王迅，肖沖，李月月

（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

甲醇、丙酮及其二元混合工質脈動熱管的啟動特性

王迅，肖沖，李月月

（天津大學機械工程學院，中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津 300072）

以甲醇、丙酮以及二者體積比1∶1混合組成的甲醇/丙酮混合液為工質，對脈動熱管在不同加熱功率和充液率下的啟動特性進行了實驗研究，結果表明：在低加熱功率下時，甲醇/丙酮混合工質的啟動時間比丙酮長，比甲醇短，適當增加啟動功率可以明顯縮短脈動熱管的啟動時間，但是對丙酮及混合工質的啟動溫升影響不大；在60W高加熱功率下時，3種工質的啟動方式均為溫度突變型，其中混合工質的啟動時間最短，并且增加啟動功率可以明顯地提高混合工質脈動熱管的啟動溫升；充液率對脈動熱管的啟動方式影響較為明顯，丙酮和混合工質的啟動溫升均隨著充液率的增加而逐漸減少，在中低充液率（≤50%）下，二者屬于溫度突變型啟動，而在80%高充液率下，其啟動方式變?yōu)闇囟绕椒€(wěn)過渡型啟動。

脈動熱管；充液率；混合工質；啟動特性

近年來，隨著科技的進步，電子元件的集成化和微型化愈發(fā)深化，單位面積內的發(fā)熱量快速上升，散熱問題正在逐步尖銳化，在眾多的散熱元件中，脈動熱管憑借其高效的傳熱能力、結構簡單、適應性強等特點而脫穎而出，被視為21世紀解決微小空間、高熱流密度散熱問題的方案中最有希望的散熱元件之一。

脈動熱管的運行由啟動階段和穩(wěn)定運行階段兩部分組成，其中啟動階段涉及工質的動態(tài)傳熱傳質，此階段起于脈動熱管開始加熱，止于脈動熱管開始穩(wěn)定運行，對此過程的機理分析和實驗研究對掌握電子設備散熱元件的啟動以及傳熱性能具有重要的意義。KHANDEKAR等［1］通過實驗研究并總結以往學者研究結果，將影響脈動熱管啟動特性參數歸結為3類：①物性參數，包括工質物性、充液率等；②操作參數，包括加熱/冷卻方式、傾斜角、加熱功率等；③幾何參數，包括管徑、管長、彎頭數等。近二十年來，研究人員圍繞這些不同的影響因素對脈動熱管的啟動展開了相關研究。LIN［2］、楊洪海［3］和汪雙鳳［4］等學者從工質物性方面研究了脈動熱管的啟動特性，其研究結果表明：脈動熱管的啟動與工質物性和熱驅動力密切相關，并且甲醇的啟動特性要優(yōu)于乙醇，R123要比水更容易啟動，其中水作為工質時脈動熱管最不容易燒干。TONG［5］、KADOGUCHI［6］和SINGH［7］等通過研究操作參數對脈動啟動特性的影響，其實驗研究發(fā)現(xiàn)：工質在垂直底部加熱時傳熱效果普遍較好，并且存在一個最小熱啟動功率，使得流體在回路中沿著某個固定方向循環(huán)流動，同時在低加熱功率下啟動時脈動熱管所需的啟動時間普遍較長。NISHIO［8-9］、CHAROENSAWAN［10-11］等較為全面地研究了脈動熱管幾何參數對熱管啟動運行的影響，其研究結果顯示：彎頭數目對脈動熱管啟動功率有一定影響，并且不同工質的最佳彎頭數目也不一樣，其次，不同工質脈動熱管都存在最佳的工作管徑。

盡管脈動熱管的啟動特性受眾多因素影響，但是其啟動方式卻很少，至今觀察到的有3種［12-13］，即溫度突變型（加熱段溫度有明顯突變）、溫度漸變型（加熱段溫度突變前還有明顯的溫度脈動上升過程）和溫度平穩(wěn)過渡型（啟動階段轉變到穩(wěn)定運行階段過程中溫度平穩(wěn)上升且無突變現(xiàn)象）。另外，不少學者對二元混合工質脈動熱管也進行了相應的實驗研究。如PACHGHARE［14］、ARMIJO［15］、王迅［16］、崔曉玨［17］等，其相關研究結果顯示：甲醇/丙酮混合工質的啟動功率低于甲醇水溶液，而甲醇水溶液的啟動時間要比無水甲醇長，并且甲醇水溶液在低加熱功率下啟動方式為溫度漸變型，同時實驗結果也表明混合工質穩(wěn)定運行時的傳熱效果處于兩種純工質之間。從現(xiàn)有文獻中可以得知，啟動時間和啟動溫升是作為脈動熱管啟動特性的兩個評價指標，啟動時間為脈動熱管啟動階段所用時間，其數值大小能反映出脈動熱管的啟動迅速與否；啟動溫升為脈動熱管運行中出現(xiàn)的最高溫度值與穩(wěn)定運行時的平均溫度值之差，過高的啟動溫升會嚴重損害設備的性能，并且還會縮小設備的使用范圍。

綜合上述文獻中所取得的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，關于純工質與混合工質脈動熱管的啟動特性對比研究很少，而啟動時間和啟動溫升兩個評價指標也很少用于混合工質脈動熱管啟動特性分析中。針對其研究的不足之處，本文將在固定管徑和垂直底部加熱方式的情況下，通過實驗的方法研究甲醇、丙酮以及甲醇/丙酮1∶1混合液3種工質在不同工況下的啟動情況，對比純工質與混合工質啟動特性，研究不同工質、加熱功率以及充液率對脈動熱管啟動的影響，其研究結果對研究混合工質脈動熱管的啟動特性具有指導意義。

1　實驗裝置

本實驗脈動熱管采用銅質毛細管彎曲而成，脈動熱管管徑的選取受工質物性影響較大，依據式（1）確定［18］。

式中，d為脈動熱管內徑，m；ρ1、ρv分別為工質液態(tài)、氣態(tài)時的密度，kg/m3；σ1為工質液態(tài)時的表面張力，10-3N/m；g為重力加速度，N/kg。

本實驗采用甲醇、丙酮以及甲醇/丙酮1∶1混合液為工質，依據式（1）可得到甲醇工質的管徑取值范圍為1.12～2.86mm；丙酮工質的管徑取值范圍為1.18～3.01mm，最終確定脈動熱管的尺寸參數如下：環(huán)路數10個，管徑2mm，管間距為60mm，其他尺寸參數以及熱電偶分布如圖1所示。對于脈動熱管啟動運行的熱工實驗條件一般有以下3種情況：①加熱段可控熱流加熱，冷卻段風冷冷卻；②加熱段可控熱流加熱，冷卻段水浴冷卻；③加熱段水浴加熱，冷卻段水浴冷卻。

本文采用第二種方法作為脈動熱管實驗方案。實驗臺系統(tǒng)如圖2所示，主要由脈動熱管主體、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)以及其他輔助部件組成。熱管主體的冷卻段留有一個接口，通過四通閥分別連接壓力表、充液口以及真空泵，用于熱管抽真空和充液以及監(jiān)控管內壓力變化；加熱段采用鎳鉻電阻絲對系統(tǒng)加熱以提供可控輸入功率，實驗過程中通過變壓器控制加熱功率，利用單相有功功率表（型號BHS-P，精度0.5級）顯示功率值；冷卻段由DC2006型低溫恒溫水槽提供18℃的恒溫冷卻水進行冷卻，控溫精度為0.1℃，并在出口管道上裝有流量計用于觀測冷卻水流量；在恒溫水浴進出口布置有編號為D1、D2的兩個熱電偶，在脈動熱管的冷卻段、絕熱段和加熱段管壁上分別布置了編號為C1～C5、B1～B2、A1～A4的熱電偶，所用熱電偶是直徑為0.1mm的T形熱電偶，標定后熱電偶的測量誤差為±0.1℃，熱電偶連接到 Agilent 34970A型多通道數據采集儀，通過數據采集儀和配套軟件以及計算機對數據進行記錄。

圖1　脈動熱管尺寸示意圖（單位：mm）

圖2　脈動熱管實驗臺系統(tǒng)圖

2　結果與討論

2.1 熱平衡分析

通過對脈動熱管在工質為丙酮、充液率在50%的工況下進行傳熱實驗，加熱功率范圍10～100W，熱電偶D1、D2采集得到脈動熱管穩(wěn)定運行下冷卻水槽進出口溫度數據，對脈動熱管的熱平衡進行計算，如表1所示。

從表 1可以看出，脈動熱管在加熱功率小于80W的情況下實際熱損失小于2%，表明絕熱措施較好，而在加熱功率大于80W后，脈動熱管的實際熱損失大于 2%，為了使得實驗數據更為準確，實驗加熱工況設定為10～80W。在對脈動熱管的啟動特性進行分析時，選擇A4和C3熱電偶的測量數據進行分析，因為為了保證能夠較為客觀地反應出熱管的啟動特性，只能選擇瞬時變化溫度，而不能采用平均溫度值，同時2測點間要保證只少有一個環(huán)路（彎頭），這樣可以保證使用數據能盡可能地反應出脈動熱管運行時的整體變化情況。

表1　不同加熱功率下脈動熱管熱平衡計算

2.2 低加熱功率下脈動熱管的啟動

在啟動功率分別為10W、30W，充液率為50%的工況下，工質為甲醇、丙酮、甲醇/丙酮1∶1的脈動熱管在啟動過程中溫度隨時間變化的曲線如圖3、圖4所示。在開始加熱后，加熱段溫度呈逐步上升趨勢，而冷卻段溫度基本保持不變，當加熱時間到達某一時刻t1時，脈動熱管冷卻段溫度突然跳躍升高，隨后出現(xiàn)較為劇烈的脈動，當進入穩(wěn)定運行階段后，冷卻段出現(xiàn)較為有規(guī)律的脈動，其原因是，脈動熱管剛啟動時，管內工質運動不穩(wěn)定，氣塞和液塞進過冷卻段的頻率不定，造成溫度變化較為劇烈，而進入溫度運行階段以后，管內工質運行穩(wěn)定，氣塞和液塞較為規(guī)律地通過冷卻段，使得冷卻段溫度變化相對穩(wěn)定；加熱段溫度改變原有的上升趨勢，出現(xiàn)溫度下降或者以另一種變化趨勢上升；當加熱時間超過某時刻t2時，脈動熱管加熱段溫度呈現(xiàn)出穩(wěn)定的脈動，并且變化幅度非常小。究其原因是在時間為 0～t1時，脈動熱管處于能量積累階段，隨著熱量的輸入，脈動熱管加熱段工質溫度上升，加熱段工質不斷吸收熱量，逐漸蒸發(fā)，管內壓力緩慢升高，但是依然無法推動管內工質運動，因而管內工質依舊處于靜止狀態(tài)，隨著加熱時間的推移，管內工質的熱力學能不斷增加；當加熱時間超過t1卻未達到t2時，脈動熱管內氣液塞開始脈動，但是由于管內壓力變化不定以及熱量傳遞到冷卻段使得溫度梯度下降，因此，此時脈動熱管內工質的脈動很不穩(wěn)定，工質可能只在加熱段出現(xiàn)局部脈動，甚至還會出現(xiàn)停滯情況，因此熱管并未進入穩(wěn)定運行階段，而是處于一個較為短暫的啟動過渡階段；當加熱時間超過t2時，脈動熱管進入穩(wěn)定運行階段。

在啟動功率為10W時（圖3），丙酮、甲醇、甲醇/丙酮混合液3種工質的啟動時間分別為202s、336s、230s，并且3種工質的啟動溫升都比較小，在啟動過程中甲醇能量積累所需時間最長，其達到穩(wěn)定運行階段的穩(wěn)定運行溫度也是最大；在啟動功率為30W時（圖4），丙酮、甲醇、甲醇/丙酮混合液3種工質的啟動時間分別為150s、260s、190s，并且甲醇有較明顯的啟動溫升，其啟動溫升ΔT1=4℃，而另外兩種工質的啟動溫升不明顯。

對比圖3、圖4可知，在低加熱功率啟動時，丙酮的啟動時間最短，甲醇的啟動時間最長，甲醇/丙酮混合工質的啟動時間居中，并且提高加熱功率能明顯地縮短啟動時間。從啟動階段各工質加熱段溫度變化可以看出，在低加熱功率啟動時，啟動功率的改變無法影響甲醇的啟動形式，兩種不同功率下甲醇的啟動方式都是溫度漸變型；對于丙酮和甲醇/丙酮混合溶液，功率不同其啟動方式也不同，在加熱功率為10W啟動時，兩種工質為溫度突變型啟動，而在加熱功率為30W啟動時，兩種工質為溫度漸變型啟動。這是因為丙酮比甲醇的氣化潛熱值小、蒸發(fā)溫度低，因此在啟動過程中能氣化產生氣泡的速率快，這就導致丙酮更容易啟動；在低加熱工況下，增加加熱功率能有效地縮短能量積累階段所需時間，因此增加加熱功率能明顯縮短脈動熱管的啟動時間。

2.3 高加熱功率下脈動熱管的啟動

在啟動功率為60W時（圖5），3種工質在啟動階段加熱段最大溫度值均出現(xiàn)在t1時刻，即脈動熱管內工質開始由靜止轉向脈動流動時刻，隨后溫度急速下降，并且快速達到穩(wěn)定運行階段，其中過渡階段時間非常短暫，這是因為由于加熱段輸入功率較大，管內工質吸熱蒸發(fā)速度很快，使得工質還未脈動起來之前，加熱段管內的氣塞溫度出現(xiàn)較大的過熱度，當過熱度達到一定程度時，脈動熱管在一定的壓力差驅動下工質開始脈動運動。工質脈動運行后，加熱段的氣塞溫度還未達到靜止時的過熱度就流向冷卻段了，因此 t1時刻溫度最大，t1時刻后脈動熱管通過自我調節(jié)快速達到穩(wěn)定運行階段，從工質加熱段溫度變化曲線可以知道，3種工質都屬于溫度突變型啟動，在啟動階段，丙酮、甲醇、甲醇/丙酮混合液3種工質的啟動時間分別為 204s、250s、180s，同時甲醇的啟動溫升ΔT1=8℃，甲醇/丙酮混合工質的啟動溫升ΔT2=4.5℃，這是因為混合工質在物性上的互補性使得其啟動階段過渡階段非常短暫，從而使得其啟動時間最小。

啟動功率為80W時（圖6），丙酮工質脈動熱管在t1時刻開始出現(xiàn)脈動運動，加熱段溫度出現(xiàn)短暫的下降趨勢，但是由于推動力較小，未能形成定向循環(huán)流動，液塞出現(xiàn)微小的上下振蕩，其緩慢脈動運動帶走的熱量遠不及輸入的熱量，因此加熱段溫度短時間下降后又繼續(xù)上升，最后才進入穩(wěn)定運行階段。從其啟動溫度變化可以看出，丙酮的啟動方式為溫度漸變型，而甲醇和甲醇/丙酮混合工質的啟動方式依然為溫度突變型。從圖6中還可以看出，丙酮、甲醇、甲醇/丙酮混合液3種工質的啟動時間分別為220s、250s、216s，甲醇的啟動溫升ΔT1=9℃，甲醇/丙酮混合工質的啟動溫升ΔT2=10.5℃。其冷卻段溫度變化與圖5對比可以看出，冷卻段的溫度變化較為相似，溫度波動頻率均要高于加熱段，其原因是冷卻段采用的是水冷式冷卻，并且冷卻水溫度較低，使得管內工質過冷度較大，從而使得波動頻率較高。

對比圖5、圖6可知，在高加熱功率下啟動時，甲醇/丙酮混合工質所需啟動時間最短，而甲醇工質的啟動時間最長；增加啟動功率并不能有效縮減 3種工質的啟動時間，且對甲醇和甲醇/丙酮混合工質的啟動方式無影響，但是，對甲醇/丙酮混合工質的啟動溫升影響非常明顯，同時啟動功率變化能夠改變丙酮的啟動方式。

2.4 不同充液率下脈動熱管的啟動

如圖7所示，在加熱功率為40W、低充液率（20%）工況下，在脈動熱管的啟動過程中，3種不同工質的加熱段溫度均在t1時刻達到最大值，這是因為隨著加熱段熱量的輸入，加熱段溫度逐漸上升，加熱段液態(tài)工質逐漸氣化，推動工質進行上下振蕩，但是由于充液率低，管內液塞數目非常有限，更多的是液膜包圍氣體形成的較長氣塞，因此工質氣化時很少形成氣泡，而是在原有氣塞外層的液膜處以薄液膜蒸發(fā)產生相變，使得原有的氣塞進一步增長，這種以液膜蒸發(fā)產生的沖擊遠不如氣泡產生/破滅產生的沖擊，因此此種情況下脈動熱管開始運動時所需要的熱力差要高于穩(wěn)定運行時的熱力差。從圖7中可以看出，3種工質脈動熱管啟動方式都表現(xiàn)為溫度突變型，并且啟動溫升ΔT均在3℃左右，同時，由于丙酮氣化潛熱遠少于其他兩種工質，因此吸熱氣化所需時間較少，能夠迅速啟動起來。

圖3　充液率50%，啟動功率10W

圖4　充液率50%，啟動功率30W

圖5　充液率50%，啟動功率60W

圖6　充液率50%，啟動功率80W

圖7　充液率20%，啟動功率40W，

圖8　充液率50%，啟動功率40W

圖9　充液率80%，啟動功率40W

在充液率為50%（圖8）工況下啟動時，脈動熱管內部氣塞、液塞間隔分布在管內，并且二者的數量相差很少，因而在啟動過程中工質吸熱氣化時產生的氣泡既出現(xiàn)在氣塞中也出現(xiàn)在氣塞中，因而當管內工質運動起來后能形成較為劇烈的脈動現(xiàn)象，加熱段溫度波動會比較明顯。從圖8中可以看出，在啟動過程中，丙酮和混合工質脈動熱管啟動方式為溫度突變型，并且二者的啟動溫升ΔT分別為0.7℃、2℃；甲醇工質脈動熱管為溫度漸變型啟動，其啟動溫升ΔT1=5℃。

在較高充液率下啟動時（圖9），脈動熱管內部隨機分布的液塞要遠多于氣塞，并且液塞長度較長，這使得加熱段工質吸收熱量氣化時，大部分工質氣化時是以在液塞柱中形成氣泡的形式出現(xiàn)，氣泡慢慢增大形成氣塞，最后將液塞柱一分為二，從而產生較大的沖擊，推動工質上下脈動，當氣泡量一定多時，就使得脈動熱管內漸漸形成循環(huán)脈動流動。從圖9中可以看見，丙酮和甲醇/丙酮混合工質在啟動過程并未出現(xiàn)溫度突然下降，而經過一定時間的緩慢上升達到一定溫度后，即開始在此溫度下進入穩(wěn)定運行階段，因此，這兩種工質在啟動過程中幾乎沒有啟動溫升，其啟動方式屬于溫度平穩(wěn)過渡型；而甲醇工質脈動熱管在啟動過渡階段溫度再次波動上升，其啟動方式屬于溫度漸變型，并且其啟動溫升ΔT1=5℃。

對比3種不同充液率下脈動熱管冷卻段溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，丙酮的脈動幅度最小，而甲醇和混合工質的溫度脈動幅度相差不大，其原因可能是丙酮的氣化潛熱最小，相同加熱功率下產生的蒸汽量要多，并且冷卻相同長度管長所需熱量也小，從而使得其脈動幅度最?。贿M一步對比3種不同充液率下的加熱段的啟動溫度可以發(fā)現(xiàn)，甲醇工質脈動熱管在較高充液率（≥50%）時，為溫度漸變型啟動，并且充液率的增加對其啟動溫升影響很??；丙酮和甲醇/丙酮混合工質脈動熱管的啟動溫升隨著充液率的增加而逐漸減少，在低中充液率（≤50%）下時，其啟動方式均為溫度突變型，在較高的充液率（80%）下時，二者的啟動方式均為溫度平穩(wěn)過渡型。

3　結　論

本文以甲醇、丙酮以及甲醇/丙酮比為1∶1混合液為工質，對脈動熱管在不同加熱功率和充液的工況下的啟動特性進行了實驗研究，通過分析和比較3種工質在啟動過程中溫度曲線的變化，得到如下結論。

（1）在低加熱功率下啟動時，甲醇的啟動方式一直保持為溫度漸變型，3種工質中，甲醇啟動時間最長，丙酮啟動時間最短，同時適當增加加熱功率能夠有效地縮短啟動時間；功率增加對丙酮和混合工質脈動熱管的啟動溫升影響很小，但是卻可以改變二者的啟動方式。

（2）在高加熱功率下啟動時，甲醇和甲醇/丙酮混合工質的啟動方式為溫度突變型，甲醇/丙酮混合工質的啟動時間最短，適當增加加熱功率，對啟動時間影響不明顯，但是能明顯地提高混合工質的啟動溫升，同時也能改變丙酮工質的啟動方式。

（3）充液率對脈動熱管的啟動影響較大，隨著充液率的增加，丙酮和混合工質的啟動溫升逐漸減少，在中低充液率（≤50%）下時在，二者的啟動方式均為溫度突變型，在高充液率（80%）下，二者的啟動方式均變?yōu)闇囟绕椒€(wěn)過渡型；甲醇工質脈動熱管在低充液率（20%）下時為溫度突變型啟動，而在中高充液率（≥50%）下為溫度漸變型啟動，并且充液率的增加對其啟動溫升影響不明顯。

符 號 說 明

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Experimental study on the start-up characteristic of pulsating heat pipe with methanol/acetone and binary mixed working fluids

WANG Xun，XIAO Chong，LI Yueyue
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，Ministry of Education of China，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Start-up characteristics of pulsating heat pipe with different filling ratios were investigated under various starting power conditions using methanol，acetone and methanol/acetone volume ratio1∶1 as working fluids.Experimental results indicated that methanol/acetone mixture has a longer start-up time than acetone，but a shorter one than methanol at lower starting power.A proper increase of starting power can significantly shorten the start-up time of pulsating heat pipe，whereas it has a slight effect on the rise of starting temperature for acetone and methanol/acetone mixture.At higher starting power（60W），all the three working fluids had a temperature-jump at start-up，among which methanol/acetone mixture revealed the shortest start-up time.Moreover，the rise of starting temperature became longer with the increase of the starting power.The filling ratios evidently influence the activation method for pulsating heat pipe.The rise of starting temperature for acetone and methanol/acetone mixture gradually decreases with the increase of filling ratios.The two working fluids have a temperature-jump start-up at low and medium filling ratio（≤50%），but the start-up temperature transition tends to become smooth at high filling ratio of 80%.

pulsating heat pipe；filling ratio；mixed working fluids；start-up characteristic

TK 124

A

1000-6613（2016）09-2678-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.09.007

2016-01-11；修改稿日期：2016-02-20。

天津市自然科學基金項目（10JCYBJC08100）。

及聯(lián)系人：王迅（1963—），男，博士，副教授，研究方向為強化傳熱、傳熱傳質。E-mail wangxuntju@126.com。