工质对顶部加热/底部冷却型脉动热管的影响

郭子瑞 池日光

哈尔滨商业大学能源与建筑工程学院

0 引言

脉动热管是Akachi 提出的新型热管[1]，将一根细长的管子弯曲制作成如图1[2]所示的形状，除去内部不凝结气体后再注入一定量的工质（如水、乙醇等）制作而成。在表面张力的影响下脉动热管内部形成多个汽塞和液塞，当对脉动热管的蒸发段和冷凝段进行加热和冷却时，由于温度分布的不均匀导致汽塞间产生压差，在该压差的作用下工质在蒸发段和冷凝段之间不断的做往返运动，通过相变和对流传热来实现热量的传递[3-4]。与传统的脉动热管相比，结构上具有简单、小型化、无吸液芯和极高的传热极限和远距离传热等优点，在如电子冷却等领域里成为研究热点。

Yang 等人对内外径为1 mm/2 mm 和2 mm/3 mm的乙醇脉动热管进行了研究[5-6]，与前者相比后者的传热极限提高了40%，且前者传热极限几乎不受倾斜角的影响，而后者的传热极限随倾斜角的增大而减小。Rittidech等人对于内径为0.66 mm，1.6 mm 和2.03 mm 的脉动热管进行了比较[7]，发现工质为R123时传热极限随着内径的增加而增大，而工质为乙醇时却与之相反。Hu 等人对内径为0.4 mm，0.8 mm 和1.3 mm 的水平脉动热管进行了实验比较，发现随着内径的增加其热阻也逐渐减小，传热极限从70 W 增加到了120 W[8]。

Tseng 等人以HFE-7100，甲醇和乙醇作为脉动热管的工质进行了实验，其结果表明加热量在60 W 以下时，HFE-7100 的性能最好。加热量在60 W 以上时，作为工质水的性能最好，HFE-7100 的性能最差[9]。SAHA 等人以丙酮，水，丙醇和甲醇为工质，在0～40 W的水平加热条件下进行了研究，他们的实验结果表明丙酮的性能最好，其次是丙醇[10]。Sarangi 等人以水和乙醇为工质，在100 ℃/28 ℃的加热/冷却条件下进行了实验，发现各自的最佳充液率分别为50%和62%[11]。Cui 等人进行了混合工质的研究，发现与纯甲醇工质相比，兑入一定量的水或乙醇时能够有效的缓解烧干现象[12]。Shi 通过实验比较了纯乙醇工质和水/乙醇工质，发现混合工质的热阻较低且其最大传热量也有明显的提高[13]。

在本研究中提出了图2 所示的脉动热管电池热管理系统，该脉动热管具有蒸发段长（150 mm）、冷凝段短的特点（25 mm），且绝热段长度几乎为零。由于重力的影响，顶部加热/底部冷却型脉动热管相比于顶部冷却/底部加热型在传热性能上相差较大，此时工质的选择和充液率尤为重要。在本研究中，以甲醇，乙醇和水作为工质进行实验并分析了脉动热管的启动特性和传热性能。

1 实验设备及实验条件

如图3 所示，本研究中的实验台主要由直流电源、恒温水槽、脉动热管、测温系统等构成。脉动热管模块由外到内依次为固定板，隔热板脉动热管和加热器，中心处加热板与脉动热管的蒸发段之间则为导热垫片。

图3 实验系统

考虑到汽塞的稳定和工质流动过程中的压降，脉动热管的内径可通过下式确定[14]。

本研究中的脉动热由内外径为1 mm/2 mm 的铜管制作而成，共15 匝且高和宽分别为190 mm 和150 mm。脉动热管的冷凝段与冷却板相连，由恒温水槽提供冷却水。测温系统由数据采集器和热电偶构成，且测温点如图4 所示：No.1～5 为加热板上的测温点。No.6～8，No.9～11，No.12～14 分别为脉动热管蒸发段的上部、中部和下部的测温点。No.15～17 为脉动热管冷凝段的测温点。No.18～19 为冷却板冷却水进出口的测温点，且数据采集间隔为0.5 秒。

图4 热电偶测温点

本文中通过式（2）求得热阻来评价脉动热管的传热性能[15]，Th为某一时间段内脉动热管蒸发段上9 个测温点的平均温度，Tc为冷凝段3 个测温点的平均温度，Q为电源的输出功率。

本研究的实验条件如表1 所示，所采用的的工质为甲醇、乙醇和水，且其充液率（VF）为8.9%，13.3%和17.7%，其实验顺序如下：

表1 实验条件

1）启动真空泵除去脉动热管内部的不凝结气体。

2）利用注射器将一定量的工质推入到脉动热管内部。

3）设定电源电压、冷却水温度等实验参数。启动的同时记录各个测温点随时间的变化。

4）当加热板温度不再变化时停止记录温度并停止实验。

5）解除脉动热管的真空，除去了脉动热管内部的工质。

由于脉动热管的各测温点的温度随时间是周期性变化的，所以在本研究中以加热板的温度不再变化或变化很小时，可认为脉动热管的运行达到了稳态。

2 实验结果分析

工质为甲醇且充液率为8.9%，13.3%和17.7%时的实验结果如图5 所示。充液率为8.9%和13.3%时启动温度大约在35 ℃和38 ℃附近，低于稳态时的温度，而充液率增加到17.7%时，启动温度达到了60 ℃以上，且启动温度远高于稳态时的温度。

图5 工质为甲醇时的启动特性

图6 为工质为乙醇时的实验结果。液率为8.9%时的启动温度大约为35 ℃与甲醇相比相差无几，而充液率为13.3%时启动温度达到了50 ℃，与甲醇相比足足提高了10 ℃且出现了启动温度高于稳态温度的现象。而充液率为17.7%时，在53 ℃下发生温度的震荡，在维持了一段时间之后停止了震荡，当温度逐渐升高到一定值后再次发生了温度的震荡。工质为水时，如图7所示，没有发生甲醇和乙醇时的温度的震荡，即脉动热管没有启动。在相同的充液率条件下，甲醇的启动温度最低，其次是乙醇，水在78 ℃下仍未发生温度的震荡。

图6 工质为乙醇时的启动特性

图7 工质为水时的启动特性

式（3）为Antoine 公式[16]，其工质参数见表2[16]。用饱和温度对饱和压力进行微分即可获得单位温差下的饱和压差，且甲醇、乙醇和水的计算结果具体如图8所示。

表2 Antonie 方程中工质的参数

图8 工质的饱和压力随温度的梯度变化

从图8 中可知甲醇的单位温差下的饱和压力梯度最大，其次是乙醇和水，且从表3[17]可知甲醇和乙醇的密度、比热和潜热等热物性参数与水相比较低，所以在相同的加热和冷却条件下，工质为甲醇和乙醇时的温度变化快使得压力变化也快，脉动热管越容易启动，而工质为水时因不能提供足够大的蒸气压而未能启动。

表3 工质热物性参数

图9 所示的是工质为甲醇，水和乙醇且达到稳态时的脉动热管的热阻，图10～12 所示的是工质分别为甲醇、水和乙醇各测温点随时间的变化情况。工质为甲醇时，在8.9%～17.7%的充液率范围内的温度震荡为非间歇性，且脉动热管蒸发段各测温点之间的温差随着充液率的增加而减少，热阻从0.77 K/W 减少到0.64 K/W 再增加到了0.74 K/W。这表明充液率较低时，不能充分有效地给蒸发段中/上部提供工质而发生烧干现象，导致蒸发段各点发生温差和热阻的增加。但随着充液率的增加，工质能够充分的提供到蒸发段的中/上部，缓解了工质不足而发生的烧干现象。但充液率过多时，不仅减少了工质的加速度和速度，还增加了流动过程中与壁面的阻力，阻碍了工质的流动，从而增大了热阻甚至发生了间歇性运行。工质为乙醇且充液率为8.9%和13.3%时与甲醇的结果类似，温度震荡为非间歇性运行，热阻从0.96 K/W 降低到0.83 K/W。但充液率为17.7%时却发生了间歇性运行，热阻从VF=13.3%时的0.83 K/W 急剧增加到了1.72 K/W，而工质为水时如图13 所示8.9%～17.7%的充液率范围内，在较长时间的加热条件下仍未发生温度的震荡，即脉动热管中的传热形式为纯导热，并且其热阻为1.85 K/W。

图9 脉动热管热阻

图10 工质为甲醇时温度随时间的变化

图11 工质为乙醇时温度随时间的变化

图12 工质为水时温度随时间的变化

3 结论

为了有效进行电动汽车电池热管理，本研究中以甲醇，乙醇和水作为顶部加热/底部冷却型脉动热管的工质，分析了启动阶段和稳态阶段下的运行特性，并且其结论如下：

1）甲醇作为顶部加热/底部冷却型脉动热管的工质其性能最好，而水作为工质是不合格的，并且该结果表明顶部加热/底部冷却型脉动热管的工质需具有较大的饱和压力。

2）随着充液率的增加，启动温度也在增加，这表明充液率的增加导致工质在流动过程中的阻力也增大，启动所需的蒸汽压差也越大即启动温度也越大，并且随着充液率的增加脉动热管的稳态运行从非间歇转向间歇性。

3）脉动热管的热阻随着充液率的增加呈先减少后增大的趋势，表明过低的充液率或过多的充液率导致烧干现象或流动阻力的增加和间歇性运行，即脉动热管存在最佳的充液率。

符号说明:

g 重力加速度[m/s2]

Psat饱和压力[Pa]

Q供热量[W]

Tcool冷却水温度[℃]

Tc冷凝段温度[℃]

Te蒸发段温度[℃]

Tsat饱和温度[℃]

R 热阻[℃/W]

σ表面张力[N/m]

ρl液相密度[kg/m3]

ρg气相密度[kg/m3]