重力熱管兩相傳熱行為可視化實驗研究

夏波 姚慧聰 楊重陽 朱躍釗

南京工業大學機械與動力工程學院

0 引言

重力熱管是一種高效的兩相傳熱設備，具有超高的導熱性、優良的等溫性及結構緊湊的特點，在太陽能熱利用、余熱回收等領域得到了廣泛應用[1-3]。熱管通過內部工質的蒸發和冷凝相變過程進行傳熱，其傳熱傳質機理極為復雜。研究重力熱管內工質的相變和兩相流動特性，對熱管的結構優化和性能改善有重要意義[4-5]。在不同工況下，熱管內部工質表現出不同的沸騰和流動行為，間歇沸騰是重力熱管傳熱中比較常見的一種運行機制[6-7]。H.Kuncoro 等[8]通過對熱虹吸管進行實驗研究，發現了間歇沸騰的兩種運行機制，在底部產生很高的過熱度，加速氣泡膨脹導致間歇沸騰。沒有過熱度產生，但是壁面和液體的溫度達到了臨界值，自發排出導致間歇沸騰。

可視化實驗可直觀地展示熱管內部兩相流，是揭示其傳熱機制的一種有效手段。Jinbo Chen[9]通過可視化手段研究無循環封閉系統的間歇沸騰特性，結果表明間歇沸騰可分為沸騰、噴發、再填充三個階段，沸騰流型可以分為氣泡流，段塞流，攪動流及環狀流四類，并分析每種流型的溫度波動，間歇沸騰的周期和強度隨著輸入功率的增加而減小，隨著冷卻劑的儲存量及溫度的減小而減小。M.SHIRAISHI[10]拍攝不同傾角下管內的流動現象，當傾角90°時，表現為環狀流，蒸發器上部會出現局部干涸甚至永久干涸。而在傾角小時則表現為層狀流，且在層狀流時，蒸發器會出現干涸，此時傳熱效率變大。

本文基于玻璃-金屬封接技術，構建了可視化重力熱管，搭建其兩相流特性實驗平臺，考察熱流密度、加熱高度、冷卻水溫度、充液量對熱管傳熱行為的影響，獲得熱管流型與傳熱特性的關聯，將進一步豐富重力熱管兩相流傳熱機理。

1 實驗過程

1.1 測試系統

搭建的重力熱管傳熱性能可視化實驗平臺如圖1所示。熱管由金屬端蓋和高硼硅玻璃管（φ20×2×500 mm）組成，采用可伐合金封接。選用蒸餾水作為熱管相變工質，采用抽真空法生成熱管。

圖1 熱虹吸管傳熱性能實驗平臺

重力熱管傳熱性能可視化實驗系統主要包括加熱系統，冷凝系統，數據采集系統及拍攝系統。鎳鉻絲穿過陶瓷管緊密纏繞在蒸發段，使其達到加熱均勻的目的，通過改變鎳鉻絲的纏繞高度進行調整加熱高度，采用直流電源改變輸出電流進行調節加熱功率。冷凝段通過纏繞致密的銅管，銅管內的冷卻水通過蠕動泵驅動循環，其溫度采用恒溫浴槽調控。熱管壁面溫度與冷卻水的溫度通過T 型熱電偶監測，使用多路溫度巡檢儀和計算機進行記錄溫度數據。拍攝系統通過高速攝像機拍攝熱管穩定運行狀態下內部工質相變行為及兩相流動機制。實驗測試裝置的具體型號與參數如表1 所示。

表1 測試裝置的參數

1.2 測試條件

實驗設定冷凝段長度200 mm，通過蠕動泵控制冷卻水流速300 ml/min。具體的實驗測試條件如表2所示。為了保證實驗數據的準確性，在每次實驗開始前，對蠕動泵進行流量標定，確保冷卻水流速的誤差在0.1%以內。對所有的熱電偶進行了校準和標定，保證所有的熱電偶的誤差均在±0.1℃以內。取熱管穩定運行后20 min 的數據做平均值。

表2 實驗測試條件

重力熱管的性能的評價方法可采用系統總熱阻，計算公式如下式所示：

式中：Te是蒸發段平均溫度；Tc是冷凝段的平均溫度；Qin是系統的輸入功率。

2 結果與分析

2.1 充液量對兩相流型的影響

圖2 和圖3 分別是充液50 mm 重力熱管內部的相變行為和相對應的溫度曲線圖。從圖2 可以看出，隨著熱流密度的增加，重力熱管的傳熱模式首先從對流傳熱轉變為間歇沸騰傳熱，進而轉變為過渡沸騰傳熱，最后達到核態沸騰。當熱管在低熱流密度工況下加熱時，液池底部產生氣泡并迅速增長，氣泡生長攜帶部分工質向上運動，蒸汽空間變小，氣泡在蒸汽空間的擠壓下炸裂，工質在氣泡炸裂的驅動力下升至熱管頂端，然后在重力的作用下回流至至蒸發段，引起液池的劇烈波動，形成一個間歇沸騰周期。由圖3 可得，熱管各位置的溫度同樣出現周期性的波動，并且隨著熱流密度的增加，溫度波動幅度減小，但頻率增加。這是由于氣泡的生長吸收大量的能量，因此蒸發段溫度降低，而被氣泡攜帶上升的工質引起絕熱段和冷凝段溫度上升，工質回流至蒸發段后，絕熱段和冷凝段的溫度降低，蒸發段繼續吸收熱量，溫度上升，形成一個溫度波動周期。當進一步增加熱流密時，間歇沸騰氣泡產生的位置上移，氣泡上升過程中攜帶的工質減少，并且氣泡生成的頻率加快，強度減小，導致間歇周期縮短，溫度波動幅度減小。繼續增加熱流密度，氣泡在脫離液池時所攜帶的工質量很少，形成一個與內壁等大的圓形液膜，在蒸汽壓的作用下向上運動，氣泡產生的頻率會隨著熱流密度的增加而增加。此時對應的熱管壁面溫度逐漸趨于穩定。在熱流密度31.8 kW/m2，液池連續不斷地生成氣泡，冷凝段沒有出現工質攜帶現象，熱管進入核態沸騰階段，整體的溫度穩定，基本沒有波動。

圖2 充液50 mm 重力熱管的相變行為

圖3 充液50 mm 重力熱管的溫度曲線圖

從圖4～5 所示的充液90 mm 相變圖中可以看出，在熱流密度7.96 kW/m2時，重力熱管從對流換熱轉向間歇沸騰，在10.94 kW/m2時，重力熱管進入過渡沸騰階段，此時液池像間歇沸騰時產生氣泡并迅速增長，但工質并未隨著氣泡的生長向上運動，而是在管壁形成環狀液膜向液池回流，因此氣泡在生長至某一高度后，僅剩一層圓形液膜向上運動。繼續增加熱流密度，大氣泡消失，氣泡在脫離液池后形成圓形液膜，且生成氣泡的速度增加，蒸發段的溫度波動幅度減小，頻率增加。重力熱管在熱流密度16.91 kW/m2時進入核態沸騰階段，沸騰劇烈，溫度穩定。

圖4 充液90 mm 重力熱管的相變行為

圖5 充液90 mm 重力熱管的溫度曲線圖

圖6～7 所示的充液140 mm 重力熱管的兩相流型圖更加復雜，在間歇沸騰階段，氣泡迅速增長并攜帶部分工質上升至熱管最頂端，工質回流至蒸發段，引起液池的劇烈波動，液池生成許多氣泡，液池在氣泡的沖擊下不停震蕩，因此溫度波動非常劇烈且復雜。繼續增加熱流密度，間歇沸騰大氣泡生成的位置向下移動，且生長所攜帶的工質更多，回流對液池的擾動更加劇烈，生成非常多的小氣泡。在熱流密度7.96 kW/m2時，液池生成氣泡并迅速生長，但氣泡強度減弱，攜帶的工質在管壁形成環狀液膜回流至液池，氣泡在蒸汽空間的壓力下炸裂，而此時液池的上部生成許多小氣泡，擾動劇烈，在此流型既有間歇式的溫度波動，又有穩定的溫度輸出。在11.37 kW/m2時，重力熱管進入核態沸騰階段。

對比3 根重力熱管，充液高度越高，核態沸騰階段液池因為氣泡擾動上升的高度越高，因為氣泡在上升過程中生長，充液高度越高，氣泡在脫離液池時的尺寸越大，液池上升的高度越高。

圖6 充液140 mm 重力熱管的相變行為

圖7 充液140 mm 重力熱管的溫度曲線圖

2.2 充液量對傳熱性能的影響

圖8 是加熱高度與充液高度相同時，不同充液高度重力熱管在冷卻水溫度58 ℃時的熱阻，從圖中可以看出，熱阻隨著充液高度的增加而減小。在熱流密度較低時，熱重力熱管內部的兩相流模式是對流換熱，隨著熱流密度的增加，兩相流模式逐漸轉變為間歇沸騰及核態沸騰，蒸汽生成的速度加快，熱傳導的能力增強，所以熱阻會隨著熱流密度的增加而減小。從上文熱管的內部工質相變行為可知，在過渡沸騰階段，充液50 mm 和90 mm 的重力熱管會生成圓形液膜，充液140 mm 的重力熱管生成許多小氣泡，增強對液池的擾動且可以生產更多的蒸汽，提高了熱管的導熱能力。在核態沸騰期間，充液高度越高，沸騰越劇烈，傳熱效果越好，且充液高度越高，生成蒸汽量越多，冷凝傳到的熱量越多，整體熱傳導能力越強。

圖8 加熱高度與充液高度相同時重力熱管的熱阻

2.3 冷卻水溫度對傳熱性能的影響

為了考察冷卻水溫度對傳熱性能的影響，在充液高度為50 mm，加熱高度為50 mm 的測試條件下，對熱管進行不同冷卻水溫度18～58 ℃的實驗測試，計算熱阻如圖9 所示。由圖可知，在低熱流密度下加熱，冷卻水溫度對熱管的傳熱熱阻影響顯著，冷卻水溫度越高，熱阻越小。隨著熱流密度的增加，傳熱熱阻變化趨于平緩，最后基本保持不變。并且在高熱流密度下，冷卻水溫度對傳熱熱阻的影響變得越來越小。圖10 所示加熱功率為65 W 時的壁面溫度分布，冷卻水溫度對壁溫的影響非常大，隨著冷卻水溫度的增加，熱管的整體溫度都在升高。冷卻水溫度越高，在上述溫度范圍內，水的傳熱因子越高，熱阻越低。

圖9 充液50 mm 重力熱管在不同冷卻水溫度下的熱阻

圖10 輸入功率65 W 時的壁面溫度

2.4 加熱高度對傳熱性能的影響

圖11 是在冷卻水58 ℃下，充液50 mm 重力熱管在加熱高度50 mm、70 mm、90 mm 下的熱阻，如圖所示，熱阻隨著加熱高度的增加而減小。根據熱阻的定義，熱阻與蒸發段冷凝段的溫差及輸入功率有關，在相同的輸入功率下，蒸發段與冷凝段之間的溫差越小，熱阻越小。重力熱管的加熱高度不同時，在相同的輸入功率下熱流密度隨著加熱高度的增加而減小，蒸發段的溫度隨著加熱高度的增加而減小，冷凝段的溫度會受蒸汽溫度及冷卻水溫度的影響，在相同的冷卻水溫度下，加熱高度越高，冷凝段蒸汽與冷卻水之間的溫差越小，傳導的熱量隨著溫差的減小而減少，冷凝段與蒸發段的溫差越小，所以在3 個加熱高度下，加熱高度越高，重力熱管的熱阻越小。

圖11 充液50 mm 重力熱管在不同加熱高度下的熱阻

3 結論

1）通過可視化手段揭示不同充液量的重力熱管在間歇沸騰，過渡沸騰及核態沸騰時的相變行為，并結合溫度曲線圖，分析不同流型對溫度波動的影響。在相同冷卻水溫度、熱流密度下，充液高度越高，沸騰更加劇烈，傳熱能力更強。

2）在同一加熱高度下，熱阻會隨著熱流密度的增加而減小，且冷卻水溫度越高，熱阻越小。

3）加熱高度對熱虹吸管的傳熱性能影響也很大，在同一冷卻水溫度下，加熱高度越高，熱阻越小。