(1 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院 淮南 232001； 2 安徽省醫(yī)藥設(shè)計院環(huán)境所 合肥 230022)

脈動熱管是一種新型熱管，與傳統(tǒng)熱管相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，當(dāng)量傳熱系數(shù)大，體積小的特點[1]。根據(jù)管路形式脈動熱管可以劃分為開路脈動熱管和回路脈動熱管[2]，研究表明回路型脈動熱管易形成循環(huán)流動，改善傳熱效果。一般脈動熱管都具有多彎結(jié)構(gòu)，眾多學(xué)者對其進行了實驗研究。P. Charoensawan等[3]實驗研究了水平閉環(huán)的脈動熱管(HCLOHP)在正常工作狀態(tài)下的傳熱性能。 Yang Honghai等[4]進行了閉合回路脈動熱管(CLPHPs)工作極限的實驗研究。S. Lips等[5]在不同內(nèi)徑、彎折數(shù)和工質(zhì)條件下對兩個全尺寸脈動熱管進行了多次實驗研究。Yang Honghai等[6]給出了兩平板閉合回路脈動熱管在熱展平結(jié)構(gòu)中的實驗研究。隋緣等[7]分別對充液率為45%、55%、62%、70%時的水、乙醇兩組分按體積比13∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶13 混合而成的二元混合工質(zhì)振蕩熱管的傳熱特性進行了實驗研究，并與水和乙醇純工質(zhì)在相同充液率下的傳熱特性進行對比。劉利華等[8-9]對不同工質(zhì)、充灌率、傾角、彎折數(shù)的脈動熱管進行了實驗研究。Li Qiming等[10-11]研究納米流體脈動熱管，分析運行中納米流體的變化以及對傳熱效果的影響。

為減小工質(zhì)流動過程中的阻力并改善傳熱，很多學(xué)者對將多彎回路熱管改為多通道并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的脈動熱管進行了研究。王宇等[12]對工質(zhì)為丙酮和無水酒精的多通道并聯(lián)回路型脈動熱管進行了實驗測試，結(jié)果表明與典型回路型熱管相比其傳熱效果較好，且具有較高的傳熱極限。梁玉輝等[13]以超純水為工質(zhì)，測試了不同充液率和傾角對并聯(lián)式脈動熱管傳熱性能的影響，結(jié)果表明充液率和傾角對熱管的傳熱性能影響顯著，在充液率為50%時熱管傳熱熱阻最小。史維秀等[14]實驗測試了傾角及冷卻工況對多通路并聯(lián)回路板式脈動熱管傳熱性能的影響及啟動性能，結(jié)果表明重力對熱管傳熱性能影響較大，在垂直狀態(tài)下熱管較易啟動，熱管在60°～90°可以正常啟動，該結(jié)果與P. Charoensawan等[15-16]實驗結(jié)果基本一致。

本文采用恒溫?zé)崴鳛榧訜釤嵩矗瑴y試了工質(zhì)為甲醇時常溫并聯(lián)式脈動熱管的啟動性能和等溫性，并分別測試了甲醇和R600a作為工質(zhì)時的傳熱量。

1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由熱管加熱系統(tǒng)、熱管冷卻系統(tǒng)及實驗測量系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。熱管加熱系統(tǒng)和熱管冷卻系統(tǒng)由恒溫水箱提供加熱和冷卻所需的恒溫水。恒溫水箱采用最新設(shè)計的動態(tài)恒溫控制系統(tǒng)，最大加熱水溫為75 ℃，可通過調(diào)溫閥控制水溫。恒溫水箱提供冷卻用水時，通過加入冰塊降低溫度。加熱和冷卻水槽均采用有機玻璃制作，尺寸為320 mm×320 mm×50 mm，加熱水槽的頂端設(shè)有30 mm絕熱保溫，防止加熱水槽散發(fā)的熱量對熱管運行造成影響。加熱系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)子流量計和閥門控制加熱熱水的流量。熱管冷卻系統(tǒng)分為自然冷卻和水冷卻兩種，其中水冷系統(tǒng)同時用于熱量計量，采用稱重法測量流量。實驗測量系統(tǒng)由Agilent 34970A高速數(shù)據(jù)采集儀采集實驗測試所需溫度，每5 s讀取記錄一次數(shù)據(jù)。采用T型(銅-康銅)高精度熱電偶，精度為0.2 ℃，在加熱和冷卻水槽的進出口及內(nèi)部分別布置熱電偶。

實驗測試所用的并聯(lián)式脈動熱管由石英玻璃制作，可從外部觀察管內(nèi)的流動及換熱情況。圖2所示為熱管結(jié)構(gòu)和測點布置，熱管由2根橫管和8根立管構(gòu)成。熱管上、下兩根橫管的外徑分別為15 mm和10 mm；立管管長500 mm，管間距為30 mm。熱管內(nèi)徑分別為2、4、6、8 mm，熱管管壁厚2 mm。熱管上端設(shè)置連接口，通過三通可連接充液口和壓力表。熱管冷凝段共布置12個熱電偶，用于測量熱管的等溫性。熱管中間兩根立管絕熱段分別布置一個熱電偶(測點d0、e0)，用于測量熱管的啟動特性。測試時熱管傾角為90°。在測量熱管的啟動特性及等溫性時，熱管采用甲醇作為工質(zhì)。熱管傳熱量的測量采用甲醇和R600a兩種工質(zhì)。為便于觀察實驗現(xiàn)象，熱管的啟動特性和傳熱量測試均采用內(nèi)徑為4 mm的熱管。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 The experimental system

圖2 熱管結(jié)構(gòu)和測點分布Fig.2 The heat pipe structure and measuring point distribution

2 實驗內(nèi)容與結(jié)果分析

2.1 熱管的啟動特性

熱管的啟動特性直接關(guān)系熱管的傳熱性能，當(dāng)熱管啟動較快時，可以增加熱管的傳熱量。為研究不同冷卻方式、加熱和冷卻溫度、充液量對熱管啟動性能的影響，測試了不同條件下熱管的啟動時間，并對實驗結(jié)果進行分析。熱管達到某一溫度，且5 min內(nèi)的溫度波動小于1 ℃，達到該溫度所用的時間即為熱管的啟動時間。

2.1.1不同冷卻方式對熱管啟動的影響

為分析不同冷卻方式對熱管啟動性能的影響，對內(nèi)徑為4 mm的熱管進行了實驗測試。熱管充液高度為8 cm，蒸發(fā)段和冷凝段的長度比為1∶1。熱管蒸發(fā)段的加熱熱水溫度為50 ℃，流量為100 L/h；冷凝段則分別采用自然冷卻和水冷兩種形式進行冷卻，冷卻溫度均為18 ℃。圖3為絕熱段兩個測點平均溫度隨時間的變化。

圖3 不同冷卻方式條件下熱管的啟動特性Fig.3 The starting characteristics of heat pipe under different cooling conditions

由圖3可知，熱管冷凝段采用水冷時啟動時間約為200 s，采用自然冷卻時啟動時間約為230 s，采用水冷的啟動時間較自然冷卻減少30 s。在水冷條件下，30～200 s時間段內(nèi)熱管的溫升較快，而此后的時間內(nèi)溫度平緩上升，至熱管穩(wěn)定工作后溫度趨于定值；而在自然冷卻情況下，熱管在啟動時間內(nèi)溫度呈平穩(wěn)上升趨勢。由于水的比熱較高，水冷冷卻方式強化了管壁的換熱，使上升的蒸氣流在冷卻段管壁能更好的形成液膜并回流到加熱段，使熱管的啟動更為迅速。

2.1.2不同加熱溫度和冷卻溫度對熱管啟動特性的影響

圖4所示為熱管蒸發(fā)段的加熱溫度分別為50 ℃和40 ℃，冷凝段采用溫度為18 ℃的自然冷卻，以及加熱溫度為50 ℃和冷凝段采用自然冷卻為22 ℃時絕熱段兩個測點平均溫度隨時間的變化。

圖4 不同加熱溫度和冷卻溫度條件下熱管的啟動特性Fig.4 The starting characteristic of heat pipe under different heating temperature and cooling temperature

由圖4可知，冷卻溫度相同時，蒸發(fā)段的加熱溫度越高，熱管啟動所需的時間越短。加熱溫度為40 ℃時，熱管啟動時間為265 s，而加熱溫度為50 ℃時熱管啟動時間為230 s，這主要是由于加熱段的壁面溫度升高，導(dǎo)致熱管內(nèi)工質(zhì)在飽和溫度下有更高的過熱度，沸騰傳熱更快，使熱管能在較短的時間內(nèi)啟動。加熱溫度相同時，冷卻溫度的高低對熱管的啟動時間影響不顯著，當(dāng)環(huán)境溫度為22 ℃時，熱管絕熱段溫度在250 s后趨于穩(wěn)定，比冷卻溫度為18 ℃時增加20 s，熱管啟動后絕熱段溫度略低于冷卻溫度為18 ℃時。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，有利于蒸氣在冷凝段凝結(jié)回流，從而縮短熱管的啟動時間。

2.1.3充液率對熱管啟動特性的影響

熱管內(nèi)工質(zhì)的充液量對熱管性能有極大影響，不同工質(zhì)對應(yīng)的最佳充液比不同，對于大部分常溫工質(zhì)，充液率一般在20%～40%之間(按蒸發(fā)段體積折算)。為更直觀體現(xiàn)充液的多少，本研究采用立管充液高度進行分析，在熱管充液高度分別為5、8、11 cm(約為蒸發(fā)段立管體積的20%、32%、44%)的情況下進行熱管啟動性測試，工質(zhì)為甲醇，加熱溫度為40 ℃，自然冷卻溫度為18 ℃，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 充液量對熱管啟動特性的影響Fig.5 The influence of filling quantity on starting characteristics of heat pipe

由圖5可知，隨著充液量的增加，熱管啟動所需的時間逐漸增加，熱管絕熱段的溫度逐漸降低。熱管在充液高度為5 cm時啟動時間較短，約為235 s；熱管充液高度為8 cm的溫升速度低于充液高度為5 cm的溫升速度，啟動時間約增加30 s；熱管充液高度為11 cm時啟動時間較長，約為310 s。熱管啟動后，充液高度為8 cm和11 cm的溫度相差不多，高于充液高度為5 cm的溫度。隨著熱管充液率的增加，管內(nèi)的沸騰狀況不同，導(dǎo)致熱管啟動時間逐漸增加和絕熱段壁面溫度降低。

2.2 熱管的等溫性

為分析不同管徑熱管的均溫性，在熱管充液高度為8 cm，加熱溫度為50 ℃，自然冷卻溫度為18 ℃，工質(zhì)為甲醇的情況下，進行等溫性測試，記錄不同管徑熱管穩(wěn)定運行后20 min內(nèi)各測點的壁溫均值。

圖6所示為不同管徑熱管同一立管不同高度處的溫度分布。由圖6可知，隨著熱管高度的增加，不同管徑熱管的溫度均逐漸降低且溫度梯度逐漸增加。隨著熱管管徑的增加，熱管沿縱向溫度的下降幅度增大，壁面溫度分布的均勻性降低。4種管徑熱管中，2 mm管徑熱管的縱向溫差最大為0.61 ℃，8 mm管徑熱管的縱向溫差最大為1.89 ℃。因熱管管徑較小時，熱管內(nèi)存在脈動現(xiàn)象，管內(nèi)蒸氣速度較大，可以破壞壁面處的液膜，并且使熱量更容易傳遞到熱管頂端。隨著熱管管徑的增加，管內(nèi)脈動現(xiàn)象逐漸減弱甚至消失，熱管內(nèi)蒸氣速度降低，熱量向上傳遞能力減弱。

圖6 不同管徑熱管的縱向溫度分布Fig.6 The longitudinal temperature distribution of different diameter heat pipe

圖7所示為不同管徑熱管上不同立管相同高度處的等溫性。由圖7可知，熱管上不同立管具有良好的等溫性。不同管徑熱管在靠近熱管外側(cè)的立管壁面溫度均相對較低，靠近中心處立管的溫度均相對較高。因底部橫管的存在，在橫管產(chǎn)生氣泡后更易沿中心處的橫管上升到熱管頂端。隨著熱管管徑的增加，不同立管的等溫性逐漸下降，其中2 mm管徑熱管的最大溫差為0.35 ℃，8 mm管徑熱管的最大溫差為0.56 ℃。

結(jié)合圖6和圖7可以看出，并聯(lián)式脈動熱管在縱向和橫向均具有良好的等溫性，且均隨著熱管管徑的增大等溫性逐漸降低。

圖7 不同管徑熱管的橫向溫度分布Fig.7 The transverse temperature distribution of different diameter heat pipe

2.3 熱管的傳熱量

熱管的傳熱量測試采用兩種飽和溫度的不同工質(zhì)，甲醇和R600a。熱管充液高度為6 cm，管內(nèi)初始壓力分別為0.02 MPa和0.25 MPa(對應(yīng)工質(zhì)的飽和溫度分別為30 ℃和14 ℃)。由于飽和溫度不同，熱管工質(zhì)為甲醇時的加熱溫度為35～50 ℃，而工質(zhì)為R600a時的加熱溫度為25～40 ℃，測試溫度區(qū)間均為3 ℃。將冷卻水槽封閉并進行保溫處理。對熱管加熱段長度分別為30、25、20 cm進行測試，待熱管運行穩(wěn)定一段時間后，測試冷卻水進出口水溫和流量，根據(jù)進出口溫差的平均值和流量計算得到熱管的傳熱量。圖8所示為甲醇作為工質(zhì)時，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算出的熱管傳熱量?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，熱管傳熱量總體呈上升趨勢。當(dāng)加熱溫度低于40 ℃時，傳熱量較低，此時蒸發(fā)段內(nèi)以自然對流換熱為主，工質(zhì)沸騰量較小。當(dāng)加熱溫度大于40 ℃，隨著壁面過熱度的增大，傳熱量有了較大幅度的提升，此時管內(nèi)工質(zhì)由自然對流轉(zhuǎn)為泡態(tài)沸騰甚至更為劇烈的核態(tài)沸騰。當(dāng)加熱溫度達到47 ℃時，隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，傳熱量基本不再增加。在測試的蒸發(fā)段長度范圍內(nèi)，隨著蒸發(fā)段長度的增加熱管傳熱量逐漸下降。

圖9所示為熱管工質(zhì)為R600a時的傳熱量隨加熱溫度的變化。由圖9可知，熱管工質(zhì)為R600a時傳熱量變化呈現(xiàn)出與工質(zhì)為甲醇時不同的變化規(guī)律。隨著加熱溫度的升高，熱管傳熱量逐漸增加，在加熱溫度達到30 ℃后隨著加熱溫度的進一步增大，熱管傳熱量逐漸減小。因熱管在初始壓力0.25 MPa下的飽和溫度為14 ℃，在25 ℃的加熱溫度下熱管蒸發(fā)段已具有較大的過熱度。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，過熱度逐漸增大，傳熱量上升較快，當(dāng)加熱溫度達到 31 ℃時傳熱量達到最大值。隨著加熱溫度的再次升高，過熱度進一步增大，導(dǎo)致蒸氣溫度過高，上升速度過快，冷凝段的下降液膜被撕裂，轉(zhuǎn)變?yōu)橄?，造成冷凝段無法持續(xù)有效的回流，蒸發(fā)段出現(xiàn)干涸導(dǎo)致熱管的傳熱性能下降，此時Nusselt的層流膜狀凝結(jié)理論已不再適用，導(dǎo)致熱管內(nèi)出現(xiàn)傳熱量回落的現(xiàn)象。

圖8 不同工況下工質(zhì)為甲醇的熱管傳熱量Fig.8 The heat transfer of the heat pipe with methanol as refrigerant under different conditions

圖9 不同工況下工質(zhì)為R600a的熱管傳熱量Fig.9 The heat transfer of the heat pipe with R600a as refrigerant under different conditions

從圖8和圖9可以看出，過熱度相同條件下，R600a的傳熱量大于甲醇，因R600a具有較高的汽化潛熱。測試范圍內(nèi)，隨著熱管加熱長度的減小，熱管的傳熱量呈上升趨勢。在熱管工質(zhì)為R600a時，隨著蒸發(fā)段長度的減小，在過熱沸騰的工況下傳熱有所改善，緩解了過熱度過大的影響。因隨著熱管蒸發(fā)段長度的減少，蒸發(fā)段液膜長度降低，液膜能更好的回流到蒸發(fā)段，使換熱得到強化。

3 結(jié)論

本文測試了甲醇作為工質(zhì)時不同冷卻方式、加熱和冷卻工況、充液率對熱管啟動性能的影響以及熱管的等溫性。在熱管工質(zhì)分別為甲醇和R600a時測試了熱管在不同加熱溫度和加熱長度時的傳熱量，并確定熱管的最優(yōu)工況，為熱管的設(shè)計和選用提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1)冷凝段采用水冷時熱管的啟動性能優(yōu)于采用自然冷卻；較高的加熱溫度和較低的冷卻溫度有利于熱管啟動；隨著充液量的增加，熱管的啟動時間增加，壁面溫度降低。

2)并聯(lián)脈動式熱管在縱向和橫向均具有良好的等溫性，就本研究而言，隨著管徑的增加(2、4、6、8 mm)，縱向最大溫差由0.61 ℃增至1.89 ℃，橫向最大溫差由0.35 ℃增至0.56 ℃，熱管縱向和橫向的等溫性均隨著熱管管徑的增大而逐漸降低。

3)測試條件下，甲醇作為工質(zhì)時隨著加熱溫度的升高，熱管傳熱量逐漸增加后趨于平緩，加熱溫度為47 ℃時傳熱量最大。工質(zhì)為R600a時，隨著加熱溫度的升高，傳熱量逐漸增加，當(dāng)過熱度過高時會導(dǎo)致熱管傳熱量下降，加熱溫度達到31 ℃時傳熱量最大。隨著加熱長度的減小(30、25、20 cm)，熱管的傳熱量呈上升趨勢，因此，減小蒸發(fā)段長度可緩解過熱度過高造成的不利影響。

本文受安徽省高校自然科學(xué)研究重大項目(KJ2015ZD20)和國家安全監(jiān)管總局安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項目(anhui-0003-2016AQ)資助。(The project was supported by the Major Program University Science Research Project of Anhui Province(No.KJ2015ZD20) and the Key Technologies of Safety Accident Prevention and Control with State Administration of Work Safety Supervision (No.anhui-0003-2016AQ).)

[1] 唐鑫, 張華, 沙麗麗, 等. 脈動熱管實驗與理論研究進展[J]. 制冷學(xué)報, 2013, 34(1): 1-9. (TANG Xin, ZHANG Hua, SHA Lili, et al. Development of experimental and theoretical study on pulsating heat pipe[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(1): 1-9.)

[2] 牛志愿, 張偉. 脈動熱管應(yīng)用技術(shù)研究進展[J]. 節(jié)能技術(shù), 2014, 32(1): 22-27. (NIU Zhiyuan, ZHANG Wei. Advances in the application technology of pulsating heat pipe[J]. Energy Conservation Technology, 2014, 32(1): 22-27.)

[3] CHAROENSAWAN P, TERDTOON P. Thermal performance of horizontal closed-loop oscillating heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(5/6): 460-466.

[4] YANG Honghai, KHANDEKAR S, GROLL M. Operational limit of closed loop pulsating heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2008, 28(1): 49-59.

[5] LIPS S, BENSALEM A, BERTIN Y, et al. Experimental evidences of distinct heat transfer regimes in pulsating heat pipes (PHP)[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(8/9): 900-907.

[6] YANG Honghai, KHANDEKAR S, GROLL M. Performance characteristics of pulsating heat pipes as integral thermal spreaders[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2009, 48(4): 815-824.

[7] 隋緣, 崔曉鈺, 韓華, 等. 水-乙醇混合工質(zhì)振蕩熱管的傳熱特性研究[J]. 制冷學(xué)報, 2014, 35(3), 50-57. (SUI Yuan, CUI Xiaoyu, HAN Hua, et al. Experimental study on thermal performance of pulsating heat pipe with aqueous ethanol fluids[J]. Journal of Refrigeration, 2014, 35(3), 50-57.)

[8] 劉利華.閉式環(huán)路型自激振蕩熱管的實驗研究進展[J].制冷學(xué)報, 2008, 29(1):1-7.(LIU Lihua. Experimental study on close loop self-oscillating heat pipe:A state-of-the-art review[J]. Journal of Refrigeration, 2008, 29(1):1-7.)

[9] 劉利華, 張光玉, 姜守忠, 等. 定壁溫閉式環(huán)路型自激振蕩熱管傳熱性能的實驗研究[J]. 流體機械, 2008, 36(4): 58-62. (LIU Lihua, ZHANG Guangyu, JIANG Shouzhong, et al. Experiment investigation on heat transfer of close loop self-oscillating heat pipe at constant temperature condition[J]. Fluid Machinery, 2008, 36(4): 58-62.

[10] LI Qiming, JIANG Zou, ZHEN Yang, et al. Visualization of two-phase flows in nanofluid oscillating heat pipes[J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(5):746-758.

[11] BHUMAKIETKUMJOHN N, RITTIDECH S. Internal flow patterns on heat transfer characteristics of a closed-loop oscillating heat-pipe with check valves using ethanol and a silver nano-ethanol mixture[J]. Experimental Thermal and Fluid Science, 2010, 34(8):1000-1007.

[12] 王宇, 李惟毅.多通道并聯(lián)回路型脈動熱管運行特性的試驗研究[J].動力工程學(xué)報, 2011, 31(4)：273-278.(WANG Yu, LI Weiyi. Operation performance of a closed loop pulsating heat pipe with parallel channels[J]. Journal of Power Engineering, 2011, 31(4):273-278.)

[13] 梁玉輝, 李惟毅, 史維秀.傾角及充液率對并聯(lián)式脈動熱管傳熱性能的影響[J].化工學(xué)報, 2011, 62(Suppl.2)：46-51. (LIANG Yuhui, LI Weiyi, SHI Weixiu. Effect of inclination angle and liquid ratio inclination on heat transfer characteristics of parallel type pulsating heat pipe[J]. CIESC Journal, 2011, 62(Suppl.2):46-51.)

[14] 史維秀, 李惟毅, 潘利多.多通路并聯(lián)回路板式脈動熱管可視化及啟動性能試驗研究[J].機械工程學(xué)報, 2014, 50(4)：155-161. (SHI Weixiu, LI Weiyi, PAN Liduo. Experiment study on visualization and start-up performance of closed loop plate pulsating heat pipe with parallel channels[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(4):155-161.)

[15] CHAROENSAWAN P, KHANDEKARB S, GROLLB M, et al. Closed loop pulsating heat pipes: Part A: parametric experimental investigations[J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(16):2009-2020.

[16] 馬永錫,張紅.低于臨界通道彎數(shù)振蕩熱管的傳熱特性[J].北京化工大學(xué)學(xué)報,2005, 32(4)：87-90. (MA Yongxi, ZHANG Hong. Heat transfer characteristic of oscillating heat pipes with under-critical turns[J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology, 2005, 32(4):87-90.)