劉玉東 周躍國 周小三

(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 重慶 400030)

熱管作為一種高效傳熱元件，其相當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)是銅的幾十倍、甚至幾百倍，故有超導(dǎo)熱體之稱。在無外加動(dòng)力的情況下它借助管內(nèi)工質(zhì)的相變來實(shí)現(xiàn)巨大熱量的遠(yuǎn)距離傳輸。熱管具有其它傳熱技術(shù)所不具備的許多優(yōu)點(diǎn)：卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等。因此，熱管技術(shù)已經(jīng)在越來越廣闊的領(lǐng)域取得卓有成效的應(yīng)用。我國熱管技術(shù)在化工、建材、冶金、動(dòng)力工程、生物工程、航空、航天等方面的應(yīng)用處于國際領(lǐng)先地位。在制冷空調(diào)行業(yè)由于冷熱流體間的溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，使之成為實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗、高效率、冷熱源多樣性、走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)之一，在實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處和可持續(xù)發(fā)展方面，具有廣闊的發(fā)展前景。

脈動(dòng)熱管(pulsating heat pipe簡稱PHP)作為熱管家族的新成員，它誕生于二十世紀(jì)九十年代，最早由日本人Akachi[1]發(fā)明。其結(jié)構(gòu)和工作原理與常規(guī)熱管有很大的不同。它有兩種最基本的結(jié)構(gòu)：回路型和開路型，如圖1所示。

其中帶單向閥的閉合回路型脈動(dòng)熱管可以有效控制工質(zhì)的流動(dòng)方向和改善傳熱特性，但是由于熱管制造的微型化使得在管路上添加一個(gè)或多個(gè)單向閥的目標(biāo)變得難以實(shí)現(xiàn)，因此從實(shí)際應(yīng)用角度來看沒有閥門的閉合回路型脈動(dòng)熱管更具競爭優(yōu)勢。

與傳統(tǒng)熱管不同，脈動(dòng)熱管內(nèi)部不是單純的相變傳熱，而是集顯熱傳熱、相變傳熱、膨脹功于一體，涉及多學(xué)科、多參數(shù)的氣液兩相流系統(tǒng)。脈動(dòng)熱管的工作原理是：首先將毛細(xì)管抽真空并充入部分工質(zhì)，由于管徑細(xì)小，在表面張力的作用下工質(zhì)會(huì)以氣液柱的形式隨機(jī)分布在管內(nèi)；當(dāng)在加熱端施加足夠的熱量后，內(nèi)部工質(zhì)會(huì)出現(xiàn)沸騰和膨脹，氣液柱在壓差的推動(dòng)下從加熱段流向冷凝段，氣柱在冷凝段遇冷收縮破裂、釋放熱量之后，在重力的作用下連同到達(dá)冷凝端的液柱返回至加熱段從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。

圖1 脈動(dòng)熱管基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The basic forms of pulsating heat pipes

脈動(dòng)熱管與傳統(tǒng)熱管相比具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：1)體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。管徑細(xì)小及微電子元器件對冷卻器的要求共同決定了脈動(dòng)熱管的整體尺寸小；內(nèi)部沒有毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，有利于降低熱管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本；沒有其它機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因而運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)費(fèi)用低。2)傳熱性能優(yōu)良。除通過相變傳熱外，脈動(dòng)熱管還通過氣液柱的振蕩傳遞顯熱并將熱量轉(zhuǎn)化為振蕩所需要的功。3)適應(yīng)性好。脈動(dòng)熱管的形狀可以任意彎曲，可以有多個(gè)加熱段和冷凝段，而且加熱和冷凝的部位可以隨意選取，可以在任意傾斜角度和加熱方式下工作。

脈動(dòng)熱管除了應(yīng)用于電子元器件的散熱[2]外，還在改善材料的性能、地板采暖[3]、 空調(diào)排風(fēng)預(yù)熱回收[4]等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。目前國內(nèi)已有很多關(guān)于脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)研究的文章，然而這些文章主要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為重點(diǎn)分析的對象，很少針對實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題進(jìn)行研究探討。這里特對脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)過程中遇到的一些問題進(jìn)行了分析研究，對以后的研究者少走彎路有一定的意義。

圖2 脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)形式Fig.2 The structure of pulsating heat pipes

1 脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)形式

目前，國內(nèi)用于實(shí)驗(yàn)的脈動(dòng)熱管有圖2(a)和(b)所示的幾種形式。

一些研究者[5-7]在脈動(dòng)熱管上僅設(shè)置了充液口(即抽真空口)，采用了如圖2(a)所示的結(jié)構(gòu)；而另一些研究者[8-13]不但在脈動(dòng)熱管上部設(shè)置了充液口還設(shè)置了真空表接頭，采用了如圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)。在脈動(dòng)熱管上部設(shè)置真空表不但可以讀取管內(nèi)的真空度而且可以檢驗(yàn)整個(gè)裝置的氣密性，故從有利于實(shí)驗(yàn)的角度來講，圖2(b)在結(jié)構(gòu)形式上要優(yōu)于圖2(a)，然而在按圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)加工成脈動(dòng)熱管，在進(jìn)行充液測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)并不會(huì)像想像的那樣從充液口進(jìn)入后順著脈動(dòng)熱管的彎曲方向流動(dòng)，而是大量聚集在充液接頭和真空表接頭下部及兩個(gè)接頭之間的水平管段中，之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)槌湟航涌谂c真空表接口之間通過水平管段連接形成了連通器，造成充液時(shí)兩者的液面高度始終相同，使進(jìn)入下部平行毛細(xì)管內(nèi)的工質(zhì)極少；存在的另一個(gè)問題是更換充液率和工質(zhì)種類比較困難。因此，對脈動(dòng)熱管進(jìn)行了如圖2(b)所示的改進(jìn)。即在充液接頭與壓力表接頭之間安裝磨口玻璃塞。充液時(shí)關(guān)閉玻璃塞使工質(zhì)順著管子彎曲方向流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)開始后打開玻璃塞使工質(zhì)在管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；更換工質(zhì)時(shí)將磨口玻璃塞拔出，利用空氣泵將管內(nèi)工質(zhì)從玻璃塞處泵出。Charoensawan[14]等人的研究表明一定數(shù)目的閥門可以提高脈動(dòng)熱管的性能。雖然改進(jìn)后的脈動(dòng)熱管能夠很好地實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的充注和更換但也帶來了一些問題，一是添加閥門增加了系統(tǒng)泄漏的可能性，二是工質(zhì)仍然會(huì)在充液接頭及真空表接頭下方的豎直管段中聚集。前者可以通過提高密封性來解決，后者則要通過適當(dāng)減短充液接頭及真空表接頭下方的豎直管的高度來解決。

2 均勻充液實(shí)驗(yàn)

脈動(dòng)熱管管內(nèi)工質(zhì)的充注及氣液柱的形成依賴于脈動(dòng)熱管的內(nèi)外壓力差、表面張力、重力等因素。王偉[15]指出，在脈動(dòng)熱管內(nèi)充入部分工質(zhì)后立刻關(guān)閉閥門，過一段時(shí)間后再次打開閥門進(jìn)行充注(即不連續(xù)間隔充注工質(zhì))，這樣持續(xù)進(jìn)行直到滴定管中的工質(zhì)全部進(jìn)入銅管內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)工質(zhì)以氣液間隔的狀態(tài)均勻分布在管內(nèi)。通過多次的充液實(shí)驗(yàn)，這里認(rèn)為這種做法存在兩個(gè)問題。一是工質(zhì)的充注靠犧牲真空度為代價(jià)，而管內(nèi)的真空度是有限的，另外閥門的開閉也不可能十分迅速，故在閥門打開的一瞬間，大部分工質(zhì)在迅速進(jìn)入管內(nèi)的同時(shí)管內(nèi)的真空度也將消耗殆盡；二是脈動(dòng)熱管為銅管，即使進(jìn)行了局部可視化也不足以判斷是否實(shí)現(xiàn)了均勻充液。對均勻充液的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)。圖3為抽真空及充液裝置圖。

圖3 抽真空及充液裝置Fig.3 The setup of pumping into a vacuum and fi lling working fl uids

具體的做法是：首先關(guān)閉閥門4并將真空泵接在閥門3上，然后打開閥門3，開啟真空泵對脈動(dòng)熱管進(jìn)行抽真空處理，當(dāng)真空表的讀數(shù)保持不變時(shí)，先關(guān)閉閥門3再停掉真空泵，抽真空結(jié)束；其次，用軟膠管將滴定管與閥門4相連，通過滴定管先向軟膠管內(nèi)充入一定量的工質(zhì)。充注完畢后，先用手指捏住軟管的中間，將內(nèi)部工質(zhì)一分為二，然后開啟閥門4，此時(shí)工質(zhì)不會(huì)進(jìn)入脈動(dòng)熱管內(nèi)。隨后通過控制手指捏緊軟管的程度來使工質(zhì)在內(nèi)外壓差的作用下進(jìn)入管內(nèi)，當(dāng)工質(zhì)全部進(jìn)入管內(nèi)后，關(guān)閉閥門4，充液過程結(jié)束。雖然用手指代替閥門的通斷可以克服閥門開閉不靈活的缺陷，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)管內(nèi)工質(zhì)的分布并不均勻。這主要是因?yàn)楣べ|(zhì)在管內(nèi)的受力不能夠人為控制。圖4為充液率為30%和45%時(shí)的汽液柱分布圖。

圖4 30%和45%充液率時(shí)的氣液柱分布Fig.4 The distribution of the vapor-liquid slugs in PHP when the fi lling rate is 30% and 45%

3 加熱、冷卻方式的選擇

在對國內(nèi)外大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，對脈動(dòng)熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)所采用的加熱和冷卻方式進(jìn)行了總結(jié)。常用的加熱方法有電加熱絲加熱[16-17]和恒溫?zé)崴〖訜醄12,18]兩種，前者屬于不均勻加熱而后者屬于均勻加熱，從增加系統(tǒng)的不平衡性以利于脈動(dòng)熱管啟動(dòng)運(yùn)行的角度看電加熱絲加熱優(yōu)于恒溫水浴加熱。另外，這兩種加熱方式都存在加熱滯后性，但是電加熱絲加熱的滯后時(shí)間較恒溫?zé)崴〉囊獭＠淠说睦鋮s方式主要有恒溫水浴冷卻[10,19]和強(qiáng)制對流冷卻[17-18]兩種。用恒溫水浴冷卻時(shí)，一般測量冷卻水槽的進(jìn)出口溫度及內(nèi)部溫度，以根據(jù)式(1)來計(jì)算總熱阻或根據(jù)式(2)來計(jì)算放熱量。

其中：R為脈動(dòng)熱管的總熱阻，Te為蒸發(fā)段各測點(diǎn)溫度的平均值，Tc為冷凝段各測點(diǎn)溫度的平均值。Qe為扣除散熱損失后的加熱功率。

其中：Qc為冷卻段放熱量， 為冷卻水的密度，C為冷卻水的比熱容，L為冷卻水的體積流量，Tco冷卻水槽出口水溫，Tci為冷卻水槽進(jìn)口水溫。

當(dāng)用恒溫水浴對冷凝段進(jìn)行冷卻時(shí)，特別是在進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)時(shí)，多次測得的冷凝段平均溫度和冷卻水槽的進(jìn)出口溫度幾乎沒有明顯變化，由于Te的不斷升高和Tc的幾乎不變使得總熱阻R過大和Qc過小。這主要有三個(gè)原因：1)玻璃質(zhì)脈動(dòng)熱管的傳熱系數(shù)較低；2)水的比熱容較大，升溫不明顯；3)為了對管內(nèi)工質(zhì)的流型和流向進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)，絕熱段沒有完全包裹起來，造成熱量損失達(dá)。這里在以恒溫?zé)崴『秃銣乩渌槔錈嵩捶謩e對加熱段進(jìn)行加熱和對冷凝段冷卻的情況下對脈動(dòng)熱管的效率進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，以甲醇為工質(zhì)時(shí)的最高效率僅有47%，以水為工質(zhì)時(shí)，最高效率僅為27%。可見加熱、冷卻方式的選擇對最終的結(jié)果影響很大。

4 測溫點(diǎn)的布置及熱電偶的固定

國內(nèi)外的研究者[20-23]多用熱阻來對脈動(dòng)熱管的傳熱性能進(jìn)行評價(jià)。熱阻計(jì)算離不開溫度的測量，這自然牽涉到熱電偶的使用。熱電偶的布置位置和固定方法應(yīng)綜合考慮管材和必要的測溫點(diǎn)兩個(gè)因素。當(dāng)脈動(dòng)熱管為金屬材質(zhì)時(shí)，可以通過在壁面打孔然后放置熱電偶的方法來進(jìn)行測量；當(dāng)為玻璃質(zhì)管材時(shí)，由于玻璃易碎易折斷，因此最好采用熱電偶頂端貼壁來實(shí)現(xiàn)，而玻璃管壁面粗糙度較小，使得貼壁實(shí)施起來較為困難。實(shí)驗(yàn)的做法是，首先將熱電偶前端折成一個(gè)半圓圈，然后將它卡在玻璃管外壁上，并使熱電偶前端測點(diǎn)頂在脈動(dòng)熱管管壁上，最后在外部包裹密封固定材料。如圖5所示：

圖5 熱電偶布置方式Fig.5 The fi xed way of thermocouples

由于蒸發(fā)端與冷凝端各彎頭是蒸發(fā)過程和冷凝過程發(fā)生最為劇烈的場所；同時(shí)氣液柱在彎頭處受到離心力的作用會(huì)對壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，另外在此處布置熱電偶可以有效防止熱電偶的滑動(dòng)，因此有必要在脈動(dòng)熱管的彎頭處布置熱電偶。熱電偶布置完畢后，先用硅橡膠包裹密封，然后在硅橡膠的外部包裹玻璃棉和隔熱膜以減少熱電偶受外部環(huán)境的影響；同時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的不平衡度以利于脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)運(yùn)行，各個(gè)彎頭上玻璃棉的厚度依次遞減。

脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)大多采用透明玻璃管，以便對管內(nèi)的流型和流動(dòng)情況進(jìn)行觀察。為了保證脈動(dòng)熱管具有一定的強(qiáng)度，一般采用小內(nèi)徑、大外徑玻璃管，這樣若采用間接測量必然存在很大的測量誤差，因此有必要對已測得的溫度進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

對脈動(dòng)熱管可視化實(shí)驗(yàn)過程準(zhǔn)備中遇到的一些問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并給出了具體的解決辦法。

1)在水平管段上加裝玻璃塞既可以使工質(zhì)按照玻璃管的彎曲方向進(jìn)行充注又可以方便地實(shí)現(xiàn)充液率和工質(zhì)種類的更換。

2)工質(zhì)靠犧牲管內(nèi)的真空度來進(jìn)入管內(nèi)，不能人為控制脈動(dòng)熱管內(nèi)氣液柱的分布情況。

3)加熱冷卻方式的選擇對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響。

4)有必要在彎頭處布置熱電偶，進(jìn)行溫度測量時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的修正以減少測量誤差。

(本文受重慶市科委自然科學(xué)基金(CSCD:2007BB 6191)、重慶大學(xué)博士啟動(dòng)基金(0903005104992)項(xiàng)目資助。The project was supported by the Chongqing Natural Science Fundation (CSCD:2007BB6191) and Doctoral Startup Foundation of Chongqing University(0903005104992).)

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