以泡沫金属为吸液芯的纳米流体热管传热性能试验研究

姚寿广,程清芳,王公利,盛 冬， 芦 笙

(江苏科技大学 能源与动力工程学院,江苏 镇江 212003)

纳米流体作为一种新的换热工质,能够显著强化热管的传热性能[1].但影响效果好坏的主要因素之一是吸液芯的选择.泡沫金属因为具有较低的密度、较大的比表面积以及金属骨架的热导率高等优点,用它作为热管的吸液芯能够提高热管的传热能力,降低管壁温差,同时能够提供较大的毛细作用力[2].近年来国内外专家学者针对泡沫金属或纳米流体强化传热的问题做了很多研究[3-10],但是将两者结合起来考虑的却很少,尤其是将两者结合应用在热管内研究的几乎没有.文中选用泡沫金属铜作为热管吸液芯,以Al2O3纳米流体及去离子水作为工质分别加工成热管,同时以Al2O3纳米流体为工质制备一传统铜丝网吸液芯热管,设计搭建了试验台架，进行了热管的传热性能试验,通过对比来对以纳米流体为工质、多孔泡沫金属为吸液芯的热管传热性能进一步了解,为文中相关研究提供参考依据.

1 试验装置

图1为试验装置简图.试验中采用交流稳压电源控制加热器的电流,以带电热棒的铜块为热源加热热管的蒸发段;绝热段装于保温套内,尽量减少与环境的热量传递;冷凝段外设有冷却水套,冷却水通过冷却水套吸收冷凝段放出的热量.本试验采用的热管外壳由紫铜管加工而成,管外径为12 mm,壁厚0.7 mm,总有效长度为480 mm,蒸发段、绝热段、冷凝段长度分别为160,160,160 mm.选择铜材的泡沫金属和丝网作为热管的吸液芯.泡沫金属孔隙率为95%,孔密度为90 ppi;丝网吸液芯为双层160目的铜丝网.热管工质为Al2O3纳米流体,纳米流体质量浓度为1.0%.试验加热功率范围为30～120 W.

图1 试验装置Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

试验中经过校准的热电偶其测量最大偏差0.75%,达到试验精度要求.试验时热管上总共布有8根热电偶,热电偶在热管上的分布如图2.热电偶通过在管外壁打磨沟槽的方式将测温头填埋于管壁上,并用耐高温胶纸加以固定,确保热电偶测温头与管壁的紧密接触,尽可能减小试验误差.

图2 热电偶分布Fig.2 Location of thermocouples

试验从热管的启动性能、等温性、蒸发段换热系数、冷凝段换热系数、总热阻等方面的对比分析来评价热管的传热性能.文中定义加热功率Q为电加热功率减去蒸发段保温层向环境的散热功率,蒸发段换热系数按式(1，2)计算.

(1)

Δte=Twe-Tv

(2)

式中:he为蒸发段换热系数，W/(m2/℃)；Q为加热功率(W);考虑管壁很薄,忽略管壁带来的温差；Δte为蒸发段管壳外表面与蒸气之间的温差(℃);Ae为蒸发段管壳内表面积(m2);Twe为蒸发段管壳外表面平均温度(℃);Tv为热管工作温度(℃),取绝热段管壳外表面温度的平均值.

冷凝段换热系数按式(3，4)计算.

(3)

Δtc=Tv-Twc

(4)

式中:hc为冷凝段换热系数(W/(m2/℃));Δtc为冷凝段管壳外表面与蒸气之间的温差(℃);Ac为冷凝段管壳内表面积(m2);Twc为冷凝段管壳外表面平均温度(℃).

热管各热阻分别按式(5,6,7)计算.

(5)

(6)

(7)

式中:Re为热管蒸发段热阻(℃/W);Rc为热管冷凝段热阻(℃/W);R为热管总热阻(℃/W).

2 试验结果及分析

2.1 热管壁温分布

试验中发现,热管的壁面温度分布受到多种因素的影响,除了与加热功率、冷却水条件有关外,热管工质的不同以及吸液芯形式的不同也会对热管的壁温分布造成影响.图3是以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管、以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管和以去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管分别在相同的加热功率40,80 W下达到稳定状态后热管壁面温度T的分布图.

图3 热管的壁面温度分布Fig.3 Distribution of wall temperatures along the heat pipe

从图3可以看出,随着加热功率的增加,3根热管工作温度上升,同时整个轴向的温度增大,热管一直保持良好的工作特性.在相同的加热功率下,同样采用Al2O3纳米流体为工质时,泡沫金属吸液芯热管的工作温度要比丝网吸液芯热管的工作温度低,而且相对于丝网热管来说,泡沫金属吸液芯热管的蒸发段和绝热段各测温点之间的温差都要小,壁面上温度的最大值与最小值的差值也要小,这说明泡沫金属吸液芯热管的均温性要比丝网吸液芯热管均温性好.这意味着在相同工质和管壁材料的前提下,泡沫金属吸液芯热管在达到材料的热应力极限前可以传递更多的热量,且在传递相同热量的时候较低的壁温有利于热管的长期稳定工作.

图3中,以纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管壁面最大温差降低了5℃,由此得出,在吸液芯相同的情况下,相对于工质去离子水,工质纳米流体能提高热管的等温性.

2.2 蒸发段换热系数

图4给出了3根热管在不同加热功率P下蒸发段换热系数he的对比.

图4 热管蒸发段换热系数对比Fig.4 Distribution of evaporation heat transfer coefficient

由图可知,随着加热功率的增加,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管和以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管的蒸发段换热系数都呈现先增大后减小的趋势,而在相同的加热功率下,相对于以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管能显著强化热管的蒸发段换热系数,蒸发段换热系数最大提高了125%.而在吸液芯相同的情况下,相对于工质去离子水,工质纳米流体对热管的蒸发段换热系数影响更加明显,蒸发段换热系数最大提高了200%.这从热管蒸发段换热的机理上可以得到解释,吸液芯的不同主要是影响热管的毛细力,从而影响热管蒸发段内工质的两相比例,而纳米流体相对去离子水一方面是导热系数显著增大,同时纳米粒子的布朗运动和小尺寸效应增强了液体内部的扰动,使得液体变的更容易蒸发.

2.3 冷凝段换热系数

图5为3根热管冷凝段采用冷却水套水冷却时冷凝段换热系数在不同加热功率下变化曲线.从图中可以看出,随着加热功率P的增加,热管的换热系数hc不断增大,这是因为水冷工况下,冷凝段内的蒸汽温度越高,蒸汽冷凝速率也就越大,冷凝段的传热性能也就越好.在相同的加热功率下,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管和以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管冷凝段换热系数相差不大.同蒸发段换热系数一样,在吸液芯相同的情况下,相对于工质去离子水,工质纳米流体对热管的冷凝段换热系数影响也很明显.这是因为影响热管冷凝段换热系数的主要因素是蒸气与管壁接触时形成的液膜层,由于粒子的布朗运动和小尺寸效应增强了液体内部的扰动,减小了液体的表面张力,液膜更容易破裂,从而强化了凝结换热,增大了冷凝段的换热系数,但是吸液芯的结构对膜状凝结换热系数的影响却很小.

图5 热管冷凝段换热系数对比Fig.5 Distribution of condensation heat transfer coefficient

2.4 热管热阻

图6,7分别给出了3根热管在不同加热功率下蒸发段热阻Re和冷凝段热阻Rc的变化曲线.从图中可以看出,以纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管的蒸发段热阻和冷凝段热阻都要小,而吸液芯的不同对热管蒸发段热阻的影响比对热管冷凝段热阻的影响要大的多.这是因为蒸发换热和冷凝换热机理不同造成的,在蒸发换热中,蒸发段内的蒸气干度是影响蒸发换热的主要因素之一,由于两种吸液芯的通透性、产生毛细力的不同,在相同的工质条件下,泡沫金属吸液芯热管的蒸发段换热效果更好,热阻也就越小.而冷凝段内蒸气与管壁接触时形成的液膜层是热管冷凝换热的主要热阻,影响膜状凝结换热的主要因素在于工质与管壁,吸液芯的结构对膜状凝结换热系数的影响很小,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管和以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管的冷凝段热阻相差自然不大,而以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管却要比以去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管的冷凝段热阻小的多.

图6 不同吸液芯热管蒸发段热阻对比Fig.6 Distribution of thermal resistance of evaporator under different wick

图7 不同吸液芯热管各段热阻对比Fig.7 Distribution of thermal resistance of evaporator condenser under different wick

图8以横坐标为热管加热功率,纵坐标为热管的总热阻R,绘制了T-R图,给出了3根热管的总热阻的对比.从图8中可以看出,在相同的加热功率情况下,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管的总热阻小10%左右.这表明泡沫金属材料作为一种优良的换热介质,所具有的高导热系数,较好的通透性,孔穴内部强制对流换热以及结构中的高比表面积等特性,使以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管具有更好的传热性能.

图8中可以看出,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管的总热阻要小30%,和热管的换热系数一样,这同样可以从纳米流体的高导热系数和强化热管传热的微观机理上得到解释.

图8 不同吸液芯热管总热阻对比Fig.8 Distribution of total thermal resistance of the heat pipe under different wick

2.5 热管传热极限

如果蒸发段出现局部温度明显上升或者蒸发段温度出现震荡和不稳定现象时,即视此热管已经达到该工作下的传热极限.试验中发现,水冷工况下以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管在115 W时蒸发段即出现局部过热现象,而以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管在加热功率升至127 W左右时达到传热极限,且以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管出现传热极限时的工作温度要比以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管高.这是由于泡沫金属吸液芯产生的最大毛细力比丝网吸液芯大且泡沫金属吸液芯的有效热导率高、热阻小,使得以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管的毛细极限和沸腾极限都高于以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管,更不易出现传热极限.

3 结论

文中对以Al2O3纳米流体及去离子水为工质的泡沫金属吸液芯热管和以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管进行了传热性能试验研究,主要得出了以下结论:

1) 以泡沫金属为吸液芯的热管,相对于采用去离子水为工质,采用纳米流体为工质能显著强化热管的传热性能.

2) 在相同的加热功率下,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管达到稳定时的壁温分布要优于以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管,等温性更好.

3) 相比于以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管,以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管具有更好的传热性能.吸液芯的不同对热管的影响主要体现在蒸发段上,蒸发段换热系数增加了20%,热管总热阻要小10%.

4) 以Al2O3纳米流体为工质的泡沫金属吸液芯热管比以Al2O3纳米流体为工质的丝网吸液芯热管具有更大的传热极限.

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