甲醇水溶液脈動熱管的傳熱特性

王迅，李達，李云昭

（天津大學機械學院中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

研究開發

甲醇水溶液脈動熱管的傳熱特性

王迅，李達，李云昭

（天津大學機械學院中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

以體積分數為50%的甲醇水溶液為工質，充液率為50%，對不同傾角和加熱功率條件下環路脈動熱管的啟動性能和穩定運行時的傳熱性能進行了實驗研究。對比分析了甲醇水溶液、無水甲醇和水的傳熱效果，探討了甲醇水溶液與水、無水甲醇在啟動過程中啟動時間、啟動溫度以及穩定運行時傳熱熱阻、熱冷端溫差的變化特點。結果表明，在低加熱功率條件下，甲醇水溶液45°和90°傾角下的啟動方式均為溫度漸變型，甲醇水溶液的啟動時間比無水甲醇長，但比水短。穩定運行時，甲醇水溶液在90°傾角下加熱段溫度低于甲醇，且波動較大。在低、中加熱功率條件下，甲醇水溶液傳熱性能優于水和無水甲醇，甲醇水溶液在45°和90°傾角下的最小熱阻值分別為0.38℃/W和0.3℃/W。

甲醇水溶液；甲醇；脈動熱管；傾角；傳熱性能

近十幾年，電子器件在人民生活和工業生產中得到了廣泛的應用。電子元器件日趨小型化，但單位面積散熱量急劇增加，直接影響其性能和使用壽命，因此電子元器件的冷卻措施越來越重要。由于脈動熱管具有體積小、結構簡單、當量傳熱系數大、適應性好等特點，成為電子元器件冷卻的最佳選擇之一。

脈動熱管的正常工作與其啟動特性、穩定運行特性和傳熱極限（或稱最大熱負荷）密切相關。脈動熱管的穩定運行特性決定著脈動熱管的傳熱性能，而啟動特性和傳熱極限是脈動熱管穩定運行的上、下限，直接影響到脈動熱管的穩定性和安全性。

脈動熱管的研究已開展了二十多年，研究人員對純工質的脈動熱管啟動、穩定運行特性和傳熱極限進行了較系統的研究[1-8]。由于使用混合工質可以改善脈動熱管某些傳熱性能，這方面的研究逐漸得到重視。史維秀等[9]對乙醇水溶液穩定運行條件下的傳熱性能進行了實驗研究，發現乙醇水溶液的傳熱熱阻明顯低于無水乙醇，且傳熱極限值更高。隋緣等[10]研究發現，水-乙醇混合工質的傳熱性能受充液率和混合工質比影響。段威威等[11]比較了甲醇、乙醇和甲醇-乙醇混合工質在不同充液率下熱阻隨加熱功率的變化，發現甲醇-乙醇混合工質傳熱性能優于另外兩種純工質。Wang等[12]實驗研究了幾種混合工質在60%充液率和垂直加熱條件下穩定運行時的傳熱性能，并指出甲醇水溶液的傳熱性能優于其他工質。

此外，研究人員也研究了工質物性對脈動熱管傳熱性能的影響。Burban等[13]研究了水、甲醇、丙酮、正戊烷對脈動熱管傳熱性能的影響。崔曉鈺等[14]以去離子水、甲醇、乙醇和丙酮為工質，分析了不同充液率下脈動熱管的傳熱性能。研究表明，黏度較小的工質易于啟動，加熱功率較大時汽化潛熱和比熱容較大的工質傳熱性能較好。褚紅蕊等[15]利用熱力學原理，分析了二元混合工質的露點溫度與工質種類、配比以及壓力之間的關系，并以R134a/R123和R143a/R152a為例探討了選取混合工質的方法。

表1為不同工質在一個標準大氣壓下的熱物理性質。由表1可見，工質的物性對脈動熱管的傳熱性能有較大的影響，并且使用混合工質的脈動熱管的傳熱性能在某些方面優于使用純工質的脈動熱管的傳熱性能。由于甲醇的黏度、比熱容較小且飽和狀態下溫度變化與壓力變化的關系值(dP/dT)sat較大，易于啟動，而純水的汽化潛熱和比熱容較大，具有較好的傳熱性能的特點。本文以甲醇水溶液作為工質，分析脈動熱管的啟動和穩定運行性能；研究不同加熱功率、不同傾角條件下，甲醇水溶液啟動過程中溫度的變化、啟動時間等特性以及不同加熱功率條件下穩定運行的傳熱性能，并與水和甲醇進行比較。

1 實驗裝置

圖1為脈動熱管熱性能實驗臺的示意圖，主要由脈動熱管主體、加熱系統、冷卻系統和數據采集系統以及其他輔助部件組成。脈動熱管由紫銅管加工而成，加熱段、絕熱段和冷卻段長度分別為150mm、220mm和150mm。管內徑為2mm，外徑為4mm，環路數為10，管間距為60mm（圖2）。加熱段采用電加熱方式，實驗過程中通過調節變壓器來改變加熱功率。冷卻段由DC2006型低溫恒溫水槽提供恒溫冷卻水進行冷卻，控溫精度為0.1℃，通過稱重法測量冷卻水流量。在脈動熱管加熱段、絕熱段和冷卻段管壁上一共布置16根熱電偶，采用經過標定的直徑為0.1mm的T形熱電偶進行各點的溫度測量，同時通過Agilent 34970A型多通道數據采集儀對實驗數據進行采集，測量誤差為±0.15℃。實驗所用的工質為蒸餾水、50%甲醇水溶液、甲醇，3種工質均采用50%的充液率。脈動熱管水平放置時傾角為0°，選取0°、45°和90°傾角進行實驗研究。加熱功率范圍在20～300W。

圖1 脈動熱管熱性能實驗系統

表1 不同工質在一個標準大氣壓下的熱物理性質

圖2 熱管尺寸示意圖（單位：mm）

反映脈動熱管整體傳熱性能的熱阻定義為式（1）。

2 實驗結果

2.1 啟動特性

圖3～圖5顯示了50%甲醇水溶液、甲醇和水3種工質在加熱功率30W、50%充液率、45°傾角條件下溫度隨時間變化曲線，圖中Te、Ta和Tc分別代表加熱段、絕熱段和冷卻段的平均溫度。

圖3 45°傾角下甲醇水溶液的溫度變化

圖4 45°傾角下甲醇的溫度變化

圖5 45°傾角下水的溫度變化情況

由圖3～圖5可知，混合工質甲醇水溶液和純工質水在該工況下的啟動方式均為溫度漸變型[16]，而甲醇在該工況下的啟動方式為溫度突變型[16]。三者啟動時間分別為390s、272s和796s，最高啟動溫度分別為50.5℃、49.5℃和52℃，穩定運行的溫度波動范圍分別為48～49.5℃、37～43℃和48～50℃。可見50%甲醇水溶液的啟動時間比甲醇長，比水短，最高啟動溫度比水低但比甲醇高，穩定運行時的溫度波動與水接近，比甲醇穩定。

圖6～圖8顯示了50%甲醇水溶液、甲醇和水3種工質，在加熱功率30W、50%充液率、90°傾角條件下溫度隨時間變化曲線。由圖可知，混合工質甲醇水溶液和純工質水在該工況下的啟動方式均為溫度漸變型[16]和甲醇的啟動方式為溫度突變型[16]。啟動時間分別為392s、157s和675s，最高啟動溫度分別為47℃、39℃和50℃，穩定運行的溫度波動范圍為44.5～45℃、36～37℃和44～50℃。50%甲醇水溶液啟動時間要比甲醇長，比水短。

圖6 90°傾角下甲醇水溶液的溫度變化

圖7 90°傾角下甲醇的溫度變化

圖8 90°傾角下水的溫度變化

由圖3～圖8可知，盡管甲醇水溶液與水的最高啟動溫度接近，但啟動時間更短；而與甲醇相比，穩定運行工況下甲醇水溶液的工作狀態更穩定。這可能是因為甲醇的蒸發溫度低、汽化潛熱較小、啟動過程中氣泡生成速率快，造成與水相比啟動時間較短，同時由于甲醇水溶液的比熱容和汽化潛熱較大，穩定運行時溫度波動比甲醇要小。此外，傾角的變化對脈動熱管的啟動方式沒有影響，混合工質的啟動方式與純工質的啟動方式相比沒有變化。

2.2 穩定運行特性

圖9顯示了在50%充液率、90°傾角、120W功率下甲醇水溶液和甲醇的加熱段和冷卻段穩定運行時平均溫度的變化。兩種工質冷卻段、加熱段溫度波動均不大，相對穩定。120W時加熱段的甲醇溫度波動范圍為101～102℃，甲醇水溶液溫度波動范圍為91～94℃。可見在中等加熱功率情況下甲醇水溶液的穩定運行溫度較低。

圖9 50%充液率、90°傾角、120W功率條件下加熱段和冷卻段壁面的平均溫度

圖10 0°傾角下熱阻隨功率的變化

2.3 不同工質和不同傾角條件下熱性能隨功率的變化

圖10顯示了在50%充液率、傾角為0°條件下水、甲醇水溶液和甲醇的熱阻隨功率變化的曲線。由圖10可知，水和甲醇水溶液的熱阻隨加熱功率的增加呈降低的趨勢；而甲醇的熱阻隨著功率是先減小后增加的，并且熱阻值明顯低于另外兩種工質在相同功率下的熱阻值，在加熱功率為40W時，熱阻達到最小值，為0.8℃/W左右。在相同功率的條件下，按照水、甲醇水溶液和甲醇次序熱阻依次降低。因為甲醇的蒸發溫度低，汽化潛熱小，隨著功率的增加，脈動推動速度增加，但是功率過高會產生大量氣泡，增大了回流的阻力，影響了加熱段液體的連續供應，減弱了加熱段的吸熱能力，所以甲醇的阻值會先減小后增加。而水的蒸發溫度較高，汽化潛熱較大，不利于水的沸騰吸熱，所以熱阻較高，而隨著加熱功率的增加，加熱段沸騰加劇，傳熱性能增加，導致其熱阻不斷降低。而甲醇水溶液蒸發溫度和汽化潛熱值都比水的低，而高于甲醇，所以在實驗范圍內，甲醇水溶液隨著功率增加，熱阻值降低，且甲醇水溶液的阻值介于水和甲醇的阻值之間。由圖11可知，隨著加熱功率的增加，3種工質熱、冷兩端的平均溫差均是不斷增大的，并且增幅基本平穩。由于甲醇的汽化潛熱和比熱容較低，隨著加熱功率的增加，甲醇熱、冷兩端的溫差增加較快，但由于處于低、中加熱功率，且50%充液率較佳，熱、冷端的平均溫差仍按水、甲醇水溶液和甲醇次序依次減小。

圖11 0°傾角下熱冷兩端溫差隨功率的變化

圖12顯示了在50%充液率、傾角為45°條件下水、甲醇水溶液和甲醇的熱阻隨功率變化的曲線。由圖12可知，在功率低于80W時，隨加熱功率的增加，各工質的阻值均不斷下降，且甲醇和甲醇水溶液的熱阻差別較小，而水的熱阻相對較大。當功率大于80W時，隨加熱功率的增加，各工質的阻值不斷增加，水與甲醇水溶液的熱阻差別減小。在40～80W之間時，甲醇水溶液的阻值低于其他兩種工質。同樣，由圖13可知，當功率低于80W時，水的熱冷兩端平均溫差大于甲醇和甲醇水溶液的熱冷兩端平均溫差，但溫差較小且變化不大。當功率大于80W時，溫差均升高，但3種工質的溫差區別很小。

圖12 45°傾角下熱阻隨功率的變化

圖14顯示了在50%充液率、傾角為90°條件下水、甲醇水溶液和甲醇的熱阻隨功率變化的曲線。由圖14可知，當功率低于120W時，各工質的熱阻值均在不斷降低，功率由120W升到160W的過程中，水和甲醇水溶液的熱阻繼續降低，達到最小熱阻（0.3℃/W左右），而甲醇的熱阻開始升高。當功率高于160W時，3種工質熱阻均升高，但甲醇的熱阻遠大于另外兩種工質的熱阻。圖15顯示出3種工質的熱、冷兩端平均溫差均隨著加熱功率的增大而增大。水的變化斜率比較平緩，甲醇的變化斜率最大，而甲醇水溶液開始較平緩，當加熱功率大于160W后增加顯著。

圖13 45°傾角下熱冷兩端溫差隨功率的變化

圖14 90°傾角下熱阻隨功率的變化

圖15 90°傾角下熱冷兩端溫差隨功率的變化

綜上所述，隨著傾角的變化，甲醇水溶液、水和甲醇的熱阻值的相對大小發生了變化。在低、中加熱功率情況下，當傾角為0°時，甲醇水溶液與水和甲醇相比熱阻值居中。當傾角為45°和90°時，甲醇水溶液與甲醇和水相比，熱阻值最小，且隨著傾角增加，甲醇水溶液熱阻值最小的功率范圍逐漸擴大。

3 結 論

采用水、甲醇、甲醇水溶液作為工質，分析了50%充液率下不同功率、傾角下的脈動熱管啟動性能和穩定運行時的傳熱性能，得出如下結論。

（1）在低加熱功率下，甲醇水溶液的啟動時間比甲醇短，但比水長。甲醇水溶液比水更容易啟動。混合工質的啟動方式與純工質的啟動方式一致，甲醇水溶液和水的啟動方式均為溫度漸變型，甲醇的啟動方式為溫度突變型。

（2）在90°傾角時，甲醇水溶液穩定運行時熱冷兩端溫差比甲醇小，加熱段的溫度也都低于甲醇加熱段的溫度。

（3）傾角為時0°時，水、甲醇水溶液的熱阻隨加熱功率增加而減少，甲醇的熱阻隨著功率的增加先減少，再增加；傾角為45°和90°時，水、甲醇水溶液和甲醇3種工質的熱阻均隨著功率的增加而先減少，再增加。在低、中加熱功率情況下，甲醇水溶液的熱阻低于另外兩種工質，最小熱阻值分別為0.38℃/W和0.3℃/W。

符 號 說 明

cpl—— 液體比熱容，kJ/(kg·K)

dP/dT—— 飽和狀態下溫度變化與壓力變化的關系值，10-3·Pa/℃

H—— 汽化潛熱，kJ/kg

Q—— 加熱功率值，W

R—— 熱管的整體熱阻，℃/W

Ta—— 絕熱段平均溫度，℃

Tc—— 冷卻段平均溫度，℃

Te—— 加熱段平均溫度，℃

ρ—— 密度，kg/m3

σ——表面張力，10-3N/m

υ——動力黏度，10-6Pa·s

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Heat transfer characteristics of pulsating heat pipe with aqueous methanol as working fluid

WANG Xun，LI Da，LI Yunzhao
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The experiments on heat transfer characteristics of the start-up and steady operation processes of pulsating heat pipe were conducted using three working fluids at various inclination angles and heat inputs. Water，methanol，and aqueous methanol were used as working fluid with 50% fill ratio. The characteristics were compared and analyzed between aqueous methanol，water，methanol in the start-up and steady operation processes. The type of start-up for aqueous methanol was gradual start-up at low heat inputs and different inclination angles. Start-up time span of aqueous methanol was longer than that of methanol，but shorter than that of water. In a steady operation process，the temperature of aqueous methanol in heating section was lower than that of methanol，and fluctuation of temperature was larger. Aqueous methanol showed the best thermal performance among them at low and medium heat inputs. The minimum thermal resistances of aqueous methanol were 0.38℃/W and 0.3℃/W at the angle 45°and 90°，respectively.

aqueous methanol；methanol；pulsating heat pipe；inclination angle；heat transfer performance

TK 124

A

1000-6613（2014）12-3170-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.12.007

2014-04-25；修改稿日期：2014-07-13。

天津市自然科學基金項目（10JCYBJC08100）。

及聯系人：王迅（1963—），男，博士，副教授，研究方向強化傳熱、傳熱傳質。E-mail wangxun@tju.edu.cn。