脉动热管可视化实验前期难点问题研究

刘玉东 周跃国 周小三

(重庆大学动力工程学院 重庆 400030)

热管作为一种高效传热元件，其相当导热系数是铜的几十倍、甚至几百倍，故有超导热体之称。在无外加动力的情况下它借助管内工质的相变来实现巨大热量的远距离传输。热管具有其它传热技术所不具备的许多优点：卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等。因此，热管技术已经在越来越广阔的领域取得卓有成效的应用。我国热管技术在化工、建材、冶金、动力工程、生物工程、航空、航天等方面的应用处于国际领先地位。在制冷空调行业由于冷热流体间的温差小，热管技术更能体现其优越性，使之成为实现制冷空调低能耗、高效率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实技术基础之一，在实现人与自然的和谐相处和可持续发展方面，具有广阔的发展前景。

脉动热管(pulsating heat pipe简称PHP)作为热管家族的新成员，它诞生于二十世纪九十年代，最早由日本人Akachi[1]发明。其结构和工作原理与常规热管有很大的不同。它有两种最基本的结构：回路型和开路型，如图1所示。

其中带单向阀的闭合回路型脉动热管可以有效控制工质的流动方向和改善传热特性，但是由于热管制造的微型化使得在管路上添加一个或多个单向阀的目标变得难以实现，因此从实际应用角度来看没有阀门的闭合回路型脉动热管更具竞争优势。

与传统热管不同，脉动热管内部不是单纯的相变传热，而是集显热传热、相变传热、膨胀功于一体，涉及多学科、多参数的气液两相流系统。脉动热管的工作原理是：首先将毛细管抽真空并充入部分工质，由于管径细小，在表面张力的作用下工质会以气液柱的形式随机分布在管内；当在加热端施加足够的热量后，内部工质会出现沸腾和膨胀，气液柱在压差的推动下从加热段流向冷凝段，气柱在冷凝段遇冷收缩破裂、释放热量之后，在重力的作用下连同到达冷凝端的液柱返回至加热段从而实现热量的传递。

图1 脉动热管基本结构Fig.1 The basic forms of pulsating heat pipes

脉动热管与传统热管相比具有如下显著优点：1)体积小，结构简单，成本低。管径细小及微电子元器件对冷却器的要求共同决定了脉动热管的整体尺寸小；内部没有毛细芯结构，有利于降低热管结构的复杂性和生产成本；没有其它机械运动部件，因而运行平稳、维护费用低。2)传热性能优良。除通过相变传热外，脉动热管还通过气液柱的振荡传递显热并将热量转化为振荡所需要的功。3)适应性好。脉动热管的形状可以任意弯曲，可以有多个加热段和冷凝段，而且加热和冷凝的部位可以随意选取，可以在任意倾斜角度和加热方式下工作。

脉动热管除了应用于电子元器件的散热[2]外，还在改善材料的性能、地板采暖[3]、 空调排风预热回收[4]等领域得到了应用。目前国内已有很多关于脉动热管可视化实验研究的文章，然而这些文章主要将实验结果作为重点分析的对象，很少针对实验过程中遇到的问题进行研究探讨。这里特对脉动热管可视化实验过程中遇到的一些问题进行了分析研究，对以后的研究者少走弯路有一定的意义。

图2 脉动热管结构形式Fig.2 The structure of pulsating heat pipes

1 脉动热管的结构形式

目前，国内用于实验的脉动热管有图2(a)和(b)所示的几种形式。

一些研究者[5-7]在脉动热管上仅设置了充液口(即抽真空口)，采用了如图2(a)所示的结构；而另一些研究者[8-13]不但在脉动热管上部设置了充液口还设置了真空表接头，采用了如图2(b)所示的结构。在脉动热管上部设置真空表不但可以读取管内的真空度而且可以检验整个装置的气密性，故从有利于实验的角度来讲，图2(b)在结构形式上要优于图2(a)，然而在按图2(b)所示的结构加工成脉动热管，在进行充液测试时，发现工质并不会像想像的那样从充液口进入后顺着脉动热管的弯曲方向流动，而是大量聚集在充液接头和真空表接头下部及两个接头之间的水平管段中，之所以会出现这种现象是因为充液接口与真空表接口之间通过水平管段连接形成了连通器，造成充液时两者的液面高度始终相同，使进入下部平行毛细管内的工质极少；存在的另一个问题是更换充液率和工质种类比较困难。因此，对脉动热管进行了如图2(b)所示的改进。即在充液接头与压力表接头之间安装磨口玻璃塞。充液时关闭玻璃塞使工质顺着管子弯曲方向流动，实验开始后打开玻璃塞使工质在管内循环流动；更换工质时将磨口玻璃塞拔出，利用空气泵将管内工质从玻璃塞处泵出。Charoensawan[14]等人的研究表明一定数目的阀门可以提高脉动热管的性能。虽然改进后的脉动热管能够很好地实现工质的充注和更换但也带来了一些问题，一是添加阀门增加了系统泄漏的可能性，二是工质仍然会在充液接头及真空表接头下方的竖直管段中聚集。前者可以通过提高密封性来解决，后者则要通过适当减短充液接头及真空表接头下方的竖直管的高度来解决。

2 均匀充液实验

脉动热管管内工质的充注及气液柱的形成依赖于脉动热管的内外压力差、表面张力、重力等因素。王伟[15]指出，在脉动热管内充入部分工质后立刻关闭阀门，过一段时间后再次打开阀门进行充注(即不连续间隔充注工质)，这样持续进行直到滴定管中的工质全部进入铜管内，可以实现工质以气液间隔的状态均匀分布在管内。通过多次的充液实验，这里认为这种做法存在两个问题。一是工质的充注靠牺牲真空度为代价，而管内的真空度是有限的，另外阀门的开闭也不可能十分迅速，故在阀门打开的一瞬间，大部分工质在迅速进入管内的同时管内的真空度也将消耗殆尽；二是脉动热管为铜管，即使进行了局部可视化也不足以判断是否实现了均匀充液。对均匀充液的实现进行了多次反复实验。图3为抽真空及充液装置图。

图3 抽真空及充液装置Fig.3 The setup of pumping into a vacuum and fi lling working fl uids

具体的做法是：首先关闭阀门4并将真空泵接在阀门3上，然后打开阀门3，开启真空泵对脉动热管进行抽真空处理，当真空表的读数保持不变时，先关闭阀门3再停掉真空泵，抽真空结束；其次，用软胶管将滴定管与阀门4相连，通过滴定管先向软胶管内充入一定量的工质。充注完毕后，先用手指捏住软管的中间，将内部工质一分为二，然后开启阀门4，此时工质不会进入脉动热管内。随后通过控制手指捏紧软管的程度来使工质在内外压差的作用下进入管内，当工质全部进入管内后，关闭阀门4，充液过程结束。虽然用手指代替阀门的通断可以克服阀门开闭不灵活的缺陷，但是结果发现管内工质的分布并不均匀。这主要是因为工质在管内的受力不能够人为控制。图4为充液率为30%和45%时的汽液柱分布图。

图4 30%和45%充液率时的气液柱分布Fig.4 The distribution of the vapor-liquid slugs in PHP when the fi lling rate is 30% and 45%

3 加热、冷却方式的选择

在对国内外大量文献调研的基础上，对脉动热管传热性能实验所采用的加热和冷却方式进行了总结。常用的加热方法有电加热丝加热[16-17]和恒温热水浴加热[12,18]两种，前者属于不均匀加热而后者属于均匀加热，从增加系统的不平衡性以利于脉动热管启动运行的角度看电加热丝加热优于恒温水浴加热。另外，这两种加热方式都存在加热滞后性，但是电加热丝加热的滞后时间较恒温热水浴的要短。冷凝端的冷却方式主要有恒温水浴冷却[10,19]和强制对流冷却[17-18]两种。用恒温水浴冷却时，一般测量冷却水槽的进出口温度及内部温度，以根据式(1)来计算总热阻或根据式(2)来计算放热量。

其中：R为脉动热管的总热阻，Te为蒸发段各测点温度的平均值，Tc为冷凝段各测点温度的平均值。Qe为扣除散热损失后的加热功率。

其中：Qc为冷却段放热量， 为冷却水的密度，C为冷却水的比热容，L为冷却水的体积流量，Tco冷却水槽出口水温，Tci为冷却水槽进口水温。

当用恒温水浴对冷凝段进行冷却时，特别是在进行可视化实验时，多次测得的冷凝段平均温度和冷却水槽的进出口温度几乎没有明显变化，由于Te的不断升高和Tc的几乎不变使得总热阻R过大和Qc过小。这主要有三个原因：1)玻璃质脉动热管的传热系数较低；2)水的比热容较大，升温不明显；3)为了对管内工质的流型和流向进行可视化实验，绝热段没有完全包裹起来，造成热量损失达。这里在以恒温热水浴和恒温冷水浴为冷热源分别对加热段进行加热和对冷凝段冷却的情况下对脉动热管的效率进行了计算，结果表明，以甲醇为工质时的最高效率仅有47%，以水为工质时，最高效率仅为27%。可见加热、冷却方式的选择对最终的结果影响很大。

4 测温点的布置及热电偶的固定

国内外的研究者[20-23]多用热阻来对脉动热管的传热性能进行评价。热阻计算离不开温度的测量，这自然牵涉到热电偶的使用。热电偶的布置位置和固定方法应综合考虑管材和必要的测温点两个因素。当脉动热管为金属材质时，可以通过在壁面打孔然后放置热电偶的方法来进行测量；当为玻璃质管材时，由于玻璃易碎易折断，因此最好采用热电偶顶端贴壁来实现，而玻璃管壁面粗糙度较小，使得贴壁实施起来较为困难。实验的做法是，首先将热电偶前端折成一个半圆圈，然后将它卡在玻璃管外壁上，并使热电偶前端测点顶在脉动热管管壁上，最后在外部包裹密封固定材料。如图5所示：

图5 热电偶布置方式Fig.5 The fi xed way of thermocouples

由于蒸发端与冷凝端各弯头是蒸发过程和冷凝过程发生最为剧烈的场所；同时气液柱在弯头处受到离心力的作用会对壁面产生强烈的冲刷作用，另外在此处布置热电偶可以有效防止热电偶的滑动，因此有必要在脉动热管的弯头处布置热电偶。热电偶布置完毕后，先用硅橡胶包裹密封，然后在硅橡胶的外部包裹玻璃棉和隔热膜以减少热电偶受外部环境的影响；同时为了增强系统的不平衡度以利于脉动热管的启动运行，各个弯头上玻璃棉的厚度依次递减。

脉动热管可视化实验大多采用透明玻璃管，以便对管内的流型和流动情况进行观察。为了保证脉动热管具有一定的强度，一般采用小内径、大外径玻璃管，这样若采用间接测量必然存在很大的测量误差，因此有必要对已测得的温度进行修正。

5 结论

对脉动热管可视化实验过程准备中遇到的一些问题进行了实验研究并给出了具体的解决办法。

1)在水平管段上加装玻璃塞既可以使工质按照玻璃管的弯曲方向进行充注又可以方便地实现充液率和工质种类的更换。

2)工质靠牺牲管内的真空度来进入管内，不能人为控制脉动热管内气液柱的分布情况。

3)加热冷却方式的选择对实验结果有很大的影响。

4)有必要在弯头处布置热电偶，进行温度测量时应进行必要的修正以减少测量误差。

(本文受重庆市科委自然科学基金(CSCD:2007BB 6191)、重庆大学博士启动基金(0903005104992)项目资助。The project was supported by the Chongqing Natural Science Fundation (CSCD:2007BB6191) and Doctoral Startup Foundation of Chongqing University(0903005104992).)

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