新型三維脈動熱管的性能

王亞雄，丁祥云（內蒙古科技大學化學與化工學院，內蒙古 包頭 014010）

研究開發

新型三維脈動熱管的性能

王亞雄，丁祥云
（內蒙古科技大學化學與化工學院，內蒙古 包頭 014010）

把傳統脈動熱管冷卻段改進成雙螺旋結構，形成新型三維脈動熱管，并建立實驗平臺，考察了以丙酮為工質，在充液率54%、冷卻水溫度22℃的條件下，不同加熱功率（20～700W）、不同傾斜角度（0°、50°、90°）對新型三維脈動熱管的啟動以及傳熱性能的影響，通過加熱段以及冷卻段管壁溫度變化判斷脈動熱管啟動運行特性，通過總熱阻評價熱管傳熱效果。實驗結果表明，脈動熱管在 0°、50°和 90°傾斜角度下均可以啟動，但90°傾斜角時更有利于新型脈動熱管的啟動和穩定運行。90°傾斜角時，脈動熱管在加熱功率40W時啟動，100W達到穩定運行狀態，700W時到達傳熱極限，脈動熱管的總熱阻呈現先減小后增大的趨勢，總熱阻最小可達0.117℃/W。脈動熱管在90°和50°傾斜角度下傳熱總熱阻沒有明顯差異，但在0°傾斜角時，極易達到傳熱極限且在整個過程中熱阻要比50°和90°傾斜角條件下高很多，加熱功率180W達傳熱極限。

脈動熱管；熱阻；傳熱；氣化；傳遞；傾斜角

20世紀90年代初，脈動熱管（oscillating heat pipe，OHP）由日本學者AKACHI等［1］最早提出，也稱為振蕩熱管（pulsating heat pipe，PHP）。加熱段和冷卻段之間的壓力差是脈動熱管的驅動力［2］。

脈動熱管作為超薄平面傳熱元件，可廣泛用于中高溫太陽能集熱、電子元器件散熱、大平面熱量雷達面、大功率動力電池冷卻或恒溫加熱、LED照明或顯示、電磁體冷卻等用途。脈動熱管加熱或冷卻裝置具有體積小、結構簡單、傳熱效率高、可靠性高、制造成本低等優點，受到越來越多的重視［3-4］。如今，如何提高脈動熱管的傳性能是學者們的研究熱點，其中影響脈動熱管傳熱性能的因素有脈動熱管的工質、充液率、加熱方式、冷卻方式、脈動熱管的結構等［5-10］。

脈動熱管的結構對脈動熱管的傳熱性能影響很大，TSENG等［11］對變徑脈動熱管的傳熱性能進行研究，脈動熱管在水平放置的情況下，變徑脈動熱管比傳統脈動熱管的啟動功率要小，而且熱阻也小一些。王宇等［12］對傳統回路型脈動熱管和多通路并聯回路型脈動熱管的傳熱性能進行對比，結構表明多通路并聯回路型的脈動熱管總熱阻較小。曹小林等［13］采用平板型脈動熱管，將大小一致的正方形通道界面改進成通道截面為深度一致、寬度不同的矩形，按照大小相間排列。研究結果得出，截面改變后的脈動熱管和改進前脈動熱管外界條件相同時，改進后的傳熱性能比改進前的好?？追矫鞯龋?4］針對一種雙面三角形通道平板脈動熱管進行了實驗研究，該熱管具有很好的傳熱性能。SHANG等［15］對傳統脈動熱管管路結構進行改進，把管徑改成相鄰管徑不同或是一根管路直徑不等，并對改進后的脈動熱管的傳熱特性進行研究，得出結論改進后熱管在一定的工作條件下傳熱性能提高了。CHIANG等［16］對不對稱排列的微細通道閉合回路脈動熱管進行實驗。結果表明，不對稱排列微細通道閉合回路脈動熱管在低彎道數、較低充液率、高的操作溫度以及蒸發區和冷凝區較高的溫度差下，能夠達到一個更好的振蕩效果。KWON等［17］對單彎雙重直徑脈動熱管進行試驗，觀察雙重直徑對流型和傳熱性能的影響。結果表明，雙重直徑脈動熱管促進循環流動，且減小脈動熱管的熱阻。HEMADRI等［18］在以鋁或者是鋼為材質的基板上加工蛇形槽道，并將其嵌入基板槽道中，稱之為脈動熱管擴熱板。試驗研究表明，脈動熱管擴熱板的傳熱優勢要在特定的條件下才能表現出來，它的有效導熱系數范圍為400～2300W/（m·K）。

本項目在查閱國內外大量文獻和實踐應用基礎上，提出新型三維脈動熱管實驗裝置。本文主要研究以丙酮為工質，充液率54%，冷卻水溫度22℃時，在不同傾斜角度（0°，50°，90°）不同加熱功率（20～700W）的條件下對新型三維脈動熱管的啟動和穩定運行性能，以及對傳熱性能的影響。

1　實驗裝置

新型三維脈動熱管的實驗裝置如圖1所示，主要由脈動熱管主體、加熱系統、冷卻循環系統和數據采集系統四部分組成。脈動熱管主體是由外徑3mm、厚度0.3mm的紫銅管彎曲而成，總長770mm，加熱段長 350mm，絕熱段長 390mm，冷卻段長30mm，管道間距為30mm，共4彎。冷卻段管道纏繞在外徑25mm、厚度2.5mm的銅管上，形成雙螺旋結構，如圖2所示。通過DL-4020低溫冷卻液循環泵向外徑25mm的銅管管道里通冷水進行冷卻，控溫精度為±0.5℃，通過電子流量計對冷卻水流量進行測量。把兩塊電木加工成所需形狀，對冷卻段起到固定、保溫的作用，并且使脈動熱管管道與2.5mm 銅管管道接觸良好。在脈動熱管管道與2.5mm銅管管道接觸處涂上導熱膠，保證冷卻段脈動熱管與2.5mm銅管管道接觸良好，并在電木外面包裹保溫棉進行保溫。

加熱段由直流電源、銅板和加熱膜組成，直流電源電壓及電流的測量精度分別為±0.1V和±0.01 A。加熱段的加熱方式是把加熱膜貼在銅板上對脈動熱管加熱段進行加熱，脈動熱管絕熱段與加熱段通過兩塊木板固定，木板之間填滿保溫棉進行保溫，見圖 3。數據采集系統由電腦、熱電偶和 Agilent 34972A數據采集器組成，在脈動熱管加熱段、絕熱段、冷卻段的管壁上一共布置18個熱電偶，采用直徑為0.25mm的T形熱電偶對各測溫點進行測量，熱電偶的測量誤差為±0.15℃，熱電偶分布如圖4所示。實驗所用的工質為丙酮，充液率54%，選取傾斜角度0°、50°、90°，冷卻水溫度22℃，對脈動熱管的啟動、穩定運行性能和傳熱性能進行實驗研究。加熱功率范圍為20～700W。

反應脈動熱管傳熱性能的熱阻的定義公式見式（1）～式（3）。

圖1　新型三維脈動熱管熱性能實驗系統

圖2　新型三維脈動熱管冷卻段雙螺旋結構

圖3　脈動熱管側視剖面圖

根據系統熱平衡分析，實驗裝置加熱段和冷卻段之間的熱量損失不超過6.9%。

圖4　新型三維脈動熱管尺寸以及熱電偶分布圖（單位：mm）1～20—測溫點

2　實驗結果分析

為了減少實驗誤差與實驗的隨機性，同組實驗重復兩次，圖5為充液率54%、傾角90°、冷卻水溫22℃時，兩次重復試驗計算得出的兩組熱阻隨加熱功率的變化圖，對兩組數據進行擬合如下。實驗數據重復性良好。

下面對新型三維脈動熱管的啟動過程和影響其啟動和穩定運行性能的因素進行分析，并對影響其傳熱性能的因素進行分析。

2.1啟動運行過程

圖6～圖9為新型三維脈動熱管在傾斜角為90°、充液率54%、冷卻水溫22°時冷卻段和加熱段管壁溫度變化情況。由于脈動熱管的啟動過程很復雜，目前對脈動熱管的啟動沒有嚴格的定義，一般認為脈動熱管冷卻段和加熱段溫度突變并形成一系列溫度波動時即為脈動熱管啟動。

圖5　兩組重復實驗熱阻變化

圖6為加熱功率20W時脈動熱管加熱段和冷卻段溫度變化曲線。由圖6可見，熱量不斷的輸入脈動熱管加熱段，加熱段的溫度不斷升高，中間出現溫度突變，卻沒有連續振蕩，這是一個能量積累的過程。

如圖7所示，加熱功率40W時，能量積累到一定值后瞬間爆發，脈動熱管壁溫出現明顯波動，說明其管道內部開始有振蕩產生，伴隨著工質在管道內迅速上升，使得管道冷卻段溫度驟升，加熱段溫度驟減，加熱段與冷卻段溫差變小，工質振蕩幅度明顯增大，并連續振蕩。此時，脈動熱管啟動。由圖7可見，雖然脈動熱管加熱段和冷卻段溫度開始上下波動，但并沒有成規律性振蕩。

如圖8所示，加熱功率100W時，脈動熱管冷熱端溫度振蕩幅度規律，壁溫出現整體大幅度波動，振蕩頻率變大，說明在短時間內對應的熱管位置上有大量的工質快速通過，與該位置上溫差很大的工質流到該位置上，造成局部溫度突變。溫差與啟動階段相比變小，并且各測溫點間的振幅和振頻相近且穩定，此時進入脈動熱管的穩定期。

如圖9所示，脈動熱管冷熱端溫差增大，加熱段壁溫振幅變小，傳熱性能變差，此時到達脈動熱管傳熱極限。

脈動熱管管壁溫度的波動主要是因為氣態工質和液態工質流過管壁時會呈現出不同的傳熱特性，在同一個測溫點的溫度變化既與氣塞和液塞的分布情況有關，又與熱管內氣液態工質的振蕩情況和相變有關。管道內丙酮發生相變時，會發生氣泡的產生、長大、合并、縮小和破碎的過程。當氣泡數量迅速增多時，管道內的壓力會上升，對應的飽和溫度也會升高。影響脈動熱管壁溫度波動的多種因素的不穩定性使得熱管壁溫變化特性不同。由圖6～圖9可見，冷卻段的溫度波動要比加熱段的溫度波動大，這是因為工質由加熱段流到冷卻段，冷卻段溫度較低，工質在冷卻段冷凝放熱，較高的換熱溫差是冷卻段溫度波動較大的原因。

2.2不同傾斜角度對脈動熱管運行特性的影響

2.2.1不同傾斜角度對脈動熱管啟動性能的影響

圖6、圖10和圖11分別為傾斜角度90°、 50° 和 0°時脈動熱管啟動時壁溫波動圖。在傾斜角度為0°和50°時，加熱功率加到60W時，脈動熱管開始啟動，傾斜角度為90°時，加熱功率40W時啟動運行，由此可見，傾斜角度為90°時更有利于新型三維脈動熱管的啟動運行。同時由圖可以看出，傾斜角度越大，加熱段啟動運行溫度越低，溫差也越小。

圖6　加熱功率20W時冷熱端壁溫變化

圖7　加熱功率40W時冷熱端壁溫變化

圖8　加熱功率100W時冷熱端壁溫變化

圖9　加熱功率700W時冷熱端壁溫變化

2.2.2不同傾斜角度對脈動熱管穩定運行性能的影響

圖7、圖12和圖13分別為傾斜角度90°、50° 和 0°時脈動熱管穩定運行時壁溫變化情況。由以上三圖可見，雖然新型三維脈動熱管能夠在 0°傾斜角度下啟動運行，但在穩定運行時期，溫差相對于50°和90°時要大很多，而且振蕩狀態沒有那么穩定。脈動熱管在傾斜角度0°和50°時，加熱功率120W進入穩定運行狀態，而傾斜角度為90°時，加熱功率100W即進入穩定運行狀態。

圖10　加熱功率60W、傾斜角50°時冷熱端壁溫變化

圖11　加熱功率60W、傾斜角0°時冷熱端壁溫變化

圖12　加熱功率120W、傾斜角50°時冷熱端壁溫變化

2.3不同傾斜角度對脈動熱管傳熱性能的影響

圖14為新型三維脈動熱管在充液率54%、冷卻水溫度22℃時不同傾斜角度0°、50°和90°下，傳熱總熱阻隨加熱功率的變化情況。由圖14可見，加熱功率加到150W之前，脈動熱管的傳熱熱阻隨加熱功率的增大呈顯著減小的趨勢，150W 之后，傳熱熱阻減小趨勢趨于平緩。在大加熱功率時，脈動熱管的振蕩特征主要是小幅度大頻率振蕩。在一定的加熱功率100W之后，50°和90°的傳熱熱阻大小差別就不那么明顯了，這主要是因為通道內影響工質流動的主要因素是表面張力，只要脈動熱管內有充足的熱驅動力，冷卻段和加熱段的壓力差夠大，管道內的氣液工質就能夠克服表面張力作用，完成其在管道內的流動，完成冷卻段和加熱段的熱量輸送過程。

圖13　加熱功率120W、傾斜角0°時冷熱端壁溫變化

圖14　不同傾斜角度下熱阻隨加熱功率的變化

重力對新型三維脈動熱管的傳熱性能影響很大，不可以忽視。這是因為脈動熱管的工作原理是管道內由于吸收熱量而變成氣態的工質來到冷卻段，并在冷卻段釋放熱量，遇冷凝結成液態工質，液態工質是依靠重力作用回流到加熱段，如此反復，實現脈動熱管的振蕩并形成工質循環流動。當脈動熱管傾斜角度為90°時，重力作用促進了脈動熱管內工質的循環流動；當傾斜角度為50℃時，則是重力在脈動熱管所在的平面上的分力促進了脈動熱管內工質循環流動。由以上分析，傾斜角度越小，重力的分力也就越小，工質的回流就越弱，傳熱熱阻就會變大，傳熱極限就會變低。因此，在傾斜角度為 0°時，沒有重力對工質的回流起促進作用，傳熱熱阻要大很多，在加熱功率180W時，脈動熱管就達到傳熱極限。而50°和90°傾角下，加熱功率到700W時達到傳熱極限［6］。

4　結　論

用丙酮作為工質，分析了54%充液率、22℃冷卻水溫度下不同加熱功率、不同傾斜角度下的新型三維脈動熱管啟動和穩定運行特性以及傳熱性能，得出如下結論。

（1）新型三維脈動熱管能夠正常啟動，在90°傾斜角時，傳熱性能良好，傳熱熱阻最低可達0.117℃/W，加熱功率700W時，達到傳熱極限。

（2）新型三維脈動熱管在傾斜角度 0°、50° 和90°時均能啟動并穩定運行，其中90°時脈動熱管更易啟動，也更容易達到穩定狀態，而 0°傾斜角時，穩定運行時加熱段和冷卻段之間的溫差要比50°和90°時的溫差大很多。

（3）新型三維脈動的傳熱熱阻在不同傾斜角下均隨加熱功率的增大而減小，50°和90°時，脈動熱管的傳熱性能沒有明顯差異，傳熱性能良好，但在傾斜角度為0°時，脈動熱管更易達到傳熱極限，加熱功率180W熱阻就開始呈增大的趨勢，達到傳熱極限。

符號說明

Te—— 加熱段各測溫點平均溫度，℃

Tc—— 冷卻段各測溫點平均溫度，℃

Q—— 加熱功率值，W

［1］AKACHI H，POLASEK F，STULC P.Pulsating heat pipes［C］//5th International Heat Pipe Symposium，Melbourne，Australia，1996：208-217.

［2］SAHA N，DAS P K，SHAMA P K. Influence of process variables on the hydrodynamics and performance of a single loop pulsating heat pipe［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，74：238-250.

［3］DILAWAR M，PATTAMATTA A.A parametric study of oscillatory two-phase flows in a single turn pulsating heat pipe using a non-isothermal vapor model［J］.Applied Thermal Engineering，2013，54：1328-1338.

［4］CUI X Y，ZHU Y，LI Z H，et al.Combination study of operation characteristics and heat transfer mechanism for pulsating heat pipe［J］. Applied Thermal Engineering，2014，65：394-402.

［5］林梓榮，汪雙鳳，張偉保，等.功能熱流體強化脈動熱管的熱輸送特性［J］.化工學報，2009，60（6）：1373-1379.

［6］史維秀，潘利生，李惟毅. 傾角及冷卻工況對多通路并聯回路板式脈動熱管傳熱性能的影響［J］. 化工學報，2014，65（2）：532-537.

［7］HAN H，CUI X Y，ZHU Y，et al.A comparative study of the behavior of working fluids and their properties on the performance of pulsating heat pipes （PHP）［J］.International Journal of Thermal Sciences，2014，82：138-147.

［8］KARTHIKEYAN V K，RAMACHANDRAN K，PILLAI B C，et al. Effect of nanofluids on thermal performance of closed loop pulsating heat pipe［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，54：171-178.

［9］王迅，李達，李云昭.甲醇水溶液脈動熱管的傳熱特性［J］. 化工進展，2014，33（12）：3170-3175.

［10］張明，蘇新軍，韓魏，等. 氧化石墨烯/自濕潤流體脈動熱管的傳熱特性［J］. 化工進展，2015，34（8）：2951-2954.

［11］TSENG C Y，YANG K S，CHIEN K H，et al.Investigation of the performance of pulsating heat pipe subject to uniform/alternating tube diameters［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，54：85-92.

［12］王宇，李惟毅. 多通道并聯回路型脈動熱管運行特性的試驗研究［J］. 動力工程學報，2011，31（4）：273-278.

［13］曹小林，周晉，晏剛. 脈動熱管的結構改進及其傳熱特性的實驗研究［J］. 工程熱物理學報，2004，25（5）：807-809.

［14］孔方明，夏侯國偉，謝明付.平板脈動熱管傳熱性能的實驗研究［J］.廣東化工，2014，41（6）：145-147.

［15］SHANG F M，LIUD Y，XIAN H Z，et al.Experiments on enhanced heat transfer of self-exciting mode oscillating-flow heat pipe with non-uniform structure［J］.International Journal of Food Engineering，2010，6（2）：1-10.

［16］CHIANG C M，CHIEN K H，CHEN H M，et al.Theoretical study of oscillatory phenomena in a horizontal closed-loop pulsating heat pipe with asymmetrical arrayed minichannel［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer，2012，39：923-930.

［17］KWON G H，KIM S J.Operational characteristics of pulsating heat pipes with a dual-diameter tube［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，75：184-195.

［18］HEMADRI V A，GUPTA A，KHANDEKAR S.Thermal radiators with embedded pulsating heat pipes：Infra-red thermography and simulations ［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31：1332-1346.

Performance study for new type of three-dimensional pulsating heat pipe

WANG Yaxiong，DING Xiangyun
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Science & Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

A new three dimensional pulsating heat pipe was formed by improving traditional pulsating heat pipe cooling segment into a double helix structure. An experimental platform of a new three-dimensional pulsating heat pipe was established. In this paper，the influence for the start performance and heat transfer performance of the new type of three-dimensional pulsating heat pipe at various heating powers （20W to 700W）and various inclination angles（0°，50°，90°）were investigated. Acetone was used as working fluid with 54% fill ratio. The temperature of cooling water was 22℃. The start running features of pulsating heat pipe by temperature changes at heating period and cooling period were judged. Heat transfer effect of heat pipe by total thermal resistance was evaluated. Experimental results showed that the pulsating heat pipe could start up at 0°，50°and 90°. It was more conducive for the new type ofpulsating heat pipe to start up and operate stably at 90°. At angle 90°，pulsating heat pipe started up at heat power 40W. Stable operation status at 100W as well as heat transfer limit at 700W were achieved. The tendency of the thermal resistance decreased first and then increased. The minimum heat resistance could reach 0.117℃/W. There was no significant difference for the heat resistance of pulsating heat pipe between the angle 90°and 50°.But at angle 0°，in the whole progress，it was easy to achieve heat transfer limit and the thermal resistance was much higher than that of 50°and 90°.Heat limit at 180W was achieved.

pulsating heat pipe；thermal resistance；heat transfer；gasification；transport；inclination angle

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2367-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.10

2015-12-28；修改稿日期：2016-01-24。

內蒙古自治區煤炭潔凈化與綜合利用工程技術研究中心項目（CX2015-16）。

及聯系人：王亞雄（1964—），男，博士，教授，主要研究微型熱管及相變裝置、納米多孔材料內的相變傳熱與傳質。E-mail yaxiongw@hotmail.com。