折彎異型對銅-水熱管傳熱性能影響的實驗研究

張磊，戴葉，陳興偉，張潔，鄒楊

（1中國科學院上海應(yīng)用物理研究所，上海 201800；2中國科學院大學，北京 100049）

引 言

熱管技術(shù)近年來在工程中的應(yīng)用日益普及，因其具有傳熱效率高、等溫性好、啟動迅速以及非能動等優(yōu)點[1-2]，在電子器件散熱[3-8]、余熱回收[9-13]、航空航天[14-15]、空間核反應(yīng)堆[16-18]等領(lǐng)域都有所應(yīng)用。自從20世紀70年代以來，國內(nèi)外科技工作者對于熱管進行了大量的研究。Wang[19]研制了一種溝槽型彎曲銅-水熱管，分析了彎管與直管在不同傾角下的瞬態(tài)傳熱性能。實驗結(jié)果表明，彎管在響應(yīng)時間和傳熱能力方面對傾角更為敏感。Jiang等[20]研究了彎曲對于電子散熱中的扁平熱管的影響，結(jié)果表明，隨著熱管彎曲角度的增大和彎曲位置更靠近蒸發(fā)段，熱管的溫差和熱阻增大，換熱能力減小。徐紅艷等[21]針對毛細管90°彎道數(shù)目對傳熱性能的影響進行了實驗研究，認為在相同的傳輸熱量的情況下，彎道越多，熱管兩端溫差越大。陶漢中等[22]對小型微槽道熱管90°彎曲前后的傳熱性能進行了比較，結(jié)果表明彎曲管的極限傳輸功率小于直管，熱阻與直管相近。李新禹等[23]研究了彎曲角度對扁平熱管傳熱性能的影響，結(jié)果顯示，利用彎曲扁平熱管進行顯熱儲能，熱源的溫度越高，熱管彎曲角度越小，顯熱儲能的時間越短、速率越高。Sangpab等[24]對低溫燒結(jié)芯微型彎扁熱管的傳熱性能進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)彎曲使得吸液芯產(chǎn)生形變，阻礙液體流動，從而增大熱阻，而扁平化則使得吸液芯結(jié)構(gòu)坍塌，從而影響熱阻。Peeples等[25]針對不同類型吸液芯熱管彎曲后的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)彎曲使得吸液芯與壁面發(fā)生了分離，毛細壓頭變小，從而使得工質(zhì)回流受阻，熱管性能明顯下降。非能動余熱排出系統(tǒng)在發(fā)電廠有著重要冗余作用[26-27]，而熱管的非能動性也引發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域的關(guān)注。Wang等[28]通過數(shù)值方法研究了熱管啟動過程，結(jié)果表明：熱管能有效地導(dǎo)出熔鹽堆事故條件下的衰變余熱。

前人對傳統(tǒng)熱管進行了較多的研究，在異型熱管方面，針對扁平熱管及有芯熱管進行了部分研究，但未見有系統(tǒng)、一致的結(jié)論，而對于折彎異型傳統(tǒng)熱虹吸管的傳熱性能的研究則鮮見報道。在熔鹽堆的實際工程應(yīng)用中，利用熱管的優(yōu)異性能，可以避免產(chǎn)生熱點。但受限于工作環(huán)境，會遇到需要應(yīng)用異型熱管的場合，如熔鹽管道外側(cè)的散熱、空間堆冷卻端的散熱等[29]。本文針對異型熱管的傳熱性能進行了實驗研究，并與直管進行了比較，將為異型熱管在實際工程中的應(yīng)用積累經(jīng)驗、提供指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗所用熱管分別為直管、折彎異型1和折彎異型2共三支熱管，具體異型位置及角度如圖1所示，其中折彎異型1為一道折彎，折彎異型2為二道折彎。熱管的內(nèi)徑為2 cm，壁厚0.1 cm；無吸液芯結(jié)構(gòu)，管壁材料為銅，內(nèi)充工質(zhì)為15 g水；總長度為110 cm，蒸發(fā)段20~50 cm范圍內(nèi)可自由調(diào)節(jié)，冷凝段長度為30 cm，其余為絕熱段。實驗系統(tǒng)主要由恒溫水槽、熱管、激光冷水機和溫度測量及采集裝置四個部分構(gòu)成，如圖2所示。恒溫水槽控溫范圍為20~200℃，控溫精度為0.1℃。激光冷水機流量范圍通過量程為16~160 L/h的玻璃轉(zhuǎn)子流量計來進行調(diào)控。溫度測量采用鉑電阻傳感器Pt100，在實驗前對傳感器進行了校準。鉑電阻溫度傳感器在熱管上的布置位置如圖3所示（異型管類同），為提高測量精度，在絕熱段和冷凝段的每一個測點處放置兩個溫度傳感器，且兩個傳感器為間距180°相對放置。在水冷套的進出口處放置傳感器以測量進出口水溫，通過溫度記錄儀BD-3008H20采集記錄溫度數(shù)據(jù)。通過改變加熱溫度、冷卻水流量等參數(shù)來考察熱管的啟動性能、等溫性能以及傳熱性能等，探究異型對于熱管相關(guān)性能的影響規(guī)律。

圖1 熱管設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of heat pipes

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental setup

圖3 溫度傳感器的布置位置Fig.3 Layout position of temperature sensors

1.2 實驗工況設(shè)置

對于啟動、等溫性能的研究，冷凝段采取的換熱方式為空氣自然對流及熱輻射，蒸發(fā)段加熱溫度范圍為50~90℃，每間隔10℃進行一組實驗，共分成5組溫度值，通過恒溫水槽控溫加熱。對于最大傳熱功率、熱阻的研究，蒸發(fā)段工況設(shè)置和啟動、等溫性能的研究一致，冷凝段采用冷水機進行水冷，40~104 L/h冷卻水流量范圍，每間隔16 L/h進行一組實驗，共分成5組流量值。

1.3 不確定度分析

不確定度分析采用Moffat[30]的方法:

其中，X和x分別表示因變量和自變量。d(ΔT)（ΔT為自變量之一）是來自熱電阻和溫度計錄儀的溫度測量誤差之和：此處使用的熱電阻為A級精度，誤差為±(0.15℃+0.002T)；溫度記錄儀的讀數(shù)誤差為0.2%FS±0.1；因此d(ΔT)的最大值為0.61℃。流量計帶來的誤差為±2.5%(mass)，誤差最大值為2.6 L/h。

1.4 曲率半徑與彎管流阻

在微分幾何中，曲率的倒數(shù)就是曲率半徑，即Rcur=1/Kcur。平面曲線的曲率就是針對曲線上某個點的切線方向角對弧長的轉(zhuǎn)動率，通過微分來定義，表明曲線偏離直線的程度。彎管彎曲處相對于直管，曲率增大，曲率半徑減小，壓力損失系數(shù)增大，流阻也隨之增大[31]，從而使得蒸汽的輸運及凝結(jié)工質(zhì)的回流受到影響，彎管的傳熱性能可能也將受到影響。

2 結(jié)果及討論

2.1 啟動性能

對于啟動性能的研究，冷凝段采取的換熱方式為空氣自然對流及熱輻射，實驗室保持溫度場及流場相對穩(wěn)定。絕熱段部分采用保溫棉進行包裹以減少對環(huán)境的散熱損失。按照所設(shè)置的工況，分別對三支熱管的啟動性能進行了實驗測試。

圖4為熱管啟動過程溫度變化曲線，限于篇幅，本文只列舉了50℃加熱溫度時的結(jié)果。從圖中可以看出，在加熱溫度較低時，異型2的啟動出現(xiàn)了“溫度滯后”現(xiàn)象，這可能是由于工作液體的蒸發(fā)效率較低，異型使得流動受阻，蒸汽不能及時充分地向冷凝段傳輸。同時，在加熱溫度為50~70℃時，兩支異型熱管均有可能出現(xiàn)此現(xiàn)象，在實際應(yīng)用中為使異型熱管更快啟動，應(yīng)提高蒸發(fā)段的加熱溫度。根據(jù)1.4節(jié)的分析，如熱源溫度不可提升，則可考慮增大折彎處的曲率半徑以減小流動阻力。

圖4 50℃加熱溫度時啟動過程溫度變化Fig.4 Temperature change during start-up at 50℃heating temperature

圖5所示為三支熱管的啟動時間，借鑒“上升沿時間”[32]的設(shè)定，將實驗開始至所有測點的溫度達到穩(wěn)態(tài)溫度的90%時經(jīng)歷的時長視為啟動時間，可以看出，在不同加熱溫度下，三支熱管的啟動時間存在一定差異。數(shù)據(jù)點上下方向的Y偏差為多次重復(fù)實驗的結(jié)果范圍，經(jīng)過重復(fù)實驗發(fā)現(xiàn)，在加熱溫度較低時，若異型管出現(xiàn)“溫度滯后”現(xiàn)象，則啟動時間較直管增加81%~188%，若未發(fā)生“溫度滯后”現(xiàn)象，相同加熱溫度下三支熱管的啟動時間相差在30%以內(nèi)。異型對于啟動性能的影響不存在明顯規(guī)律，但在加熱溫度較低即50~70℃時，有可能出現(xiàn)“溫度滯后”現(xiàn)象，從而使得啟動時間較直管顯著增加。整體而言，所有工況的啟動時間都在4 min以內(nèi)。

圖5 熱管啟動時間Fig.5 Start-up time of heat pipes

2.2 等溫性能

圖6為達到穩(wěn)態(tài)后熱管各位置的溫度曲線，采取穩(wěn)態(tài)后10 min內(nèi)的溫度平均值作為數(shù)據(jù)點?？梢钥闯?，在各個實驗工況下，三支熱管的蒸發(fā)段與冷凝段之間的等溫性能良好。

圖6 穩(wěn)態(tài)后等溫溫度Fig.6 Isothermal temperature after steady state

從圖7中蒸發(fā)段與冷凝段之間的溫度落差可以看出，直管的等溫性能最好，折彎異型2的等溫性能相對最差。這主要是因為折彎異型給熱管的蒸汽輸運以及冷凝工質(zhì)的回流都帶來了一定的阻礙，兩道折彎熱管尤甚；同時，由于折彎減小了冷凝段與蒸發(fā)段之間的重力勢差，重力給冷凝工質(zhì)回流的輔助作用有所減小，傳熱惡化，從而使得等溫性能變差，但隨著加熱溫度的升高，直管和異型熱管之間的等溫性能差距減小，這主要是因為隨著加熱溫度升高，工質(zhì)蒸發(fā)量增加，蒸汽壓和流速也增大，整個熱量傳輸回路受到折彎的影響也減小。從以上結(jié)果可以得知，應(yīng)綜合考慮實際工程需要及異型對啟動、等溫性能帶來的影響設(shè)計熱管的異型式樣，條件允許時可升高蒸發(fā)段加熱溫度以減少異型帶來的不利影響。

圖7 穩(wěn)態(tài)后等溫溫度對比Fig.7 Comparison of isothermal temperature after steady state

2.3 最大傳熱功率

冷卻水從冷凝段帶走的熱量可通過式(2)進行計算。利用冷卻功率來考量熱管在不同加熱溫度、不同冷卻水流量下的最大傳熱功率。

式中，c為水的比熱容，J/(kg·℃)；m為冷卻水的體積流量，kg/s，數(shù)據(jù)由實測流量（單位L/h）換算得出，1 kg/s=3600 L/h；Qc為冷卻功率，W；Tin和Tout分別為冷卻水進、出口溫度，℃。保持冷卻水進口溫度為20℃，5組加熱溫度設(shè)定下的傳熱功率結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，在所設(shè)定的冷卻水流量范圍內(nèi)，傳熱功率均出現(xiàn)了最大值，隨著加熱溫度的升高，傳熱功率增大。

圖8 熱管的傳熱功率Fig.8 Heat transfer power of heat pipes

將冷卻功率的最大值作為該工況下的最大傳熱功率進行性能考量，如圖9所示，直管的傳熱功率整體較高，在50、60、70、80、90℃加熱溫度下，分別為205、490、600、777、948 W；而對于折彎異型1，對應(yīng)的最大傳熱功率分別為135、161、251、548、706 W；對于折彎異型2則分別為104、177、222、508、684 W。在加熱溫度較低時，異型給最大傳熱功率帶來的影響較大。這主要是因為冷凝段雖然都設(shè)置了相同的冷卻水流量，但在蒸發(fā)段加熱溫度較低時，折彎異型使得熱量經(jīng)絕熱段傳輸?shù)嚼淠蔚目偭恳约八俾识加兴鶞p小，冷卻水無法帶走更多的熱量，而在加熱溫度達到80℃以上時，加熱溫度的升高減小了上述折彎帶來的影響，折彎異型管與直管最大傳熱功率的差距縮小到30%以內(nèi)。整體上，折彎異型2的最大傳熱功率略小于折彎異型1。若工程上不可避免需要采用異型熱管時，應(yīng)盡量提高蒸發(fā)段的加熱溫度，并通過實驗調(diào)整異型的設(shè)計如增大折彎處的曲率半徑等，以期獲得較好的傳熱性能。

圖9 最大傳熱功率對比Fig.9 Comparison of maximum heat transfer power

2.4 蒸發(fā)段傳熱熱阻

蒸發(fā)段的傳熱熱阻可根據(jù)式(3)進行計算：

式中，Re為蒸發(fā)段的傳熱熱阻，℃/W；和分別為蒸發(fā)段和絕熱段的平均溫度，℃。

圖10分別為三支熱管的熱阻。隨著加熱溫度的升高，直管傳熱熱阻呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，從50℃提高到60℃時，下降趨勢最為明顯，60℃以后下降趨勢較為平緩，且冷卻水流量在56 L/h時的傳熱熱阻最小。而折彎異型1的傳熱熱阻則呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在加熱溫度為60℃時最大，左右相當，而在加熱溫度升高至80℃及以上時，傳熱熱阻顯著減小。對于折彎異型2，傳熱熱阻呈現(xiàn)出先減小后增大接著減小的趨勢，同樣在加熱溫度升高至80℃以上時，傳熱熱阻顯著減小。分析可知，折彎增加了蒸汽運輸及工質(zhì)回流的局部壓力損失，從而使得整體的壓力損失增大，這導(dǎo)致了熱阻也有所增大，增大折彎處的曲率半徑或可有效減小局部壓損，提高傳熱效率。

圖10 蒸發(fā)段傳熱熱阻Fig.10 Heat transfer resistance of the evaporation section

圖11為不同加熱溫度下的最小傳熱熱阻對比，從圖中可知，直管的傳熱熱阻小于異型管，對于異型管，應(yīng)使得蒸發(fā)段的加熱溫度大于80℃才能使傳熱熱阻達到10-2量級的數(shù)值。

圖11 傳熱熱阻對比Fig.11 Comparison of heat transfer resistance

2.5 熱管整體熱阻

利用式(4)來考察熱管的整體熱阻：

其中，Rt為熱管的整體熱阻，℃/W；為冷卻水進出口溫度的對數(shù)平均溫差，℃，通過式(5)進行計算:

圖12為三支熱管的整體熱阻曲線，圖13為整體熱阻的對比。將整體熱阻和蒸發(fā)段熱阻進行對比可知，在加熱溫度較低時，蒸發(fā)段熱阻占整體熱阻的約2/3（對比圖13和圖11），隨著加熱溫度升高，蒸發(fā)段熱阻占比減小。因此，在相對低溫熱源環(huán)境應(yīng)用時，應(yīng)著重考慮降低蒸發(fā)段的熱阻。

圖12 熱管整體熱阻Fig.12 Total thermal resistance of heat pipes

圖13 整體熱阻對比Fig.13 Comparison of total thermal resistance

3 結(jié) 論

為探究異型對于熱管傳熱性能的影響，本文對直管、折彎異型1、折彎異型2三支熱管進行了一系列的實驗研究，通過改變其加熱溫度、冷卻水流量，綜合分析可以得到以下結(jié)論。

(1)異型熱管在加熱溫度較低即50~70℃啟動時可能會發(fā)生“溫度滯后”現(xiàn)象，將使得啟動時間顯著增加。

(2)加熱溫度較低時，異型熱管的最大傳熱功率較小，加熱溫度升高到80℃以上時，異型管與直管的最大傳熱功率縮小到30%以內(nèi)，加熱溫度為90℃時，三支熱管的最大傳熱功率分別為948、706、684 W。

(3)異型對于傳熱熱阻有著較為明顯的影響，尤其是加熱溫度較低時帶來的影響更為顯著，而當加熱溫度升高到80℃以上時，異型管的傳熱熱阻可減小到10-2量級數(shù)值。

后續(xù)可根據(jù)本工作的結(jié)果，結(jié)合實際需要設(shè)計性能優(yōu)良的異型熱管，以期在工程應(yīng)用中獲得更好的效果。

符號說明

c——水的比熱容，J/(kg·℃)

Kcur——曲率，m-1

m——冷卻水體積流量，kg/s

Qc——冷卻功率，W

R,Re,Rt——分別為熱阻、蒸發(fā)段熱阻和整體熱阻，℃/W

Rcur——曲率半徑，m

Tin,Tout——分別為冷卻水進、出口溫度，℃

Ta,Te——分別為絕熱段和蒸發(fā)段管壁的平均溫度，℃

ΔT——溫差，℃

X,x——分別為不確定性分析的因變量和自變量

下角標

a——絕熱段

c——冷凝段

e——蒸發(fā)段

i——自變量序號

in——冷卻水進口

out——冷卻水出口

t——整體