振荡热管传热性能与工质物性关系分析

崔晓钰，于 洋，朱 悦，李治华，孙慎德，韩 华

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

振荡热管是一种新兴高效传热元件，其导热能力是现有金属材料的数十倍，在电子设备散热领域具有应用前景。影响振荡热管传热性能的因素很多，如工质、管材、结构参数、操作参数等。工质对振荡热管传热性能的影响由其物性决定，包括沸点、比热容、汽化潜热、动力黏度、密度、饱和状态下压力随温度的变化率(dp/dT)sat、传热系数、表面张力等。物性影响与操作参数如充注率、加热冷却条件等亦直接关联，较为复杂。现有文献就该方面涉及不多，如Rittidech等[1]认为振荡热管主要依靠工质显热传热，比热容是关键物性参数，汽液栓的振荡特性与汽化潜热大小有关。Schneider等[2]认为具有最佳汽化潜热值的工质可使振荡热管传热性能最优。汽化潜热太小，气泡生成得多而快，蒸发段全部为气体，将导致传热恶化；反之，气泡生成少而慢，压力脉冲小，影响振荡频率和幅度。若(dp/dT)sat较大，小温差即可引起大的压力波动，振荡效果好。Charoensawan等[3]的研究采用水、乙醇和R123三种工质，发现充注水的振荡热管内径为2.0 mm时热阻最小，内径为1.1 mm时热阻最大。曲伟等[4]对以水为工质的回路振荡热管进行稳态机制研究，认为大功率稳态运行时，显热传热量占总传热量的比例远超过潜热传热量，汽化潜热对运动的驱动力、循环流动速度和温度振荡程度作用关键。Zhang等[5]对FC72、水、乙醇3种工质回路振荡热管的热力振荡特性进行研究，认为振荡周期主要与汽化潜热有关，而振荡幅度取决于表面张力大小。2009年Song等[6]实验比较了FC72、去离子水振荡热管在不同加热功率、充注率、管弯转数、倾斜角下的振荡和传热特性。Faghri等[7-9]认为比热不同造成不同工质振荡热管传热性能不同，传热主要靠显热，振荡特性主要受汽化潜热值支配。Raffles等[10]对振荡热管进行理论模拟，结果显示当流动中有气泡产生时，显热传热量占总传热量74%，没有气泡产生时，显热传热量占95%。胡建军等[11]对汞-水混合工质振荡热管进行实验，证明了汞的掺入能够有效辅助振荡热管的微倾角起振。林梓荣等[12]实验发现功能热流体（微胶囊流体、氧化铝纳米流体）能起到强化振荡热管热输送能力的作用。综合分析文献，目前工质物性对振荡热管流动与传热性能的作用认识不全面，亦无深入探讨。

本文将去离子水、甲醇、乙醇、丙酮分别充注至一闭合回路振荡热管内，测定了每种工质不同充注率、不同加热功率下蒸发段、冷凝段的温度振荡特性，计算得到热阻值。根据温度振荡和热阻特性梳理并分析了工质物性对振荡热管传热性能的影响。这些工作有助于对振荡热管在不同情况下的传热机理和工作特性的理解，对建立振荡热管理论模型亦有一定帮助。

1 实验系统及数据处理

图1 振荡热管试验台系统图

实验装置如图1所示，主要有以下几部分组成：振荡热管试件、抽真空及充液部分、加热和冷却装置、数据采集系统。振荡热管试件如图2所示，试件竖直放置。下部蒸发段管段外均匀缠绕电加热丝，由可调直流稳压电源供电，蒸发段置于封闭的有机玻璃腔体保温层内。上部冷凝段置于长方形截面倒吸式风道中部，风道尾部为变频调速轴流风机，设定流过试件的迎面风速为1.5 m/s，风速采用QDF-3型热球风速仪测量，量程为0.05～10 m/s，测量误差≤5%。风道入口采用双纽线曲面喇叭口。实际应用中空气量大、掠过振荡热管前后空气温差较小，此侧热量计算不确定度大，因此系统热平衡依据测算蒸发段向环境散热来计算。

图2 振荡热管试件尺寸及热电偶分布（单位：mm）

振荡热管尺寸和热电偶测点的布置见图2。试件由紫铜毛细管蛇形弯曲而成，垂直方向共10根平行管，管内径2.0 mm，外径4.0 mm。上部冷凝段上方有一段水平横管连接最外侧两管，使得振荡热管首尾联通，成为闭合回路。振荡热管自下而上分为蒸发段、绝热段和冷凝段，长度分别为80 mm、20 mm、80 mm，相邻管中心距为20 mm。测温采用标定精度为±0.1℃的T形热电偶，共20只，其中6只布置在冷凝段顶部弯道处，编号1～6；5只布置在蒸发段弯道处，编号7～11；8只布置在两根中间管不同位置，编号12-19。1只测蒸发段保温层外壁温度，编号20，通过这点温度测算蒸发段向环境的散热，估算热平衡。如：当充注62%去离子水、加热功率100 W时，测量保温层外壁面向环境散失的热量为实际加热量的2.8%，即此时热平衡误差为2.8%。根据实验数据测算实验工况热平衡误差都没有超过4.0%。

振荡热管的传热量Q由电加热丝两端的电压和电流值相乘得到，根据量程和精度计算得到加热功率相对不确定度为0.71%。蒸发端和冷凝端的平均温度Te、Tc可由振荡热管稳定运行时相应测点的时均值确定。振荡热管的热阻由式（1）计算得到。

实验时最小加热功率为5 W，测得蒸发冷凝段最小温差为9.5℃，热阻的最大相对不确定度为3.1%。

振荡热管中分别充入去离子水、甲醇、乙醇和丙酮4种纯工质，充液率为20%、35%、45%、55%、62%、70%、90%、95%。实验时，由低到高调节加热功率，依次为5 W、10 W、15 W、20 W、35 W、50 W、65 W、80 W、100 W，每调一次，待工况稳定后，记录各测点温度和加热功率，计算该工况下的热阻值。

表1列出了20℃下4种不同工质的主要热物理性质[13]。

对不同的工质都做了多次试验进行重复性验证。对于小充液率或小加热功率，重复性比较差。这是由于工质初始充入振荡热管时，液栓和气栓分布具有随机性[14]，充液率越小，相对分布越不均匀。充液比较少或者加热功率小使得工质没有能够形成跨越各平行管的振荡循环流动，初始的工质分布不均匀造成平行各管运行状态差别明显。充液较多时，工质分布相对均匀，在小加热功率下各平行管运行形态仍有差别，重复性试验变化趋势一致，试验数据有差异，在较大加热功率下，工质形成跨越各平行管的振荡循环流动，两次试验热阻一致性很好。

2 不同工质振荡热管的运行特征

充液率为62%～90%之间，随加热功率增大，不同工质振荡热管运行及温度振荡特性具有代表性。图3～图6为充液率62%的去离子水、甲醇、乙醇、丙酮振荡热管的试验过程温度测点记录。试验时，持续记录测点温度数据，据此判断状态达到稳定后，逐渐增大加热功率。取蒸发段测点8（标记为T8）、取冷凝段测点3（标记为T3）为代表来分析温度动态变化特性。由图3去离子水振荡热管的温度变化特征可见，随着加热功率的增大，蒸发段、冷凝段壁面温度依次经历不振荡、幅度较大的小频率振荡、幅度小的大频率振荡过程。其余工质振荡热管温度变化特征规律相似。

图3 不同加热功率下去离子水振荡热管的蒸发段、冷凝段温度变化特征（FR=62%）

表1 标准大气压下不同工质的热物性

图4 不同加热功率下乙醇振荡热管的蒸发段、冷凝段温度变化特征（FR=62%）

图5 不同加热功率下甲醇振荡热管的蒸发段、冷凝段温度变化特征（FR=62%）

图6 不同加热功率下丙酮振荡热管的蒸发段、冷凝段温度变化特征（FR=62%）

2.1 启动振荡与黏性、汽化潜热

观察图3～图6中启动温度振荡时不同工质振荡热管蒸发段的加热功率可以看到，充注丙酮时启动振荡的加热功率最小，为10 W，其次为甲醇和去离子水，为20 W，而乙醇最大。

对比物性分析，丙酮的液态密度、比热容、表面张力和甲醇、乙醇相近，导热系数与乙醇接近。(dp/dT)sat比甲醇、乙醇略小。从液塞受力来看，液塞受压力、剪切力和重力共同作用，其中液塞两端压力可以表达成(dp/dT)sat函数。(dp/dT)sat越大越容易克服剪切力及重力产生向上运动。因此造成丙酮启动振荡加热功率小于其它工质的原因不在于以上这些物性因素，可能是由于丙酮沸点低、汽化潜热小、动力黏度小。如果工质沸点低、汽化潜热小，那么加热产生气泡所需加热功率就小或者同样的加热功率下过热度更大、气化过程更激烈，易于推动液栓运动。但当比较图3与图4去离子水与乙醇启动振荡情况时，却可以看到在(dp/dT)sat较小、沸点高、汽化潜热大的不利条件下，去离子水先于乙醇启动振荡，说明沸点、汽化潜热不能完全决定启动振荡时加热功率的大小。比较图3～图6可以看到，不同工质启动振荡的加热功率与工质动力黏度大小相反，动力黏度小使得黏性剪切力减小、运动阻力减小，因此，动力黏度在振荡热管启动振荡时是一个关键物性因素。

比较图3～图6还发现，振荡启动时水与甲醇振荡热管蒸发段温度明显下降，而乙醇与丙酮却没有这种现象，比较水、甲醇异于乙醇、丙酮的共性，可排除其它物性作用，应该与汽化潜热有关。

2.2 振荡特性与黏性

比较图3～图6，在一定的加热功率下，达到稳定振荡时，蒸发段温度的升高对应此时冷凝段温度的下降，两段温度基本是反相位，说明这个过程测点处工质僵持不动，蒸发段工质持续受热生成气泡或者气泡、气栓长大，冷凝段气泡或气栓被冷却而缩小，如此受热受冷后压力不平衡加剧，最后由压差推动蒸发段某处工质突然运动，连带管内工质一同动作，蒸发段温度下降，冷凝段温度即刻上升。

在加热功率为35 W时，相比乙醇、去离子水，丙酮、甲醇振荡热管测点温度振荡频率高、幅度小。这种现象表明：丙酮、甲醇工质不是以上下徘徊运动为主，而是同时具有主体定向循环流动，蒸发段气泡、气栓才生长就被流体裹挟走；该两种工质无需长时间持续受热及冷却即可积聚运动所需压差。表明振荡频率高、幅度小的工质流速较快，与可视化试验结果相吻合[14-16]。比较物性发现，丙酮、甲醇相较乙醇和去离子水明显沸点低、动力黏度小。其中沸点影响从图3和图4可分析，比较去离子水和乙醇在35 W加热功率下的温度振荡特性发现乙醇振荡热管测点温度振荡频率小、幅度大，说明去离子水流动速度快。相比乙醇，去离子水沸点高、汽化潜热大、动力黏度小，沸点低和汽化潜热小的乙醇流动速度不及去离子水，同样沸点低和汽化潜热小的甲醇、丙酮流动速度却高于去离子水，可见此种工况动力黏度对流动速度起决定性影响。

分析图3～图6，当加热功率增大到50 W、65 W、80 W时，输入热量增大使振荡流动加快，惯性力作用增大、黏性力作用减小，不同工质振荡热管温度振荡频率和幅度差别渐渐缩小。

2.3 烧干特性与汽化潜热

从图3～图6温度振荡特性可见，在62%充注率时，汽化潜热偏小的两种工质丙酮和乙醇在加热到100 W时蒸发段温度发生多次明显地大幅度向上振荡，并且振荡频率变小。说明蒸发段发生局部短暂急剧过热，而甲醇和去离子水振荡热管没有出现这种现象。振荡热管启动振荡流动后，随加热功率增加，工质流动状态经历汽液塞上下徘徊、汽液塞弹状振荡循环流、气液两相环状循环流[16]。无论哪种流动形态，蒸发段来流液体的量一直是不稳定的。加热到100 W时，流动处于气液两相环状流态，来流液体为紧贴管壁的一层液膜，由于丙酮、乙醇汽化潜热比较甲醇和去离子水明显小，蒸发段加热热流间或会大于丙酮、乙醇液膜气化所需的热量，造成蒸发段局部短暂的干涸，温度大幅升高。可见，同样充液率下汽化潜热小的工质更易烧干，汽化潜热大的工质发生烧干加热功率较大。

3 不同纯工质振荡热管的蒸发段温度与热阻

图7所示为充液率为55%、62%、70%、90%、95%时，不同纯工质振荡热管的蒸发端平均温度和热阻随加热功率变化的规律。

3.1 不同充液率情况比较

充液率55%时，加热功率从35 W增至50 W时，不同工质振荡热管蒸发段温度平缓上升，热阻明显降低。当加热功率达到65 W，除去离子水外，其余工质振荡热管蒸发段温度上升显著，热阻明显上扬。相比去离子水，同样的充液率下其它工质产生的蒸干是因为工质沸点及汽化潜热都比去离子水低，其中丙酮沸点及汽化潜热最低，蒸发段出现蒸干状态管段多、持续时间长，局部壁温过热严重。甲醇沸点仅次于丙酮，局部壁温过热亦较严重，热阻次高。去离子水振荡热管热阻在65 W之后还将随加热功率增大维持低水平。

从图7中62%～95%充液率试验结果来看，不同纯工质随加热功率增大蒸发段温度持续升高，热阻持续减小。在35 W～50 W区间热阻减小最快，50～60 W减小趋势减缓，60 W之后变化平稳。依第2.2节分析可知，不同工质在35 W时温度振荡振幅大、周期长，振荡流动速度较慢，热阻相对较大。加热功率增大后，蒸发段温度升高，流动速度加快，振荡幅度及周期减小，传热过程增强，热阻即明显减小。当加热功率继续增大时，流动速度进一步加快，而流速加快的增强换热效果却不及振荡流动启动及流动加速初期，因而热阻减小平缓。

3.2 不同工质情况比较

图7(c)～7(f)显示，充液55%以上、加热功率65 W之下，丙酮振荡热管蒸发段温度一般比较低，热阻较小。丙酮沸点低，动力黏度小，在该工况范围相对流动速度最快，传热性能最佳。当加热功率增大至80 W后，相对其它工质，丙酮振荡热管蒸发段温度上升较快，热阻变大，因为此阶段不同工质流动速度都比较快，工质输运能量能力——汽化潜热和比热容对换热作用明显，而丙酮此二物性明显低于其它工质。

图7中，除图7(b)55%充液率、65 W加热功率的烧干工况，乙醇振荡热管的热阻略高一些。从物性数据及振荡特性来分析，一是因为乙醇的动力黏度最大，造成流动阻力偏大，流动情况不换热；另一方面乙醇汽化潜热、液态比热容值都不很理想，工质携带能量的能力也不好。

比较丙酮与乙醇振荡热管热阻变化趋势：加热功率在50 W之前丙酮由于黏度小、流动快，其振荡热管热阻明显小于乙醇；加热功率从50～100 W时，不同工质流动速度都提高，此时黏性作用减小，汽化潜热、比热容作用增强，而丙酮和乙醇液体比热接近、汽化潜热比乙醇小，此阶段丙酮振荡热管的热阻与乙醇差距越来越小。

再比较丙酮与甲醇振荡热管的情况：甲醇汽化潜热比丙酮大近一倍，液态比热略大约5%，动力黏度大一倍左右。大加热功率下，丙酮动力黏度小的优势渐失情况下，甲醇相比丙酮热阻小，也与甲醇汽化潜热大有关。

在充液较多时，甲醇由于密度小、动力黏度小，汽化潜热又比乙醇和丙酮大，所以在大加热功率下性能最好，见图7(b)、7(k)。因此甲醇振荡热管在高充液率、大功率时性能表现最好。

图7 不同工质在各充液率下蒸发段平均温度及热阻随加热功率的变化

图7中去离子水相较其它工质液态比热、汽化潜热明显高，工质携带能量的能力优势突出，大多情况下使其振荡热管传热性能较好。特例有二：一是在加热功率小不足以启动振荡时，如图5中加热功率小于20 W；二为过大充注率时，如图7(i)、7(k)充液率达到95%。原因是去离子水沸点高、汽化潜热大，(dp/dT)sat比较小，动力黏度、密度也比较大，使其小加热功率不容易产生气泡、压差也比较小、流动阻力大，较甲醇、丙酮难以启动振荡。当充液多达95%时，去离子水密度大，质量重，黏度偏大，造成较大流动阻力，流速不及其它工质，热阻偏大，蒸发段温度相对较高。

可见，采用何种工质及充液多少需结合工况具体分析。单从发挥热阻优势看，使用丙酮充液应适当多（60%～80%），加热功率不宜太大。使用甲醇充液应当多（大于80%），加热功率可大。使用去离子水充液应适当少（55%～70%），加热功率可大。

3.3 不同工质不同充液率热阻差异

图8 不同充液率随加热功率变化的热阻变化规律

从图7来看，加热功率增至80 W后，流速加快，不同工质振荡热管热阻相差较小，说明达到快速稳定的循环振荡流动状态时，热物性不同造成振荡热管传热性能差异有限。

将同一工质不同充液率随加热功率变化的热阻变化规律放在同一张图上（图8）比较发现，只要不是充液率小造成烧干情况（充液率≥55%），不同充液率在加热功率增加至一定水平后振荡热管热阻相差很小，说明达到快速稳定的循环振荡流动状态时，充液率不同造成振荡热管传热性能差异亦有限。

因此，无论何种工质、充液多少，达到快速稳定的循环振荡流动状态时，热阻均趋向一个大致相当的数值。可以推断，此时决定振荡热管热阻大小的，既不是工质物性，也不是工质充注率，而可能是振荡热管本身的材质及结构参数决定了工质相变流动存在极限速度，工质物性与其极限速度综合作用的效果趋同，即热阻趋同，是一个不能突破的传热极限。

4 结论

进行了去离子水、甲醇、乙醇和丙酮4种纯工质振荡热管在不同加热功率和充注率时的实验研究。通过蒸发段、冷凝段温度振荡特性、不同工质不同充液率热阻比较，分析了工质物性对振荡流动、温度振荡特性及传热性能的影响，得到以下结论。

（1）启动振荡以及振荡流动速度较小时，传热性能取决于流动状况，动力黏度小的工质流速快，热阻较小。随加热功率逐渐增大，不同工质振荡热管内工质流速均增大，温度振荡频率和幅度差别逐渐缩小，黏性影响渐弱，而工质输运能量能力即汽化潜热及比热容作用逐渐明显。加热功率达到在一定程度后，比热容及汽化潜热大的工质振荡热管传热性能略好。

（2）对于振荡热管，在同样的小充液率下，充注汽化潜热小的工质容易烧干，而充注汽化潜热大的工质烧干会延迟。

（3）在充液适当、不出现烧干且加热功率较大时，振荡热管内工质达到快速稳定的循环振荡流动状态。此时尽管工质不同、充液率亦不同、热阻相差均不大，说明此时物性及充液不同造成传热性能差异不大，即决定振荡热管热阻的关键因素可能不是工质，而是振荡热管材质及结构参数。据此推测，振荡热管本身的材质及结构参数决定了工质相变流动存在极限速度，工质物性与其极限速度综合作用的效果趋同，即热阻趋同，是一个不能突破的传热极限。

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