duì)2種熱管做了4次測(cè)試。第一種類型是250目單層不銹鋼絲網(wǎng)，長度分別為10cm和50cm，絲網(wǎng)主要是通過強(qiáng)化傳熱表面而非作為吸液芯提供毛細(xì)泵抽力。對(duì)于兩個(gè)高度的強(qiáng)化方式，啟動(dòng)性能都表現(xiàn)優(yōu)異。對(duì)于50cm高的絲網(wǎng)，其超過了液池的高度，相變傳熱的面積擴(kuò)大了，這是因?yàn)榻z網(wǎng)吸收了液態(tài)工作介質(zhì)而使得液池高度上升所致。初始相變換熱增加的面積加速了蒸汽的生成，以及熱管的氣液平衡，熱管啟動(dòng)性能得到了改善。

對(duì)于高度為10cm、全部浸潤在液池中的絲網(wǎng)，相變傳熱的面積沒有擴(kuò)大，然而蒸發(fā)段的內(nèi)表面增大了，為沸騰傳熱提供了強(qiáng)化作用。在小的過熱情況下，有很多氣泡在強(qiáng)化表面生成，相變傳熱類型從主要是蒸發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)和沸騰傳熱的復(fù)合，實(shí)際的相變傳熱面積增加，啟動(dòng)過程變得迅速而平穩(wěn)。

對(duì)于在熱管內(nèi)放置瓷珠的強(qiáng)化啟動(dòng)性能方法，本文做了兩例測(cè)試，分別為5顆瓷珠和2 g 瓷珠(大約200～300顆)兩種情況。5顆瓷珠的存在對(duì)于啟動(dòng)性能沒有影響，啟動(dòng)滯后現(xiàn)象同樣發(fā)生在有5顆瓷珠的熱管中；對(duì)于放置2 g瓷珠的熱管，啟動(dòng)滯后現(xiàn)象同樣一遍遍的出現(xiàn)在啟動(dòng)試驗(yàn)的檢測(cè)中，并且，帶有2g 瓷珠的熱管在兩天檢測(cè)之后甚至已經(jīng)無法工作。

從以上現(xiàn)象中可以看出：低熱導(dǎo)率工作介質(zhì)對(duì)于密度大于水的多孔瓷珠，在液池發(fā)生非均勻沸騰，對(duì)于內(nèi)壁面和液池的強(qiáng)化傳熱影響有限，一些被忽視的影響甚至使熱管失效，有大量的空氣存在瓷珠中間，想用水或者蒸汽來取代它是很困難的，所以一定數(shù)量瓷珠的使用會(huì)縮短熱管的壽命。

四 結(jié)論

針對(duì)銅水兩相閉式熱虹吸管垂直方向的啟動(dòng)性能試驗(yàn)的主要結(jié)論如下：

1.相較那些測(cè)試前靜置很長時(shí)間的熱管，通過反轉(zhuǎn)或者抖動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間會(huì)變短。

2.在小充液量情況下，存在一個(gè)小范圍的充液量可以確保熱管快速啟動(dòng)。

3.對(duì)于大充液量的熱管出現(xiàn)啟動(dòng)滯后現(xiàn)象，且啟動(dòng)滯后的類型多樣。

4.在熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁面布置絲網(wǎng)可以加速熱管啟動(dòng)過程，在熱管內(nèi)加入瓷珠對(duì)于熱管啟動(dòng)性能的提高沒有幫助。