重力熱管壁溫與傳熱特性的實驗分析

郭 浩, 尤天伢, 紀獻兵,2*, 徐進良,2

(1.華北電力大學低品位能源多相流與傳熱北京市重點實驗室， 北京 102206; 2.華北電力大學電站能量傳遞轉化與系統教育部重點實驗室， 北京 102206)

重力熱管(gravity heat pipe，GHP)是一種高效的兩相傳熱元件。由于其內部不含毛細芯，蒸汽在冷凝為液體后依靠重力回流至蒸發段，因此GHP具有結構簡單、易于維護和工作穩定的特點，廣泛應用于太陽能集熱器[1]、能量回收[2]和電子設備冷卻領域[3]。

GHP雖然結構簡單，但內部的兩相流動和相變傳熱過程非常復雜，因此相關學者在GHP傳熱機理分析和性能提升方面進行了大量的研究工作。Cotter[4]于1965年提出了較為完整的重力熱管理論，為熱管的設計應用提供了參考。影響重力熱管傳熱的因素包括充液比、內壁面特性和工質類型等。Noie等[5]以水為工質對重力熱管在沖液比為15%、22%和30%，傾角5°～90°的條件下進行了實驗，發現冷凝傳熱系數隨著沖液比的增加而增大，并且在15°～60°的傾角范圍內熱管具有最佳的傳熱性能。同時Alammar等[6]通過電火花技術對熱管內壁進行處理，提高了表面粗糙度，結果熱管總熱阻降低了13%～42%。

與充液比和內壁面處理相對應，工質也是影響重力熱管性能的重要因素。J?uhara等[7]研究了乙醇-水共沸物混合熱管，并與純水熱管性能進行了對比，發現使用共沸工質降低了蒸發器的運行溫度。Adnan等[8]使用由乙醇、丁醇、丙醇等構成的雜醇替代水作為工質，發現與使用水為工質的熱管相比，以雜醇為工質可使整體熱阻降低35.96%。隨著納米技術的發展，也有學者將納米流體應用到重力熱管中。吳晗等[9]發現與水相比，多壁碳納米管-水納米流體可有效改善重力熱管的熱性能，在質量分數為2%時傳熱系數比普通水重力熱管最大提高40%。但也有相關實驗證明納米流體并不能提高GHP的傳熱效果[10]。因此選擇一種穩定、高效的工質是熱管制造過程中的重要環節。

重力熱管在運行過程中將會受到加熱功率、工質物性等多種因素的影響。現以乙醇、蒸餾水和FC-72為工質，以銅質熱管為對象，測量GHP在不同功率時的壁溫變化，并以此為基礎綜合分析了工質物性參數對重力熱管啟動、壁溫波動和傳熱性能的影響。

1為計算機；2為數據采集器；3為調壓器；4為功率計；5為熱管主體；6為冷卻套筒；7為低溫恒溫水槽

1 實驗系統與實驗方法

實驗系統如圖1所示，其主要由重力熱管、加熱系統、冷卻水循環系統和數據采集系統構成。重力熱管由紫銅管制成，其總長度L=700 mm，管內徑di=14.8 mm，外徑do=19 mm，其中加熱段Le=250 mm，絕熱段La=200 mm，冷凝段長為250 mm，有效冷凝長度Lc=200 mm。加熱系統主要由電熱絲、調壓器和功率顯示器組成。冷卻系統包括低溫恒溫水槽、質量流量計、冷卻水套和連接管路，冷卻水溫度Tcool可通過低溫恒溫水槽進行設定而流量恒定為100 kg/h。數據采集系統包括安捷倫34970A型采集器，Omega K型熱電偶絲和計算機。為測量熱管的軸向溫度分布，沿蒸發段至冷凝段布置了11個測量截面，其中，蒸發段4個，絕熱段2個，冷凝段5個，記每個截面位置為i=1～11。為精確測定熱管的壁溫分布，同一截面布置了3個熱電偶測點：iA、iB、iC，如圖1(b)所示。

為降低不凝性氣體的影響，首先對熱管抽真空，之后注入工質。制作完成的重力熱管安裝于旋轉架，并包裹保溫棉。定義熱管軸線與水平方向夾角為傾斜角度θ，充液比為工質體積與蒸發段容積之比。定義以乙醇、FC-72和蒸餾水為工質的重力熱管分別為Ethanol-GHP、FC-72-GHP和Water-GHP。根據Naresh等[11]的實驗結果，GHP的最佳充液比為50%，與Paramatthanuwat等[12]所得結論相同，而Jafari等[13]報道了重力熱管內部工質的最佳充液率為35%。因此本次實驗中結合上述最佳沖液比參考范圍并在進行沖液比影響實驗對比后選取沖液比為46%。

2 數據處理

為精確表示GHP截面溫度，以同一截面3個熱電偶的平均溫度作為此截面溫度，即

Ti=(TiA+TiB+TiC)/3

(1)

式(1)中：TiA、TiB和TiC為i截面處3個熱電偶溫度；Ti為截面i處平均溫度，i=1～11；蒸發段、絕熱段和冷凝段溫度為各段熱電偶的平均值，即

(2)

(3)

(4)

GHP的傳熱性能可通過傳熱系數進行評價，其中傳熱系數包括蒸發段傳熱系數和冷凝段傳熱系數。在計算傳熱系數時，由于GHP和環境間存在熱傳遞，因此相關研究人員給出了不同的計算式[14-16]。由于實驗中重力熱管保溫層保溫效果較好，熱損失在最高輸入功率時小于3%，因此以Jouhara等[16]提出的計算方法為標準，將加熱功率作為GHP的傳熱功率，相應的蒸發段和冷凝段的傳熱系數表達式為

(5)

(6)

式中：Q為加熱功率；Ae、Ac分別為蒸發段和冷凝段面積，Ae=πdoLe，Ac=πdoLc。

實驗中熱電偶的不確定度為0.3 ℃，環境溫度為20 ℃，根據誤差傳遞原理可計算蒸發傳熱系數和冷凝傳熱系數的不確定度為4.6%和5.3%。

3 實驗結果與討論

工質的表面張力σl、汽化潛熱hfg和導熱系數λl等物性參數可通過影響熱管內部工質的相變和循環過程，進而影響熱管性能：例如表面張力大小主要影響蒸發和凝結過程，而汽化潛熱表征著單位質量工質相變所吸收的熱量。表1所示為25 ℃時3種工質的物性參數。可發現，乙醇和FC-72的表面張力分別為水的30.4%和13.9%，汽化潛熱分別為水的37.7%和3.6%。所以乙醇和FC-72對管壁的潤濕性較好，而由于水的汽化潛熱較大，因此在蒸發量相同時可吸收更多的熱量。

表1 物性參數

3.1 小功率時GHP的啟動過程

圖2(a)所示為FC-72-GHP在傾角θ=90°、冷卻水溫度Tcool=25 ℃、加熱功率Q=10 W時的啟動曲線。從中可發現，重力熱管在受熱初期蒸發段溫度升高較快。隨著加熱的進行，當達到工質的飽和溫度時，蒸發段內開始產生蒸汽，壁溫逐漸穩定。在GHP冷凝段，冷凝后的液體在重力作用下回流至加熱段，從而對蒸發段管壁進行潤濕并吸收熱量進行再循環。在完成啟動后，熱管各段溫度逐漸穩定，內部壓力值也逐步穩定。

與圖2(a)顯示的FC-72-GHP平穩啟動不同，Water-GHP在Q=10 W時的啟動曲線呈現出大幅波動，溫度波動幅值最大為3.2 ℃，如圖2(b)所示。此時Water-GHP處于非穩定的核態沸騰換熱階段，這種現象在重力熱管中稱之為“泉涌”或“間歇沸騰”[17]。其原因在于水的表面張力較大，因此氣泡直徑較大。在蒸發段中，當聚集的氣泡尺寸達到與管內徑大小相當時則造成上部液體隨氣泡一同上移，導致“泉涌”現象發生。同時由于加熱功率較小，溫度較低，雖然能夠激發壁面上核態沸騰的產生，但在“泉涌”發生的同時，蒸發段壁面溫度降低[18]，壁面核化點失活，同時冷凝工質回流至蒸發段時，對蒸發段有較好的冷卻效果，工質需要再次進入熱量積累階段，從而出現了大周期的溫度波動。

圖2(c)顯示的Ethanol-GHP在小功率啟動過程中同樣出現了溫度波動，但同Water-GHP相比，溫度波動幅值降低而頻率增加，其原因在于乙醇本身表面張力和汽化潛熱較小，所以產生的氣泡脫離直徑較小而頻率較高，因此相應的壁溫波動頻率也較高，所以工質不同，壁溫的波動也會呈現出不同的趨勢。

圖2 GHP啟動曲線

3.2 壁溫波動與工質和運行參數的關系

為詳細地對GHP運行中的溫度波動進行分析，在θ=90°、Tcool=25 ℃時，對Water-GHP、Ethanol-GHP和FC-72-GHP在不同加熱功率時的溫度波動進行了對比。從圖3(a)中可看出，對于Water-GHP，隨加熱功率的增加，溫度波動的頻率增加。而當工質為乙醇時，其在功率為40 W時即可達到穩定，如圖3(b)所示。對于FC-72-GHP，熱管壁溫在運行過程中無波動現象出現，因此運行平穩，如圖3(c)所示。

Water-GHP內溫度波動產生的原因在3.1節中已討論，所以在此不作詳細說明。而隨加熱功率的上升，壁溫波動頻率增加的原因在于內部單位時間產生氣泡數量的增加，并且當冷凝液回流至蒸發段時，工質達到飽和溫度的時間降低，所以溫度波動頻率隨加熱功率的上升而增加。而在Ethanol-GHP中，乙醇表面張力和汽化潛熱高于FC-72而低于水，在加熱功率較小時，產生的氣泡在合并后可將蒸發段的上部液體推入絕熱段從而產生壁溫波動，而隨著加熱功率的升高，工質相變劇烈程度提高，液池內不斷產生氣泡，內部氣液兩相的間歇流動被抑制，并且由于內部氣液兩相作用氣泡很容易發生碎裂從而避免了“泉涌”現象，因此在Ethanol-GHP中存在壁溫波動的最大功率較小。

圖3 GHP T2B點溫度隨加熱功率變化曲線

除加熱功率外，冷卻水溫度Tcool、傾斜角度θ等因素也可能影響GHP的壁溫波動。由于FC-72-GHP具有良好的壁溫穩定性，而Water-GHP存在壁溫波動的功率范圍較廣，不便于統計分析。因此以Ethanol-GHP為對象進一步研究了壁溫波動存在時的最大功率Qmax與Tcool以及θ的關系。結果如圖4所示。可發現，Qmax受Tcool影響較大。當Tcool=5 ℃，而θ=15°、30°、60°時，Ethanol-GHP蒸發段在Q=80 W的工況下依舊存在壁溫波動，而當Tcool升高至25 ℃時，在上述4種傾斜角度中，Qmax=40 W。因此隨著Tcool的下降Qmax呈上升趨勢。其原因在于，當Tcool降低時，熱管內壓力降低，促進了蒸發段內氣泡的溢出，且隨著溫度的降低乙醇的表面張力增加，氣泡尺寸有所提高，因此存在波動的功率范圍較廣。在研究θ對Qmax的影響時發現，當θ由90°降低至60°時，Qmax增加，當θ由60°繼續減小時Qmax無明顯變化。這是由于θ由90°逐漸減小時，液體工質與蒸汽逐漸分層，在蒸發段內氣泡容易在壁面附著、破裂造成壁面溫度波動，而當θ由60°繼續降低時，這種效果對壁溫波動的影響降低，因此Qmax無明顯變化。反之，當傾角由60°向上增加時，氣泡所受浮升力增大，氣泡容易從壁面脫離，從而降低了溫度波動。

圖4 Ethanol-GHP壁溫存在波動時的最大功率

圖5 GHP軸向溫度分布

3.3 GHP軸向溫度分布

圖5所示為Ethanol-GHP、Water-GHP和FC-72-GHP熱管的軸向溫度分布曲線，為精確表示熱管軸向的溫度分布情況，取每個測量截面3個溫度點(TA、TB和TC)的平均值作為此軸向位置的溫度。

在不同加熱功率下，GHP內部的相變程度不同，因此軸向溫度分布將有所差異。如圖5(a)所示，當Q較小時，Ethanol-GHP和Water-GHP的溫度分布差別較小，說明此時兩種熱管的傳熱性能相近，但當Q=100 W時，3種熱管的軸向溫度分布差異開始增大，Q=180 W時，溫度分布差別明顯。如圖5(c)所示，FC-72-GHP、Ethanol-GHP和Water-GHP蒸發段的平均溫度分別在60、50、40 ℃左右。此時，3種熱管中Water-GHP整體溫度均勻性最好，蒸發端和冷凝端的溫差最小，換熱效果最優，Ethanol-GHP次之，FC-72-GHP的換熱效果最差。

同時還可發現Q=40 W時FC-72-GHP蒸發段軸向溫度不均勻性較大，其蒸發段底部溫度T1B約為34.0 ℃，而上部T3B溫度則為39.3 ℃，溫差較大。當Q=100 W時FC-72-GHP蒸發段溫度分布逐漸均勻，而Q=180 W時，FC-72-GHP蒸發段恢復良好的溫度分布均勻性。而Ethanol-GHP和Water-GHP在小功率或大功率運行時兩種熱管的蒸發段溫度均勻性均良好。因此溫度沿蒸發段軸向方向的溫度分布情況與內部工質類型以及熱流密度相關。

GHP蒸發段所接收的熱量主要由工質的相變吸收，所以上述現象可以從蒸發段的相變模式中加以解釋。Jafari等[15]認為根據充液比的不同，蒸發段內具有底部液池沸騰和上部薄膜蒸發的組合傳熱模式。因此FC-72-GHP在小功率運行時，由于蒸發段底部液池產生的氣泡較小，沸騰較為穩定。而在蒸發段上部，冷凝段回流的薄液膜在此受熱蒸發，對管壁有降溫效果，但是由于FC-72自身相變潛熱較小，因此導致受壁面溫度較高，從而在蒸發段兩端形成較大溫差。當FC-72-GHP加熱功率升高時，蒸發段內的工質相變程度增加，液池降低，從冷凝段回流的液體量增加，同時蒸發段底部產生的蒸汽可能攜帶部分液體至蒸發段上部，補充上部液體的供給，因此蒸發段軸向的溫度均勻性增加。當工質改為乙醇和水時，由于其具有較高的汽化潛熱，加熱功率較小時，上部液膜蒸發能有效降低管壁溫度，因此蒸發段上部溫度稍低，隨著加熱功率的增加，內部工質相變和氣液兩相混合程度增加，因此蒸發段軸向溫度分布更加均勻。

3.4 GHP蒸發和冷凝段傳熱系數

圖6顯示了3種不同工質GHP在θ=90°、Tcool=25 ℃時，蒸發段傳熱系數He，冷凝段傳熱系數Hc隨加熱功率的變化曲線。從圖6中可看出，加熱功率相同時，工質對He和Hc的影響較大。

圖6 θ=90°、Tcool=25 ℃時GHP蒸發段和冷凝段傳熱系數

當Q<100 W時，Ethanol-GHP的He最大，在Ethanol-GHP中當Q=60 W時，He=1 325 W/(m2K)，而Water-GHP和FC-72-GHP的蒸發傳熱系數為818 W/(m2K)和616 W/(m2K)。而當加熱功率大于100 W時，Water-GHP蒸發段和冷凝段的傳熱系數在3種熱管中均表現最佳。這是由于在加熱功率較小時由于乙醇相對于水具有較小的飽和溫度，受到熱源加熱后容易汽化，同時與FC-72相比，乙醇的汽化潛熱較高，因此傳熱系數較大。而在加熱功率較大時由于水具備3種工質中最大的蒸發潛熱和導熱系數，因此少量水的相變即能夠帶走大量的熱量，所以Water-GHP蒸發段傳熱系數較大。在冷凝段中，當蒸汽凝結為液膜時，后續蒸汽向冷凝壁面的散熱需穿透冷凝液膜，在25 ℃時，FC-72、乙醇和水的液體導熱系數分別為0.066、0.164、0.606 W/(mK)。因此當工質為乙醇和FC-72時，此時液膜導熱系數較低，因此會造成熱管冷凝段熱阻較高，傳熱性能較差。上述結果最終導致圖6(b)所示的Water-GHP在3種熱管中具備較大的冷凝段傳熱系數，例如當Q=220 W時Water-GHP冷凝傳熱系數為4 608.0 W/(m2K)，分別為Ethanol-GHP、FC-72-GHP冷凝傳熱系數的2.67和5.94倍。因此在對蒸發段和冷凝段進行強化傳熱處理時，可依據工質類型選擇性的處理熱阻較大位置。

4 結論

實驗分別以水、乙醇和FC-72為工質，研究了重力熱管的啟動、溫度波動、溫度分布及傳熱性能，結論如下。

(1)充有乙醇和FC-72的重力熱管啟動穩定性較好，尤其是FC-72-GHP可在Q=10 W時平穩啟動；而Water-GHP在θ=90°、Q=10 W啟動時溫度波動較大，幅值最大為3.2 ℃。

(2)GHP蒸發段的溫度分布和波動與加熱功率、工質類型等因素相關。當工質為水時，溫度波動存在的功率范圍較大。以乙醇為工質時，壁溫波動存在時的最大加熱功率隨冷卻水溫度的降低而增加。FC-72-GHP壁溫曲線平穩，而蒸發段的軸向溫度分布隨加熱功率的增加而逐漸均勻。

(3)在蒸發段，當加熱功率較小時，由于乙醇較水易汽化吸熱，且潛熱與FC-72相比較大，此時Ethanol-GHP的蒸發傳熱系數較大。在冷凝段內，冷凝液膜的熱阻是影響冷凝的重要因素，由于水具有較大的導熱系數，因此Water-GHP的冷凝段傳熱效果較好，Q=220 W時Water-GHP的冷凝傳熱系數為Ethanol-GHP、FC-72-GHP的2.67和5.94倍。