翅片重力熱管傳熱性能實驗研究

馬奕新，金宇，張虎，王嫻，唐桂華

（1 西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西西安710049； 2 北京空間飛行器總體設計部，北京100094；3西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西西安710049）

引 言

重力熱管是一種將金屬管內充以適量工作液體并抽成負壓后，密封形成的高效傳熱元件，管內液體沸騰相變和蒸氣流動是熱管能快速傳熱的主要原因。熱管的傳熱速率及導熱能力遠超目前已知的任何金屬，在航天航空[1-4]、電子器件散熱[5-7]、建筑供暖[8-10]等領域具有廣泛的應用價值和應用前景。

從第一支熱管問世[11]到熱管理論的首次提出[12]，熱管技術便引起了人們的普遍關注。其中重力熱管因結構簡單、均溫性好、熱導率大、成本低等優(yōu)點[13-15]，其傳熱性能與傳熱機理也一直被廣泛關注與研究。在重力熱管傳熱性能的研究中，Shiraishi等[16]將重力熱管分為三個區(qū)域，并建立了數學模型來預測其傳熱性能。Jiao 等[17]建立了數學模型研究了充液率對重力熱管傳熱特性的影響，提出了保持重力熱管穩(wěn)定有效運行的充液率的范圍。Noie 等[18-19]研究了加熱功率、充液率、長寬比及不同充液率下傾角對重力熱管傳熱性能的影響。閆小克等[20]實驗研究了不同充液率、不同成分工質以及傾角對熱管傳熱性能的影響。Tsai 等[21]研究了熱管的彎曲角度、充液率和形狀對熱管傳熱性能的影響。戰(zhàn)洪仁等[22-24]采用數值模擬的方法研究了重力熱管內部沸騰冷凝過程及傾角、加熱功率對其傳熱性能的影響。王鑫煜等[25]分析了加熱功率、傾角、冷卻水流量對熱管啟動特性的影響。辛公明等[26]通過對比以水和自濕潤流體為工質的兩種重力熱管在微小傾斜角度下的傳熱特性，探究了自濕潤流體在小角度下對熱管性能的影響。張勁草等[27]以銅-水重力熱管為對象，研究了蒸發(fā)段和冷凝段的長度及位置對重力熱管傳熱性能的影響。

在熱管內部傳熱機理的研究中，韓振興等[28]應用電容層析成像技術對重力熱管冷凝段乙醇蒸氣的冷凝過程進行監(jiān)測，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)展過程。唐志偉等[29]對重力熱管彈狀流工況進行了簡化分析，從彈狀流角度闡釋了重力熱管噴涌沸騰的機理。陳彥澤等[30]采用簡單彈簧抑泡裝置進行了重力熱管傳熱波動特性的研究，發(fā)現采用彈簧式抑泡裝置的重力熱管強化傳熱效果十分明顯。

綜上所述，目前對翅片重力熱管的均溫性、熱響應速率和傳熱能力的實驗研究較少。因此本文以鋁-丙酮重力熱管為研究對象，在室溫環(huán)境下測試翅片重力熱管和平板重力熱管在不同加熱功率下的傳熱性能，獲得了兩種熱管的熱響應速率和穩(wěn)態(tài)溫度分布情況，得到了平板熱管的等效熱導率，并將測試結果與鋁板進行了對比，綜合分析了熱管傳熱性能的優(yōu)越性，為重力熱管在熱管理領域的應用提供了實驗數據支撐。

1 實驗件和測量方法

1.1 實驗件

測試實驗件包括平板熱管（不含翅片）、翅片熱管及鋁板三種，如圖1 所示，從上至下依次為鋁板、平板熱管、翅片熱管。被測實驗件的具體結構參數見表1，熱管為鋁-丙酮重力熱管，翅片熱管兩面都均勻分布有6 個規(guī)格相同的翅片（長0.53 m，高0.0145 m，厚0.001 m，間距0.012 m），最外側翅片距管體邊緣0.0045 m，翅片表面積約為平板熱管表面積的4.84倍。

1.2 重力熱管工作原理

圖1 測試實驗件Fig.1 Test samples

表1 實驗件幾何參數Table 1 Geometric parameters of samples

熱管一般可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段三段，通過管內工質液體的相變、蒸氣流動及管壁的導熱將熱量由蒸發(fā)段傳遞至冷凝段。重力熱管的基本工作原理為：蒸發(fā)段受熱后將熱量傳遞至管內的工質液體，液體被加熱至沸騰蒸發(fā)，在微小壓差作用下蒸氣上升至熱管的冷凝段，蒸氣在冷凝段放熱冷卻形成液體后在重力的作用下沿管內壁流入到蒸發(fā)段，這樣熱量便從蒸發(fā)段連續(xù)不斷傳遞到冷凝段。

重力熱管從開始加熱到穩(wěn)定工作這一過程所需的時間稱為熱響應時間，其長短反映了熱管傳熱的熱響應速率，與熱管穩(wěn)定運行時反映其溫度均勻性的穩(wěn)態(tài)溫度分布和導熱能力的等效熱導率都是評價熱管傳熱性能的重要指標。

1.3 實驗裝置

本文實驗測試系統(tǒng)如圖2 所示，該系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)和被測實驗件四部分組成。加熱系統(tǒng)中通過直流穩(wěn)壓電源供應器（艾德克斯IT6522D）連接聚酰亞胺加熱膜（本實驗中用到了兩種尺寸的加熱膜，長×寬分別為0.12 m×0.05 m 和0.15 m×0.035 m）進行恒定功率加熱，加熱時加熱膜包裹在熱管或鋁板底端周圍，用鋁箔膠帶和夾子固定，以確保加熱膜與實驗件良好的接觸。冷卻系統(tǒng)采用冷卻水循環(huán)機（長流LX-5000A）連接的可控溫度的冷卻銅腔進行恒溫（25℃）冷卻，兩塊冷卻銅腔緊密夾持在實驗件的冷凝段部位。溫度測試采用OMEGA 的T 型（銅-康銅）熱電偶，數據采集系統(tǒng)由多通道數據采集儀（吉時利2700）+7708采集卡和計算機組成，數據采集儀連接熱電偶實時記錄被測實驗件溫度隨時間的變化并傳輸到計算機上進行保存。

對三種實驗件開展了兩類實驗測試，一類是對三種實驗件進行了瞬態(tài)熱響應速率和穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布的實驗，實驗時在三種實驗件底部恒功率加熱并進行保溫處理，其余部分置于空氣中自然散熱；另一類是對鋁板和平板熱管進行熱導率測試，實驗時對兩種實驗件底部恒功率加熱并進行保溫處理，頂部恒溫冷卻，中間段進行保溫處理。測試過程中在每個實驗件表面中心線沿程布置熱電偶進行測溫，整個實驗過程都在室溫（～25℃）環(huán)境下進行，穩(wěn)態(tài)時采集室溫每小時內波動不超過±0.2℃的沿程溫度分布數據。

1.4 實驗的不確定性分析

圖2 實驗測試系統(tǒng)Fig.2 Experimental test system

本實驗中測試的物理量包括溫度、長度、加熱功率，因此從這幾個因素來分析本實驗測量的不確定性。溫度通過T型熱電偶和吉時利數據采集儀來獲得，測量所用熱電偶均在恒溫水浴采用標準水銀溫度計進行了標定，測溫誤差在±0.15℃內。實驗件幾何尺寸測量的不確定度小于0.0002 m。直流穩(wěn)壓電源輸出加熱功率的不確定度為讀數的1%+0.03 W。熱電偶與實驗件之間以及加熱膜與實驗件之間的接觸熱阻僅對瞬態(tài)熱響應速率有較小影響，且對三種實驗件影響程度相同，而對穩(wěn)態(tài)沿程溫度測量結果沒有影響，因此對熱導率測試結果也沒有影響，這里不再考慮。綜上分析，熱導率測量的不確定度可表示為

式中，P為加熱功率，W；L為實驗件均溫段的長度，m；A為實驗件垂直傳熱方向的橫截面積，m2；ΔT為平板熱管均溫段（穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布中溫度分布最均勻的一段）兩端的溫差，℃。

實驗最大誤差出現在較低加熱功率下，因此以本實驗測試中最小加熱功率5 W為例進行計算。熱電偶均進行了標定，標定后偏差小于0.05℃，所以選用0.05℃作為測溫誤差。因此，平板熱管和鋁板熱導率測量的最大不確定度分別見式(2)、式(3)。

平板熱管

鋁板

平板熱管熱導率測量不確定度大主要原因是均溫段兩端溫差小。

2 實驗結果與討論

2.1 瞬態(tài)熱響應速率

測試三種實驗件的瞬態(tài)熱響應速率和穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布時，底部采用加熱膜進行恒定功率加熱。測試平板熱管和鋁板時采用尺寸為0.12 m×0.05 m 的加熱膜，測試翅片熱管時采用尺寸為0.15 m×0.035 m的加熱膜，加熱膜周向纏繞固定于實驗件的周圍，平板熱管和鋁板的蒸發(fā)段長度為0.05 m，翅片熱管的蒸發(fā)段長度為0.035 m，加熱時采用保溫棉對加熱區(qū)域進行保溫。在距離加熱區(qū)域上邊界一定位置處沿著實驗件中心線布置熱電偶，其中平板重力熱管和鋁板沿其表面中心線布置23 支熱電偶，翅片熱管布置18 支熱電偶。并在實驗件正面、背面布置熱電偶以及在單側相同橫截面上布置兩到三個熱電偶進行對比，發(fā)現相同橫截面上不同位置處的測溫偏差均在0.2℃以內，證明了實驗測量結果的重復性和溫度測量的可靠性，由于篇幅限制，不再單列結果。

圖3 為室內溫度穩(wěn)定后測試得到的三種實驗件在35 W 加熱功率下不同位置處的瞬態(tài)溫度響應曲線。圖3(a)為鋁板距加熱區(qū)域上邊界不同位置處的溫度響應規(guī)律，從圖中發(fā)現在距離加熱區(qū)域近的位置處（如0.02 m、0.1 m 處）溫度響應速度較快，2000 s內趨于穩(wěn)定；在距離加熱區(qū)域遠的位置處（如0.71 m、0.89 m 處）溫度響應速度相對較慢，3000 s 后達到穩(wěn)定。不同位置處的溫度差別較大，由于受室內空氣流動和溫度變化的影響，溫升曲線出現了一定波動。而平板熱管不同位置處的溫度均在更短的時間內（～1400 s）趨于穩(wěn)定，如圖3(b)所示。與鋁板相比，不同位置處的溫度差異顯著降低、溫度均勻性提高，且在距離加熱區(qū)域較近的相同位置處（如距離加熱膜0.02 m 處，鋁板達到穩(wěn)定后的溫度為134.6℃，而平板重力熱管相同位置處溫度僅為70.5℃）的最高溫度也大大降低，說明熱管傳遞相同功率的熱量時，傳熱溫度更低，傳熱安全性更高。圖3(c)中翅片熱管的表面瞬態(tài)溫度響應規(guī)律與平板熱管一致，其表面不同位置處的溫度也在較短的時間內趨于穩(wěn)定，但因其表面含有散熱翅片，散熱面積增大，所以翅片重力熱管的均溫性更好，最高溫度也更低（如距離加熱膜0.02 m處的溫度為59.9℃，而平板重力熱管為70.5℃）。需要說明的是，由于電熱膜包裹在測試實驗件上加熱時存在一定的接觸熱阻，會影響熱管的熱響應速率。將平板熱管蒸發(fā)段放置于恒溫水浴中進行加熱時，由于沒有接觸熱阻的影響，從開始加熱到溫度達到穩(wěn)定則只需要180 s左右，如圖4 所示，充分說明重力熱管的熱響應速率快、均溫性好。

2.2 沿程溫度分布規(guī)律

圖5 為三種實驗件在不同加熱功率下的穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布情況，圖中橫坐標表示各支熱電偶距離加熱區(qū)域上邊界的位置。圖5(a)為不同加熱功率下鋁板的沿程溫度分布，從中可以看出鋁板表面靠近加熱區(qū)域的溫度較高且沿程溫度降低較快。從圖5(b)可以發(fā)現平板熱管壁面的沿程溫度分布中出現了一段較長的均溫段，且隨著加熱功率的增大，均溫度段的長度不斷變長。圖5(c)表明翅片熱管具有較長的均溫段，且在測試功率范圍內均溫段的長度不隨加熱功率變化，其均溫性優(yōu)于平板熱管。由于翅片熱管與空氣的換熱面積大，相同功率下翅片熱管的表面溫度低于平板熱管，說明翅片熱管的散熱效果優(yōu)于平板熱管。相比之下，鋁板在相同功率下靠近加熱源處的溫度顯著高于熱管，其傳熱能力和均溫效果顯著低于熱管。從圖6平板熱管、翅片熱管和鋁板的沿程溫度分布對比可以清晰地看出，相同加熱功率下，熱管在距加熱位置近處的溫度遠遠低于鋁板，且沿程出現了一段均溫段，對于翅片熱管，沿程溫度更低，均溫效果更好。

圖3 不同實驗件35 W功率下的瞬態(tài)溫度響應規(guī)律Fig.3 Transient temperature response of different samples heating with 35 W

圖4 平板熱管在92℃水浴下加熱的瞬態(tài)溫度響應規(guī)律Fig.4 Transient temperature response of flat heat pipe heating in 92℃thermostatic waterbath

2.3 等效熱導率

為定量測量重力熱管的等效熱導率，按圖2(b)所示的實驗裝置將平板熱管蒸發(fā)段和絕熱段采用保溫棉進行保溫絕熱，冷凝段采用循環(huán)冷卻裝置進行恒溫冷卻，冷凝段長度為0.25 m，獲得平板熱管的穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布如圖7 所示。然后選取均溫段兩端的溫差，如圖7 中兩條豎線對應位置處的溫差，5～30 W加熱功率下對應的溫差依次為0.63、0.51、0.51、0.44、0.54、0.48℃。然后依據一維傅里葉導熱定律計算等效熱導率，即

圖8 為不同加熱功率下平板熱管的等效熱導率測量結果，可以發(fā)現隨著加熱功率的增大，熱管的等效熱導率先增大后減小。這是由于隨著加熱功率的增大，管內液體沸騰換熱加強，工質相變速率加快，熱管表面溫度升高，傳熱能力增強，從而使熱導率增大，而隨著加熱功率的進一步增大，管內液體沸騰更加劇烈，蒸發(fā)段、均溫段溫度升高，管內蒸氣量增加，液態(tài)工質比例減少，冷凝段的液態(tài)工質在返回到蒸發(fā)段之前已大量蒸發(fā)，進而影響了熱管蒸發(fā)段-冷凝段-蒸發(fā)段之間的液-氣-液相轉換的速率，達到了熱管的傳熱極限，使熱管等效熱導率達到最大值后開始降低。

圖5 不同實驗件沿程溫度分布Fig.5 Temperature distribution of different samples along length direction

鋁板等效熱導率采用與平板熱管相同的方法進行測試。由于鋁板沿程溫度變化劇烈且沒有均溫段，選取距加熱膜0 m 處與0.05 m 處的溫度差值計算其熱導率，5～20 W 加熱功率下的溫差依次為4.52、6.57、8.89、13.25、17.41℃。從圖9 可以發(fā)現鋁板的熱導率隨加熱功率變化波動不大，測量結果均在230～240 W/(m·K)之間，與文獻值236 W/(m·K)符合較好[31]，側面驗證了本實驗系統(tǒng)測試的可靠性。對比平板熱管和鋁板在不同加熱功率下的等效熱導率，可以發(fā)現熱管的等效熱導率可達純鋁的84～258 倍，證明了重力熱管具有極強的導熱能力。

圖6 加熱功率10 W時不同實驗件的溫度分布對比Fig.6 Comparison of temperature distribution of different samples heating with 10 W

圖7 平板熱管穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布Fig.7 Temperature distribution of flat heat pipe

圖8 平板熱管的等效熱導率Fig.8 Effective thermal conductivity of flat heat pipe

3 結 論

本文通過搭建熱管傳熱性能測試實驗系統(tǒng)，在室溫環(huán)境下分別測試了平板重力熱管和翅片重力熱管在不同加熱功率條件下的瞬態(tài)熱響應速率、穩(wěn)態(tài)沿程溫度分布及平板熱管的等效熱導率，并和鋁板進行了對比，得出如下結論。

圖9 鋁板的等效熱導率Fig.9 Effective thermal conductivity of aluminum

（1）與鋁板相比，重力熱管傳熱速率快，沿高度方向溫度差異較小，具有較長的均溫段。對于平板熱管，加熱功率增大，均溫段長度增大；與平板熱管相比，翅片熱管由于散熱面積的增加，相同加熱功率條件下的均溫段長度更長，均溫性更好，整體溫度更低。

（2）重力熱管等效熱導率高達純鋁板的84～258倍，且隨著加熱功率的增加迅速增大，但加熱功率超過一定范圍時，由于熱管達到了傳熱極限，其熱導率會隨著加熱功率的增大而降低。

（3）翅片重力熱管加熱速率快，傳熱熱阻小，均溫效果好，應用于強化傳熱領域還具有節(jié)省材料、安全性高等優(yōu)點。