工質對頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管的影響

2022-07-01 05:57:04郭子瑞池日光

建筑熱能通風空調 2022年5期

郭子瑞池日光

哈爾濱商業大學能源與建筑工程學院

0 引言

脈動熱管是Akachi 提出的新型熱管[1]，將一根細長的管子彎曲制作成如圖1[2]所示的形狀，除去內部不凝結氣體后再注入一定量的工質（如水、乙醇等）制作而成。在表面張力的影響下脈動熱管內部形成多個汽塞和液塞，當對脈動熱管的蒸發段和冷凝段進行加熱和冷卻時，由于溫度分布的不均勻導致汽塞間產生壓差，在該壓差的作用下工質在蒸發段和冷凝段之間不斷的做往返運動，通過相變和對流傳熱來實現熱量的傳遞[3-4]。與傳統的脈動熱管相比，結構上具有簡單、小型化、無吸液芯和極高的傳熱極限和遠距離傳熱等優點，在如電子冷卻等領域里成為研究熱點。

Yang 等人對內外徑為1 mm/2 mm 和2 mm/3 mm的乙醇脈動熱管進行了研究[5-6]，與前者相比后者的傳熱極限提高了40%，且前者傳熱極限幾乎不受傾斜角的影響，而后者的傳熱極限隨傾斜角的增大而減小。Rittidech等人對于內徑為0.66 mm，1.6 mm 和2.03 mm 的脈動熱管進行了比較[7]，發現工質為R123時傳熱極限隨著內徑的增加而增大，而工質為乙醇時卻與之相反。Hu 等人對內徑為0.4 mm，0.8 mm 和1.3 mm 的水平脈動熱管進行了實驗比較，發現隨著內徑的增加其熱阻也逐漸減小，傳熱極限從70 W 增加到了120 W[8]。

Tseng 等人以HFE-7100，甲醇和乙醇作為脈動熱管的工質進行了實驗，其結果表明加熱量在60 W 以下時，HFE-7100 的性能最好。加熱量在60 W 以上時，作為工質水的性能最好，HFE-7100 的性能最差[9]。SAHA 等人以丙酮，水，丙醇和甲醇為工質，在0～40 W的水平加熱條件下進行了研究，他們的實驗結果表明丙酮的性能最好，其次是丙醇[10]。Sarangi 等人以水和乙醇為工質，在100 ℃/28 ℃的加熱/冷卻條件下進行了實驗，發現各自的最佳充液率分別為50%和62%[11]。Cui 等人進行了混合工質的研究，發現與純甲醇工質相比，兌入一定量的水或乙醇時能夠有效的緩解燒干現象[12]。Shi 通過實驗比較了純乙醇工質和水/乙醇工質，發現混合工質的熱阻較低且其最大傳熱量也有明顯的提高[13]。

在本研究中提出了圖2 所示的脈動熱管電池熱管理系統，該脈動熱管具有蒸發段長（150 mm）、冷凝段短的特點（25 mm），且絕熱段長度幾乎為零。由于重力的影響，頂部加熱/底部冷卻型脈動熱管相比于頂部冷卻/底部加熱型在傳熱性能上相差較大，此時工質的選擇和充液率尤為重要。在本研究中，以甲醇，乙醇和水作為工質進行實驗并分析了脈動熱管的啟動特性和傳熱性能。

1 實驗設備及實驗條件

如圖3 所示，本研究中的實驗臺主要由直流電源、恒溫水槽、脈動熱管、測溫系統等構成。脈動熱管模塊由外到內依次為固定板，隔熱板脈動熱管和加熱器，中心處加熱板與脈動熱管的蒸發段之間則為導熱墊片。

圖3 實驗系統

考慮到汽塞的穩定和工質流動過程中的壓降，脈動熱管的內徑可通過下式確定[14]。

本研究中的脈動熱由內外徑為1 mm/2 mm 的銅管制作而成，共15 匝且高和寬分別為190 mm 和150 mm。脈動熱管的冷凝段與冷卻板相連，由恒溫水槽提供冷卻水。測溫系統由數據采集器和熱電偶構成，且測溫點如圖4 所示：No.1～5 為加熱板上的測溫點。No.6～8，No.9～11，No.12～14 分別為脈動熱管蒸發段的上部、中部和下部的測溫點。No.15～17 為脈動熱管冷凝段的測溫點。No.18～19 為冷卻板冷卻水進出口的測溫點，且數據采集間隔為0.5 秒。

圖4 熱電偶測溫點

本文中通過式（2）求得熱阻來評價脈動熱管的傳熱性能[15]，Th為某一時間段內脈動熱管蒸發段上9 個測溫點的平均溫度，Tc為冷凝段3 個測溫點的平均溫度，Q為電源的輸出功率。

本研究的實驗條件如表1 所示，所采用的的工質為甲醇、乙醇和水，且其充液率（VF）為8.9%，13.3%和17.7%，其實驗順序如下：

表1 實驗條件

1）啟動真空泵除去脈動熱管內部的不凝結氣體。

2）利用注射器將一定量的工質推入到脈動熱管內部。

3）設定電源電壓、冷卻水溫度等實驗參數。啟動的同時記錄各個測溫點隨時間的變化。

4）當加熱板溫度不再變化時停止記錄溫度并停止實驗。

5）解除脈動熱管的真空，除去了脈動熱管內部的工質。

由于脈動熱管的各測溫點的溫度隨時間是周期性變化的，所以在本研究中以加熱板的溫度不再變化或變化很小時，可認為脈動熱管的運行達到了穩態。

2 實驗結果分析

工質為甲醇且充液率為8.9%，13.3%和17.7%時的實驗結果如圖5 所示。充液率為8.9%和13.3%時啟動溫度大約在35 ℃和38 ℃附近，低于穩態時的溫度，而充液率增加到17.7%時，啟動溫度達到了60 ℃以上，且啟動溫度遠高于穩態時的溫度。

圖5 工質為甲醇時的啟動特性

圖6 為工質為乙醇時的實驗結果。液率為8.9%時的啟動溫度大約為35 ℃與甲醇相比相差無幾，而充液率為13.3%時啟動溫度達到了50 ℃，與甲醇相比足足提高了10 ℃且出現了啟動溫度高于穩態溫度的現象。而充液率為17.7%時，在53 ℃下發生溫度的震蕩，在維持了一段時間之后停止了震蕩，當溫度逐漸升高到一定值后再次發生了溫度的震蕩。工質為水時，如圖7所示，沒有發生甲醇和乙醇時的溫度的震蕩，即脈動熱管沒有啟動。在相同的充液率條件下，甲醇的啟動溫度最低，其次是乙醇，水在78 ℃下仍未發生溫度的震蕩。

圖6 工質為乙醇時的啟動特性

圖7 工質為水時的啟動特性

式（3）為Antoine 公式[16]，其工質參數見表2[16]。用飽和溫度對飽和壓力進行微分即可獲得單位溫差下的飽和壓差，且甲醇、乙醇和水的計算結果具體如圖8所示。

表2 Antonie 方程中工質的參數

圖8 工質的飽和壓力隨溫度的梯度變化

從圖8 中可知甲醇的單位溫差下的飽和壓力梯度最大，其次是乙醇和水，且從表3[17]可知甲醇和乙醇的密度、比熱和潛熱等熱物性參數與水相比較低，所以在相同的加熱和冷卻條件下，工質為甲醇和乙醇時的溫度變化快使得壓力變化也快，脈動熱管越容易啟動，而工質為水時因不能提供足夠大的蒸氣壓而未能啟動。

表3 工質熱物性參數

圖9 所示的是工質為甲醇，水和乙醇且達到穩態時的脈動熱管的熱阻，圖10～12 所示的是工質分別為甲醇、水和乙醇各測溫點隨時間的變化情況。工質為甲醇時，在8.9%～17.7%的充液率范圍內的溫度震蕩為非間歇性，且脈動熱管蒸發段各測溫點之間的溫差隨著充液率的增加而減少，熱阻從0.77 K/W 減少到0.64 K/W 再增加到了0.74 K/W。這表明充液率較低時，不能充分有效地給蒸發段中/上部提供工質而發生燒干現象，導致蒸發段各點發生溫差和熱阻的增加。但隨著充液率的增加，工質能夠充分的提供到蒸發段的中/上部，緩解了工質不足而發生的燒干現象。但充液率過多時，不僅減少了工質的加速度和速度，還增加了流動過程中與壁面的阻力，阻礙了工質的流動，從而增大了熱阻甚至發生了間歇性運行。工質為乙醇且充液率為8.9%和13.3%時與甲醇的結果類似，溫度震蕩為非間歇性運行，熱阻從0.96 K/W 降低到0.83 K/W。但充液率為17.7%時卻發生了間歇性運行，熱阻從VF=13.3%時的0.83 K/W 急劇增加到了1.72 K/W，而工質為水時如圖13 所示8.9%～17.7%的充液率范圍內，在較長時間的加熱條件下仍未發生溫度的震蕩，即脈動熱管中的傳熱形式為純導熱，并且其熱阻為1.85 K/W。