沈超，劉玉娟，王竹萱，張東偉，楊建中，魏新利

（1鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001；2鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州450001）

引 言

熱管換熱器以熱管為傳熱元件，因其具有傳熱性能好、運(yùn)行可靠性高的優(yōu)點(diǎn)而被應(yīng)用到太陽(yáng)能系統(tǒng)[1-2]、電子冷卻[3-7]、鐵路運(yùn)輸[8-9]、熱電發(fā)電機(jī)[10]、熱能回收[11-14]等多個(gè)領(lǐng)域，熱管傳熱機(jī)理復(fù)雜，內(nèi)部的工作機(jī)理包括兩相流動(dòng)及工質(zhì)相變過(guò)程。管內(nèi)兩相流流型產(chǎn)生和變化規(guī)律的研究是熱管設(shè)計(jì)和優(yōu)化的依據(jù)[15]，同時(shí)可視化實(shí)驗(yàn)是揭示兩相流流型產(chǎn)生和變化規(guī)律的一種有效方法[16]。黃廉民等[17]和陳崗等[18]采用高速攝像技術(shù)對(duì)重力熱管內(nèi)部工作過(guò)程進(jìn)行研究。Emami等[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了充液率和傾角對(duì)重力熱管傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)充液率為45%、傾角為60°時(shí)重力熱管具有較好的傳熱性能。韓振興等[20]應(yīng)用ECT技術(shù)對(duì)重力熱管冷凝段的流動(dòng)換熱進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)研究，觀察不同工況條件下重力熱管冷凝段的氣、液分布特性和液膜的形成及發(fā)展過(guò)程。于程等[21]基于高速高清攝像儀搭建了平板熱管可視化平臺(tái)，研究了平板熱管氣液兩相工質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)以及相變傳熱行為。Smith等[22-23]研究了全透明小尺寸兩相閉式熱虹吸管限制數(shù)和蒸汽質(zhì)量流量對(duì)其傳熱性能和流動(dòng)的影響。Kim等[24]進(jìn)行兩相閉式熱虹吸管可視化實(shí)驗(yàn)，觀察熱虹吸管在流路、充液芯以及充液率變化的過(guò)程中，工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)和熱管的熱傳遞現(xiàn)象。孫芹等[25]和劉向東等[26]采用可視化實(shí)驗(yàn)對(duì)脈動(dòng)熱管內(nèi)的工質(zhì)運(yùn)動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了研究。冼海珍等[27-28]對(duì)振蕩熱管進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)出現(xiàn)了泡狀流、塞狀流等多種流型的變化，同時(shí)熱管內(nèi)流型的變化與加熱功率有關(guān)。

然而常規(guī)熱管換熱器結(jié)構(gòu)不夠緊湊，占用空間大等缺點(diǎn)限制了其在一些領(lǐng)域的推廣。平行流換熱器是一種結(jié)構(gòu)緊湊的換熱器，體積小、質(zhì)量輕、管外換熱性能好[29]。沈超等[30-31]提出了綜合熱管軸向高效換熱和平行流換熱器管外高效換熱優(yōu)點(diǎn)的平行流熱管換熱器，并基于VOF模型對(duì)用于空調(diào)冷熱量回收的平行流熱管換熱器的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了單根管內(nèi)兩相流特性和傳熱傳質(zhì)過(guò)程，后又基于傳熱風(fēng)洞對(duì)平行流熱管進(jìn)行傳熱和流動(dòng)性能測(cè)試，結(jié)果顯示其換熱效率在95%～98%之間。

平行流熱管換熱器工作機(jī)理復(fù)雜，其所用傳熱元件和普通熱管的工作機(jī)理不同，管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)和相變過(guò)程也存在很大差異。從現(xiàn)有研究來(lái)看，可視化方法廣泛應(yīng)用在脈動(dòng)熱管、平板熱管、重力熱管等研究中，尚未有對(duì)平行流熱管管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程的可視化研究。為了研究平行流熱管管內(nèi)工作機(jī)理，本文搭建了平行流熱管可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)并結(jié)合高速攝像和紅外測(cè)試技術(shù)探究了在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同加熱功率及不同工質(zhì)下平行流熱管的啟動(dòng)特性、管內(nèi)相態(tài)以及工質(zhì)分配規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了可視化實(shí)驗(yàn)的方便，實(shí)驗(yàn)中平行流熱管采用石英玻璃管制成，如圖1所示，頂部為均壓管，底部為集液管，長(zhǎng)度均為50 mm，二者通過(guò)并聯(lián)的平行管路相連通，主體部分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段，長(zhǎng)度分別為70、160和70 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中采用丙酮和甲醇作為充注工質(zhì)，其物性參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 平行流熱管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagramof parallel flow heat pipe

表1 平行流熱管樣品參數(shù)Table 1 Sample parameters of parallel flow heat pipe

圖2 平行流熱管可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2 Schematic diagramof the parallel flow heat pipe visualization experimental rig

平行流熱管可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括：平行流熱管、高速圖像記錄儀（AMETEK Phantom Miro 340）、高亮光源、計(jì)算機(jī)、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、冷卻風(fēng)扇等。平行流熱管的蒸發(fā)段采用鎳鉻合金絲均勻纏繞，通過(guò)改變施加在鎳鉻合金絲兩端的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的控制，實(shí)驗(yàn)中加熱功率分別為10、30、50 W，冷凝段采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，風(fēng)速為4.95 m/s，室內(nèi)環(huán)境溫度保持在26℃。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中利用紅外熱像儀（FLIR T440）測(cè)量平行流熱管表面溫度，使用高速圖像記錄儀記錄工質(zhì)流動(dòng)狀況以及氣液兩相流型變化過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)平行流熱管啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段進(jìn)行可視化研究，拍攝速率定為1000 fps，拍攝時(shí)長(zhǎng)為16.092 s。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 加熱功率的影響

對(duì)管徑為4 mm，充注工質(zhì)為丙酮的平行流熱管，通過(guò)改變其加熱功率來(lái)研究加熱功率對(duì)平行流熱管工作狀態(tài)的影響。圖3為平行流熱管在加熱功率為10 W時(shí)，熱管蒸發(fā)段工質(zhì)流動(dòng)情況和熱管溫度分布，從圖中可以看出，此時(shí)平行流熱管蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)未明顯流動(dòng)，其熱量也主要集中在加熱區(qū)域，未向絕熱段和冷凝段傳遞，說(shuō)明加熱功率為10 W時(shí)平行流熱管未能啟動(dòng)。

圖4為加熱功率30 W時(shí)平行流熱管的工作過(guò)程。圖中從左至右依次為第1～5支管。隨著熱量的不斷輸入，管中產(chǎn)生氣泡，熱管由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始啟動(dòng)，t=5 ms時(shí)，第1、2、3支管液面下降，管內(nèi)產(chǎn)生的氣泡向右運(yùn)動(dòng)，第4、5支管液面上升。在第5支管液柱上升到一定高度時(shí)，由于重力和管內(nèi)不平衡壓力的共同作用，液柱下降，同時(shí)內(nèi)壁面冷凝的液體工質(zhì)以降膜形式沿管壁流下，集液管液體被擠壓向左運(yùn)動(dòng)，使第2、3支管與集液管連接處形成的氣泡分成三部分，分別進(jìn)入第1、2、3支管內(nèi)[圖4（b）]，下部氣泡逐漸增大推動(dòng)其上方液柱向上運(yùn)動(dòng)，第2支管出現(xiàn)彈狀流。同樣，在第1、2支管上方液柱重力大于液柱下方與上方的壓力差時(shí)，液柱裹挾著氣泡下降，使第1、2支管內(nèi)的液體及氣泡進(jìn)入集液管向右運(yùn)動(dòng)，一方面推動(dòng)第3支管液柱上升，另一方面使第5支管下方產(chǎn)生的氣泡進(jìn)入支管，推動(dòng)其液柱和氣泡上升。在第3支管液柱上升的過(guò)程中，下方氣泡逐漸變大，使得下部壓力降低，從而形成“抽吸作用”，集液管內(nèi)的液體在“抽吸作用”下被吸入管內(nèi)并向上運(yùn)動(dòng)，支管內(nèi)出現(xiàn)了短暫的攪拌流，在向上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流[圖4（c）]。隨后，第3支管頂部的液柱達(dá)到平衡，液柱不再運(yùn)動(dòng)，而由于抽吸作用所帶來(lái)的壓力波動(dòng)使第5支管內(nèi)原本上升工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，液柱下降，下部氣泡的體積逐漸變小，同時(shí)氣泡下方的液柱向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入集液管后推動(dòng)集液管中氣泡向左移動(dòng)，第1、2支管內(nèi)的液柱在氣泡的推動(dòng)下第二次向上運(yùn)動(dòng)[圖4（d）]。當(dāng)t=830 ms時(shí)，第2支管內(nèi)出現(xiàn)了彈狀流，在向上的運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)化為環(huán)狀流。從平行流熱管的整個(gè)工作過(guò)程中可以看出，平行流熱管管內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，工作過(guò)程中氣泡在管路中生成、長(zhǎng)大、拖曳及管路間分化，工質(zhì)在管內(nèi)不均衡壓力和重力的共同作用下進(jìn)行往復(fù)振蕩流動(dòng)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下不同工質(zhì)的熱物性參數(shù)Table 2 Thermophysical parameters of different working fluids at standard atmospheric pressure

圖3 平行流熱管蒸發(fā)段工質(zhì)流動(dòng)情況和熱管表面溫度分布（4 mm，丙酮，10 W）Fig.3 Working fluid flow and surface temperature distribution of parallel flow heat pipe evaporation section(4 mm,acetone,10 W)

圖5 平行流熱管啟動(dòng)前后的表面溫度分布（4 mm，丙酮，30 W）Fig.5 Temperature distribution before and after startup of parallel flow heat pipe(4 mm,acetone,30 W)

圖5為加熱功率30 W時(shí)平行流熱管啟動(dòng)前后的表面溫度分布。從圖中可以看出平行流熱管啟動(dòng)前熱量主要集中在蒸發(fā)段，未向絕熱段和冷凝段傳遞，平行流熱管啟動(dòng)后，熱量迅速向上傳遞，絕熱段和冷凝段溫度迅速升高。由于熱管啟動(dòng)后管內(nèi)工質(zhì)進(jìn)行蒸發(fā)和冷凝的相變換熱，同時(shí)管間壓力不平衡所引起的氣柱和液柱在各并聯(lián)管路間進(jìn)行的互激振蕩流動(dòng)，強(qiáng)化了蒸發(fā)段熱量向絕熱段和冷凝段傳遞。

圖4 平行流熱管的工作過(guò)程（4 mm，丙酮，30 W）Fig.4 Working process of parallel flow heat pipe(4 mm,acetone,30 W)

圖6 平行流熱管的工作過(guò)程（4 mm，丙酮，50 W）Fig.6 Working process of parallel flow heat pipe(4 mm,acetone,50 W)

圖7 平行流熱管啟動(dòng)前后的表面溫度分布（4 mm，丙酮，50 W）Fig.7 Temperature distribution before and after startup of parallel flow heat pipe(4 mm,acetone,50 W)

加熱功率為50 W時(shí)，平行流熱管管內(nèi)兩相流動(dòng)如圖6所示，在初始階段蒸發(fā)段壁面過(guò)熱度較低，工質(zhì)處于自然對(duì)流狀態(tài)，當(dāng)蒸發(fā)段壁面達(dá)到所需的過(guò)熱度時(shí)，成核點(diǎn)產(chǎn)生氣泡，核態(tài)沸騰開(kāi)始出現(xiàn)[圖6（b）]，此時(shí)管內(nèi)出現(xiàn)瞬態(tài)劇烈沸騰，液體快速蒸發(fā)為氣體。由于較高的蒸氣產(chǎn)生速率，管內(nèi)形成大量小氣泡，蒸氣的快速產(chǎn)生引起了氣-液界面的劇烈擾動(dòng)，小氣泡的大量產(chǎn)生能夠破壞液池內(nèi)流體的穩(wěn)定狀態(tài)，蒸氣在沸騰的不平衡壓力下夾帶著液體向上沖刷到達(dá)冷凝段[圖6（c）、（d）]。在上升的過(guò)程中，部分被蒸氣夾帶的液體和蒸氣在冷凝段被冷凝形成的液體黏附在熱管內(nèi)壁面上形成液膜，在重力的作用下返回蒸發(fā)段[圖6（e）]，而后平行流熱管進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，熱管內(nèi)部蒸發(fā)冷凝趨向平緩，各管路間由于壓力不平衡進(jìn)行氣柱和液柱的往復(fù)振蕩流動(dòng)[圖6（f）]。

圖7為加熱功率50 W時(shí)平行流熱管啟動(dòng)前后的表面溫度分布情況。圖中顯示，加熱功率為50 W時(shí)平行流熱管啟動(dòng)后溫度變化趨勢(shì)與加熱功率30 W時(shí)相同，啟動(dòng)后熱量都能夠迅速傳遞到絕熱段和冷凝段。在穩(wěn)定工作過(guò)程階段兩種功率下工質(zhì)的相變傳熱過(guò)程會(huì)引起管內(nèi)的壓力波動(dòng)，在壓力波動(dòng)與重力的共同作用下使工質(zhì)進(jìn)行往復(fù)振蕩流動(dòng)，增加了管內(nèi)的擾流，促進(jìn)了蒸發(fā)段熱量向絕熱段和冷凝段傳遞。但加熱功率影響平行流熱管內(nèi)蒸氣產(chǎn)生的速率及兩相流動(dòng)狀態(tài)，加熱功率為50 W時(shí)，平行流熱管蒸氣產(chǎn)生速率較高，管內(nèi)工質(zhì)的擾動(dòng)更為強(qiáng)烈，穩(wěn)定工作后各管路間的壓力不平衡引起的氣柱和液柱的振蕩流動(dòng)更為劇烈。

2.2 管徑的影響

在加熱功率為50 W，充注工質(zhì)為丙酮的條件下，對(duì)平行流熱管不同管徑下的工作狀態(tài)進(jìn)行研究。圖6示出了管徑為4 mm時(shí)平行流熱管的工作過(guò)程，管徑為2 mm的平行流熱管工作狀態(tài)如圖8所示。兩種管徑下各管路間氣柱和液柱由于管間不平衡壓力與重力的共同作用進(jìn)行往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，同時(shí)管內(nèi)都出現(xiàn)了泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流等多種流型的轉(zhuǎn)變，而管徑為2 mm的平行流熱管在相同加熱功率下的工作過(guò)程較為平緩，管內(nèi)容易生成長(zhǎng)氣柱，長(zhǎng)氣柱在管中進(jìn)行小振幅的振蕩且不易斷裂，阻礙了熱量的傳遞，降低了熱管的傳熱能力。

圖9為不同管徑下平行流熱管啟動(dòng)后的表面溫度分布情況。對(duì)于2 mm的平行流熱管，由于管徑較小，平行流熱管各管路間的壓力不平衡所引起的氣柱和液柱的往復(fù)振蕩過(guò)程受到限制，液態(tài)工質(zhì)在各管路間很難進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，使各管路間溫度分布較不均勻，氣泡存在的位置溫度較高，液柱存在的位置溫度較低，由此說(shuō)明管徑越小，熱管的傳熱性能越差。

圖8 平行流熱管的工作過(guò)程（2 mm，丙酮，50 W）Fig.8 Working process of parallel flow heat pipe(2 mm,acetone,50 W)

圖9 平行流熱管在不同管徑下啟動(dòng)后的表面溫度分布（丙酮，50 W）Fig.9 Surface temperature distribution of parallel flow heat pipe after startup under different pipe diameters(acetone,50 W)

2.3 工質(zhì)的影響

工質(zhì)的物性參數(shù)影響平行流熱管的流動(dòng)和傳熱，使其表現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)，因此在加熱功率為50 W，管徑為4 mm的工作條件下，選用丙酮和甲醇作為充注工質(zhì)，來(lái)研究工質(zhì)熱物性對(duì)平行流熱管運(yùn)行狀態(tài)的影響。

圖6已經(jīng)示出了丙酮作為工質(zhì)時(shí)平行流熱管的工作狀態(tài)。充注工質(zhì)為甲醇的平行流熱管工作過(guò)程如圖10所示。相同條件下，工質(zhì)為甲醇的平行流熱管和工質(zhì)為丙酮的平行流熱管的啟動(dòng)過(guò)程相似，都是先由自然對(duì)流向核態(tài)沸騰轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變過(guò)程中管內(nèi)出現(xiàn)瞬態(tài)劇烈沸騰[圖10（a）～（c）]，而后高溫蒸氣在沸騰的壓力下向上做沖刷運(yùn)動(dòng)，到達(dá)冷凝段后被冷凝形成液膜貼附在熱管壁面上，在重力的作用下返回蒸發(fā)段，之后平行流熱管進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。在穩(wěn)定運(yùn)行階段，相較于丙酮，以甲醇為工質(zhì)的平行流熱管管內(nèi)氣泡的生長(zhǎng)、合并、運(yùn)動(dòng)的速度較慢，工質(zhì)往復(fù)振蕩的程度較弱。由于飽和狀態(tài)下丙酮的壓力隨溫度的變化值dP/dT較大，蒸發(fā)段輸入少量熱量就可使液態(tài)工質(zhì)汽化，使得管內(nèi)具有較大的壓差；同時(shí)其潛熱值較低，有利于氣泡的生成和破裂；動(dòng)力黏度也較小，便于冷凝液的回流，這些熱物理性質(zhì)使得各管路間的壓力不平衡加劇，管內(nèi)工質(zhì)往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)更為激烈，更有利于熱量的傳遞。

圖11（a）、（b）分別為充注工質(zhì)為丙酮和甲醇的平行流熱管啟動(dòng)后表面溫度分布，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)工質(zhì)為丙酮的平行流熱管啟動(dòng)后蒸發(fā)段運(yùn)行溫度更低，蒸發(fā)段和冷凝段的溫差更小，在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)工質(zhì)為丙酮的平行流熱管具有更好的換熱性能。

3結(jié) 論

本文為了研究平行流熱管管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程，搭建了平行流熱管可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同加熱功率及不同工質(zhì)的平行流熱管進(jìn)行了可視化實(shí)驗(yàn)，研究了平行流熱管啟動(dòng)特性、管內(nèi)相態(tài)以及工質(zhì)分配規(guī)律，得到以下結(jié)論。

圖10 平行流熱管的工作過(guò)程（4 mm，甲醇，50 W）Fig.10 Working processof parallel flow heat pipe(4 mm,methanol,50 W)

圖11 平行流熱管在不同工質(zhì)下啟動(dòng)后的溫度分布（4 mm，50 W）Fig.11 Temperature distribution of parallel flow heat pipe after startup under different working fluids（4 mm，50 W）

（1）平行流熱管工作機(jī)理復(fù)雜，既不同于傳統(tǒng)的重力熱管也不同于脈動(dòng)熱管，工作過(guò)程中氣泡在管路中生成、長(zhǎng)大、拖曳及管路間分化，并聯(lián)管路內(nèi)工質(zhì)在不平衡壓力與重力的共同作用下進(jìn)行往復(fù)振蕩流動(dòng)，同時(shí)管內(nèi)出現(xiàn)泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流等多種流型的轉(zhuǎn)變，增加了工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段的擾動(dòng)，強(qiáng)化了工質(zhì)與壁面的換熱。

（2）加熱功率影響平行流熱管內(nèi)蒸氣產(chǎn)生的速率并因此影響兩相流動(dòng)狀態(tài)，較高的加熱功率將產(chǎn)生更多的蒸氣和更劇烈的往復(fù)振蕩，因此平行流熱管能夠滿(mǎn)足高熱通量換熱需求。

（3）隨著管徑的減小，蒸發(fā)段內(nèi)部容易生成長(zhǎng)氣柱，長(zhǎng)氣柱不易斷裂阻礙了熱量的傳遞，同時(shí)較小管徑下平行流熱管各管路間的壓力不平衡所引起的氣柱和液柱的往復(fù)振蕩過(guò)程受到限制，液態(tài)工質(zhì)在各管路間很難進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，導(dǎo)致各管路間溫度分布不均勻，因此平行流熱管換熱器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)適當(dāng)增加管徑減少氣塞。

（4）兩種工質(zhì)的平行流熱管管內(nèi)的啟動(dòng)和工作狀態(tài)較為相似，但是相同的條件下工質(zhì)為丙酮的平行流熱管管內(nèi)氣泡生長(zhǎng)、合并、運(yùn)動(dòng)的速度相對(duì)較快，各管路間的壓力不平衡所引起的氣柱和液柱的往復(fù)振蕩更為劇烈，且平行流熱管啟動(dòng)后蒸發(fā)段和冷凝段的溫差較小，因此在實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)工質(zhì)為丙酮的平行流熱管具有更好的換熱性能。