基于紅外熱成像的脈動熱管運行及傳熱特性分析

劉向東，王超，陳永平，(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 57；東南大學能源與環境學院，能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 0096)

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基于紅外熱成像的脈動熱管運行及傳熱特性分析

劉向東1，王超1，陳永平1，2
(1揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225127；2東南大學能源與環境學院，能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096)

摘要：基于紅外熱成像技術和高速可視化觀測手段，得到了不同熱負荷下脈動熱管冷凝段表面的溫度分布和管內工質的運行狀態，分析了兩者與熱管傳熱性能間的內在聯系。研究表明：隨著熱負荷的升高，工質準穩定運行狀態依次呈現單管小幅脈動、管間大幅脈動和整管單向循環3種模式；冷凝段內主要出現泡狀流和塞狀流兩種流型且離散氣泡所占的份額逐漸減小；不同運行模式下工質能質輸運強度的差異導致脈動熱管冷凝段壁溫分布各具特征；冷凝段表面的紅外熱圖像可成為辨識管內工質運行狀態和判斷熱管傳熱性能優劣的重要依據。

關鍵詞：脈動熱管；運行狀態；紅外熱成像；氣液兩相流；傳熱

2015-08-24收到初稿，2015-11-07收到修改稿。

聯系人：陳永平。第一作者：劉向東（1984—），男，博士，講師。

Received date: 2015-08-24.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51406175)，the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140488) and the University Science Research Project of Jiangsu Province (14KJB470009).

引　言

脈動熱管（又稱振蕩熱管）是20世紀90年代初由Akachi等[1]提出的一種新型熱管。它一般由毛細管呈蛇形反復彎折而成，具有結構簡單、成本低廉、傳熱性能好、工作適應性強等優點，在微電子冷卻、空間飛行器熱控制、高效熱回收與熱利用等領域具有著良好的應用前景[2-3]。

與傳統毛細芯熱管不同，脈動熱管依靠管內工質在冷熱端相變壓差驅動下的脈動流動來實現熱量從熱端向冷端的高效傳遞[2-3]。因此，充分認識管內氣液兩相脈動流動及其傳熱特性成為深入揭示脈動熱管傳熱機理的關鍵。為此，國內外研究學者結合可視化技術和傳統熱電偶測溫方法對該關鍵問題開展了實驗研究。Tong等[4]和Xu等[5]采用高速攝影法觀測了脈動熱管內氣液兩相工質流型的產生和演化過程，獲得了熱管啟動及準穩定運行過程中兩相工質所存在的脈動與循環等基本運行方式。Khandekar等[6-7]則在對單回路脈動熱管內工質準穩定運行狀態和傳熱特性的實驗研究中發現工質運行狀態與熱管壁溫脈動特征間存在著對應關系。Yang 等[8]和屈健等[9-11]采用熱電偶測溫方法分別觀測到了常規鋁基和微型硅基板式脈動熱管蒸發段和冷凝段特征點壁溫在啟動階段的溫度“超調”現象，并以此作為熱管啟動是否完成的判據，同時他們還發現管內工質的脈動運行狀態直接決定著熱管冷熱端熱阻的大小。

綜上所述，現有研究表明脈動熱管內工質運行特性、局部壁溫脈動特征及熱管傳熱性能之間密切相關，但由于傳統接觸式熱電偶測溫方法難以獲得熱管整體或區域壁溫連續分布特征，致使脈動熱管壁溫分布特征及其與管內工質運行和傳熱特性間的內在聯系尚未被充分認識。再者，在脈動熱管實際工程應用中，也亟需發展一類實用、方便的熱管運行特性及傳熱性能的現場檢測技術。與常規接觸式熱電偶測溫手段相比，紅外熱成像技術可以方便實現對物體表面整體溫度場連續分布的實時觀測[12-15]。Khandekar等[16-17]利用紅外熱成像技術成功獲得了預埋有閉式脈動熱管的均溫板在工作時的表面溫度連續分布特征，但這些研究并未對脈動熱管內工質運行及傳熱特性與壁溫分布特征間的內在聯系進行深入探索。為此，本文結合紅外熱成像技術與高速可視化觀測方法，獲取脈動熱管準穩定運行時管內工質運行狀態及冷凝段表面紅外熱圖像，探尋管內工質運行狀態、冷凝段表面溫度分布及熱管傳熱性能間的內在聯系，以期為發展脈動熱管運行特性及傳熱性能的現場檢測技術提供一條新思路。

圖1　脈動熱管可視化及紅外熱成像實驗系統Fig. 1　Schematic diagram of visualization and infrared thermal imaging on pulsating heat pipe

1　實驗系統及實驗方法

本實驗系統由電加熱系統、脈動熱管系統、高速可視化與紅外熱成像系統、數據采集系統組成，如圖1所示。實驗用熱管由外徑Do=6.0 mm、內徑Di=2.0 mm的石英玻璃毛細管經過反復彎折制成，彎折數為5，10根相互平行的豎直管段編號如圖1 （b）所示。熱管整體垂直放置，長度和寬度分別為400 mm和185 mm，自下而上分別為蒸發段、絕熱段、冷凝段，其長度分別為100、25、275 mm。熱管抽真空后充入工質甲醇，充液率為47%。蒸發段采用鎳鉻加熱絲纏繞管壁均勻加熱，并將其與絕熱段埋入填充有保溫材料的保溫盒中，以減小熱量損失，實驗中熱管熱負荷（電加熱功率）范圍為Q=10～200 W（Q的最大相對誤差為4.9%）。整個實驗在(25±0.5)℃的恒溫環境下進行，通過風扇強制對流將冷凝段熱量釋放到周圍環境中。利用NEC TH9260紅外熱像儀及其相關測控軟件監控、記錄和分析處理熱管冷凝段表面的紅外熱圖像。熱像儀的工作波長為8～14 μm，熱靈敏度為±0.08℃，熱圖像分辨率為640×480像素。實驗前，結合K型熱電偶與紅外熱像儀點測得到的溫度，對冷凝段表面的發射率進行校核，并通過測控軟件對發射率、環境溫度等測試參數進行調試。經以上調試后，紅外熱像儀對冷凝段表面溫度的測試結果與真實值間的偏差≤2℃。正式實驗時，為了避免熱電偶測點及電偶絲對冷凝段紅外熱圖像完整性和連續性的干擾，僅在蒸發段每個U形彎頭處布置溫度測點，而冷凝段表面溫度則通過其紅外熱圖像讀取并記錄。采用OMEGA高精度K型熱電偶和6-1/2位的Agilent 34970數字萬用表來測量并儲存蒸發段測點的壁溫信息，熱電偶的布置位置和編號如圖1（b）所示，其測溫最大相對誤差為0.5%。

2　實驗結果與分析

2.1管內工質準穩定運行狀態與分布特征

充分認識脈動熱管運行過程中管內復雜的氣液兩相運行、分布及演化規律是深入揭示其脈動工作特性及傳熱機理的基礎[3,18]。實驗結果表明，從蒸發段受熱開始，脈動熱管會經歷一個蒸發段溫度不斷上升和管內工質無規律運行的啟動階段[19]，然后熱管蒸發段溫度便趨于穩定或有規律的脈動，這時熱管內工質也進入準穩定運行狀態。圖2給出了不同熱負荷下脈動熱管內氣液兩相準穩定運行狀態時的可視化實驗圖像。由圖可知：隨著熱負荷的升高管內氣液兩相準穩定運行狀態主要呈現出3類模式：①單管小幅脈動；②管間大幅脈動；③整管定向循環。由于每個U形回路單元內的氣液兩相行為在各自運行模式下皆相似，所以本文對每個運行模式各選取冷凝段某一倒U形管路內的氣液兩相行為作為代表來進行分析。當脈動熱管熱負荷較小時（Q=20～40 W），脈動熱管內氣液兩相工質往往呈現單管小幅脈動，如圖2（a）所示。此時，脈動熱管冷熱兩端的驅動壓差小，氣液兩相工質只在管內做局部的小幅脈動，單管冷熱兩端和相鄰兩平行管內的工質不會出現交換。隨著熱負荷的提高（Q=50～110 W），脈動熱管冷熱兩端的驅動壓差增大并最終推動工質克服流動阻力由蒸發段流入冷凝段乃至相鄰管內，而后又激發相鄰管內工質產生反向的壓力差將工質推回，如此循環往復。這時，管內工質呈現出管間大幅脈動，如圖2（b）所示。隨著熱負荷的進一步升高，管間工質大幅度脈動的范圍會逐步擴大到多個U形回路單元，直至最終達到整管定向循環模式（Q=120～200 W），如圖2（c）所示。在整管定向循環模式下，管內工質沿一固定的方向循環運行，但由于管內工質及壓力分布的不均勻性，循環的速度并不穩定，高低循環速度可隨機性地間歇出現。

圖2　脈動熱管內工質的準穩定運行模式Fig. 2　Quasi-steady operation states of working fluids in pulsating heat pipe

此外，氣液兩相流型及其分布也是兩相工質運行過程中的重要特征。由圖2可知，脈動熱管冷凝段內出現的氣液兩相流型主要有泡狀流和塞狀流，而這些流型的細節特征（氣泡/氣塞的個數、長度等）在不同運行模式下又各具特點。因此，為了定量描述不同運行模式下管內氣液兩相流型特征，特引入氣泡/氣塞長度百分比Pi來進行表征

式中，nt是參與統計的氣泡/氣塞的總量，ni則是指在總氣泡/氣塞數量中處于某一量綱1長度L/Di范圍內的氣泡/氣塞數量，其中L為氣泡/氣塞的長度[圖2（c）]。據此，對脈動熱管3種準穩定運行模式熱負荷范圍內所有實驗工況中的冷凝段量綱1氣泡/氣塞長度分布進行統計分析（統計時間長度為10 s），如圖3所示。在單管小幅脈動模式下（Q=20～40 W），由于氣液兩相僅作小幅局部脈動，氣泡/氣塞的形狀及相對位置都較為穩定。此時，蒸發段核態沸騰不斷產生離散氣泡（L/Di<1）且不易相互聚并，使其在總氣泡/氣塞數量中所占比例最高[圖3 （a）]。隨著管內工質進入管間大幅脈動模式，蒸發段的核態沸騰強度與工質脈動劇烈程度提高，使得離散氣泡逐漸聚并，長氣塞（L/Di>70）不斷被“撕斷”，造成管內中、短氣塞（1≤L/Di≤70）成分增多而離散氣泡和長氣塞的比例相對減少[圖3（b）]。當管內工質進入整管定向循環模式，管內工質在蒸發段和冷凝段間快速循環輸運，過程中離散氣泡聚并、長氣塞“撕斷”及冷凝縮短等現象頻繁發生，導致中、短氣塞（1≤L/Di≤70）份額持續增大，離散氣泡和長氣塞的比例繼續減少[圖3（c）]。

圖3　不同準穩定運行模式下量綱1氣泡/氣塞長度分布Fig. 3　Distribution of bubbles / plugs length under different quasi-steady operation states■　1≥L/Di; □　1

2.2冷凝段管壁溫度分布特征及傳熱特性

脈動熱管主要依靠管內工質在冷熱兩端的能質輸運來實現熱量傳遞，因此管內工質的流動狀態與熱管的傳熱性能密切相關。為此，圖4給出了不同準穩定運行模式下冷凝段的典型紅外熱圖像。由圖可知，準穩定運行模式的不同導致冷熱兩端的能質輸運強度產生差異，使得脈動熱管冷凝段紅外熱圖像（即冷凝段管壁溫度分布）各具特征。需要說明的是，本文實驗工況下脈動熱管石英玻璃管壁具有一定熱惰性（其導熱傅里葉數Fo = 8.2 × 10-2～9.4×10-2），因此，圖4所示的冷凝段紅外熱圖像（冷凝段管壁溫度分布）反映的是管內工質脈動流動傳熱所產生的一種平均結果。為了分析圖4給出的冷凝段管壁溫度的空間分布特征，分別采用如圖1所示的6#、7#豎直管段壁面的縱向溫度分布曲線（6#、7#豎直管段壁面沿縱向共有360條水平像素線，每條線上有7個像素點，取這7個像素點溫度的平均值作為該水平線所在縱向位置的壁溫值）和冷凝段區域水平線l1～l4上的橫向溫度分布曲線（每條水平線共有286個像素點）進行定量表征，如圖5、圖6所示。由圖可知，單管小幅脈動模式下，冷熱工質僅依靠局部脈動在冷凝段根部發生微弱的能質交換，而在其他部分基本依靠自身的導熱實現能量傳遞，因此除了根部局部區域之外的冷凝段垂直管段溫度呈現自下而上的線性減小趨勢，如圖4（a）和圖5（a）所示。而從水平方向上看，冷凝段根部區域的管壁溫度會由于管內工質脈動方向的不同而出現高低變化，如圖4（a）和圖6（a）所示。而在管間大幅度脈動模式下，管中或管間的冷熱端工質實現了交換，工質可以通過大幅度的脈動將蒸發段的熱量輸運至冷凝段散失，冷凝段根部高溫區域的面積增大，整段的溫度水平升高，如圖4（b）和圖5（b）所示。同時，管中或管間的工質脈動幅度的不同導致各平行管在不同水平高度上的溫度高低變化（工質向上脈動幅度較大的管壁溫度較高，反之較低），如圖4（b）和圖6（b）所示。隨著管內工質進入整管單向循環模式，各垂直平行管段分別交替成為工質的“上升管”和“下降管”，管壁溫度也隨之出現高低的交替變換，如圖4（c）、圖5（c）和圖6（c）所示。同時，由圖4（c）和圖5（c）可知，由于此時管內工質實現了高效的潛熱吸熱/放熱和顯熱輸運，因此“上升管”和“下降管”具有較小的縱向溫差。

圖4　不同準穩定運行模式下的冷凝段紅外熱圖像Fig. 4　Infrared thermograph of condenser under different quasi-steady operation states

圖5　不同準穩定運行模式下冷凝段縱向溫度分布Fig. 5　Vertical temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

圖6　不同準穩定運行模式下冷凝段橫向溫度分布Fig. 6　Horizontal temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

為了分析脈動熱管換熱性能與熱負荷、工質運行模式及冷凝段壁溫分布間的內在關系，特采用整體熱阻R對脈動熱管換熱性能進行表征

圖7　熱阻與熱負荷、運行模式及冷凝段紅外熱圖像之間的關系Fig. 7　Relationship among heat resistance，heat load，operation mode and infrared thermograph of condenserⅠ—small pulsation in single tube; Ⅱ—big pulsation among tubes;Ⅲ—unidirectional circulation

式中，Te和Tc分別為蒸發段和冷凝段的溫度平均值（為圖1（b）所示的蒸發段T1～T55個溫度測點的溫度平均值，為冷凝段管壁紅外熱圖像上所有像素點溫度的平均值）。如圖7所示，單管小幅脈動模式下，熱管基本依靠管體和管內工質導熱實現冷熱端熱量交換，傳熱性能差，熱阻高且其隨熱負荷升高而減小的幅度較小；管間大幅度脈動明顯改善了工質在冷熱兩端的能質輸運能力，而且隨著熱負荷的升高，工質管間大幅度脈動的范圍逐步擴大，使得該運行模式下脈動熱管傳熱性能的改善程度最為明顯（熱阻下降幅度最大）；當管內工質進入整管定向循環狀態之后，管內工質具備了高水平的能質輸運能力，熱阻進一步減小并隨著熱負荷的增大而趨于穩定。這主要是由于循環工質的能量攜帶量受到充液量的限制，熱管傳熱能力逐漸趨于定值。更值得注意的是，工質運行狀態轉變引起脈動熱管冷凝段表面的溫度分布呈現出不同的特征，從而使脈動熱管冷凝段管壁的紅外熱圖像成為辨識脈動熱管內工質運行狀態和判斷熱管傳熱性能優劣的重要依據。

3　結　論

（1）隨著熱負荷的升高，脈動熱管內工質準穩定運行狀態依次呈現單管小幅脈動、管間大幅脈動和整管單向循環3種模式，且熱管傳熱性能逐漸提高。

（2）準穩定運行狀態下，脈動熱管冷凝段內的氣液兩相流型主要包括泡狀流和塞狀流，并且隨著熱負荷的升高，冷凝段內離散氣泡所占的份額逐漸減小。

（3）不同準穩定運行狀態下工質能質輸運強度的差異導致脈動熱管冷凝段壁溫分布呈現出不同特征，由此，冷凝段表面紅外熱圖像可成為辨識脈動熱管內工質運行狀態和判斷熱管傳熱性能優劣的重要依據。

值得注意的是，由于實驗中熱管本體熱惰性的影響，本文并未建立脈動熱管管壁表面溫度脈動與管內氣液兩相脈動流動間的實時聯系，而此聯系的建立將為揭示脈動熱管內工質脈動流動與傳熱的耦合機理具有重要意義，因此尚需對此問題開展進一步的深入研究。

符號說明

D——管徑，mm

Fo——導熱傅里葉數

L——氣泡/氣塞長度，mm

li——冷凝段橫向溫度分布取樣線(i=1,2,…)

n——氣泡/氣塞個數

Pi——氣泡/氣塞長度百分比，%

Q——熱負荷，W

R——熱阻，K·W-1

T——溫度，℃

T——平均溫度，℃

Ti——蒸發段溫度測點代號(i=1,2,…)

ΔT ——溫差，℃

Δt ——時間間隔，s

下角標

c ——冷凝段

e ——蒸發段

i ——內部

o ——外部

t ——總共

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Analysis of operation and heat transfer characteristics in pulsating heat pipe based on infrared thermal imaging technology

LIU Xiangdong1，WANG Chao1，CHEN Yongping1,2
(1School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:By combination of infrared thermal imaging technique and high-speed visualization method，the surface temperature distribution of condenser in a pulsating heat pipe (PHP) and operating state of working fluid inside the PHP are obtained and the relationship between them and heat transfer performance of the PHP is analyzed. The results indicate that the working fluid sequentially exhibits three quasi-steady operation modes with the increasing heat load viz. small pulsation in single pipe，large pulsation among different pipes and unidirectional circulation. In addition，in the condenser the dominated flow patterns are dispersed bubbles and vapor plugs，and the proportion of the dispersed bubbles decreases with increasing heat load. The difference in strength of heat and fluid flow in the PHP leads to the different characteristics of temperature distribution in the condenser，implying that the infrared thermal image of condenser is an important evidence to the evaluation of working fluid operation and heat transfer performance of the PHP.

Key words:pulsating heat pipe; operation states; infrared thermal imaging; gas-liquid flow; heat transfer

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151338

中圖分類號：TK 124

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）04—1129—07

基金項目：國家自然科學基金項目（51406175）；江蘇省自然科學基金項目（BK20140488）；江蘇省高校自然科學研究項目（14KJB470009）。

Corresponding author:Prof. CHEN Yongping，chenyp@yzu.edu.cn