夏波 姚慧聰 楊重陽(yáng) 朱躍釗

南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

重力熱管是一種高效的兩相傳熱設(shè)備，具有超高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性及結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，在太陽(yáng)能熱利用、余熱回收等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。熱管通過(guò)內(nèi)部工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝相變過(guò)程進(jìn)行傳熱，其傳熱傳質(zhì)機(jī)理極為復(fù)雜。研究重力熱管內(nèi)工質(zhì)的相變和兩相流動(dòng)特性，對(duì)熱管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改善有重要意義[4-5]。在不同工況下，熱管內(nèi)部工質(zhì)表現(xiàn)出不同的沸騰和流動(dòng)行為，間歇沸騰是重力熱管傳熱中比較常見(jiàn)的一種運(yùn)行機(jī)制[6-7]。H.Kuncoro 等[8]通過(guò)對(duì)熱虹吸管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了間歇沸騰的兩種運(yùn)行機(jī)制，在底部產(chǎn)生很高的過(guò)熱度，加速氣泡膨脹導(dǎo)致間歇沸騰。沒(méi)有過(guò)熱度產(chǎn)生，但是壁面和液體的溫度達(dá)到了臨界值，自發(fā)排出導(dǎo)致間歇沸騰。

可視化實(shí)驗(yàn)可直觀地展示熱管內(nèi)部?jī)上嗔?，是揭示其傳熱機(jī)制的一種有效手段。Jinbo Chen[9]通過(guò)可視化手段研究無(wú)循環(huán)封閉系統(tǒng)的間歇沸騰特性，結(jié)果表明間歇沸騰可分為沸騰、噴發(fā)、再填充三個(gè)階段，沸騰流型可以分為氣泡流，段塞流，攪動(dòng)流及環(huán)狀流四類，并分析每種流型的溫度波動(dòng)，間歇沸騰的周期和強(qiáng)度隨著輸入功率的增加而減小，隨著冷卻劑的儲(chǔ)存量及溫度的減小而減小。M.SHIRAISHI[10]拍攝不同傾角下管內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)傾角90°時(shí)，表現(xiàn)為環(huán)狀流，蒸發(fā)器上部會(huì)出現(xiàn)局部干涸甚至永久干涸。而在傾角小時(shí)則表現(xiàn)為層狀流，且在層狀流時(shí)，蒸發(fā)器會(huì)出現(xiàn)干涸，此時(shí)傳熱效率變大。

本文基于玻璃-金屬封接技術(shù)，構(gòu)建了可視化重力熱管，搭建其兩相流特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，考察熱流密度、加熱高度、冷卻水溫度、充液量對(duì)熱管傳熱行為的影響，獲得熱管流型與傳熱特性的關(guān)聯(lián)，將進(jìn)一步豐富重力熱管兩相流傳熱機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

搭建的重力熱管傳熱性能可視化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(zhì)，采用抽真空法生成熱管。

圖1 熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

重力熱管傳熱性能可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括加熱系統(tǒng)，冷凝系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及拍攝系統(tǒng)。鎳鉻絲穿過(guò)陶瓷管緊密纏繞在蒸發(fā)段，使其達(dá)到加熱均勻的目的，通過(guò)改變鎳鉻絲的纏繞高度進(jìn)行調(diào)整加熱高度，采用直流電源改變輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)加熱功率。冷凝段通過(guò)纏繞致密的銅管，銅管內(nèi)的冷卻水通過(guò)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng)循環(huán)，其溫度采用恒溫浴槽調(diào)控。熱管壁面溫度與冷卻水的溫度通過(guò)T 型熱電偶監(jiān)測(cè)，使用多路溫度巡檢儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄溫度數(shù)據(jù)。拍攝系統(tǒng)通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝熱管穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下內(nèi)部工質(zhì)相變行為及兩相流動(dòng)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置的具體型號(hào)與參數(shù)如表1 所示。

表1 測(cè)試裝置的參數(shù)

1.2 測(cè)試條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)定冷凝段長(zhǎng)度200 mm，通過(guò)蠕動(dòng)泵控制冷卻水流速300 ml/min。具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件如表2所示。為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行流量標(biāo)定，確保冷卻水流速的誤差在0.1%以內(nèi)。對(duì)所有的熱電偶進(jìn)行了校準(zhǔn)和標(biāo)定，保證所有的熱電偶的誤差均在±0.1℃以內(nèi)。取熱管穩(wěn)定運(yùn)行后20 min 的數(shù)據(jù)做平均值。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件

重力熱管的性能的評(píng)價(jià)方法可采用系統(tǒng)總熱阻，計(jì)算公式如下式所示：

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

2 結(jié)果與分析

2.1 充液量對(duì)兩相流型的影響

圖2 和圖3 分別是充液50 mm 重力熱管內(nèi)部的相變行為和相對(duì)應(yīng)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(duì)流傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇沸騰傳熱，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)檫^(guò)渡沸騰傳熱，最后達(dá)到核態(tài)沸騰。當(dāng)熱管在低熱流密度工況下加熱時(shí)，液池底部產(chǎn)生氣泡并迅速增長(zhǎng)，氣泡生長(zhǎng)攜帶部分工質(zhì)向上運(yùn)動(dòng)，蒸汽空間變小，氣泡在蒸汽空間的擠壓下炸裂，工質(zhì)在氣泡炸裂的驅(qū)動(dòng)力下升至熱管頂端，然后在重力的作用下回流至至蒸發(fā)段，引起液池的劇烈波動(dòng)，形成一個(gè)間歇沸騰周期。由圖3 可得，熱管各位置的溫度同樣出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，并且隨著熱流密度的增加，溫度波動(dòng)幅度減小，但頻率增加。這是由于氣泡的生長(zhǎng)吸收大量的能量，因此蒸發(fā)段溫度降低，而被氣泡攜帶上升的工質(zhì)引起絕熱段和冷凝段溫度上升，工質(zhì)回流至蒸發(fā)段后，絕熱段和冷凝段的溫度降低，蒸發(fā)段繼續(xù)吸收熱量，溫度上升，形成一個(gè)溫度波動(dòng)周期。當(dāng)進(jìn)一步增加熱流密時(shí)，間歇沸騰氣泡產(chǎn)生的位置上移，氣泡上升過(guò)程中攜帶的工質(zhì)減少，并且氣泡生成的頻率加快，強(qiáng)度減小，導(dǎo)致間歇周期縮短，溫度波動(dòng)幅度減小。繼續(xù)增加熱流密度，氣泡在脫離液池時(shí)所攜帶的工質(zhì)量很少，形成一個(gè)與內(nèi)壁等大的圓形液膜，在蒸汽壓的作用下向上運(yùn)動(dòng)，氣泡產(chǎn)生的頻率會(huì)隨著熱流密度的增加而增加。此時(shí)對(duì)應(yīng)的熱管壁面溫度逐漸趨于穩(wěn)定。在熱流密度31.8 kW/m2，液池連續(xù)不斷地生成氣泡，冷凝段沒(méi)有出現(xiàn)工質(zhì)攜帶現(xiàn)象，熱管進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，整體的溫度穩(wěn)定，基本沒(méi)有波動(dòng)。

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(shí)，重力熱管從對(duì)流換熱轉(zhuǎn)向間歇沸騰，在10.94 kW/m2時(shí)，重力熱管進(jìn)入過(guò)渡沸騰階段，此時(shí)液池像間歇沸騰時(shí)產(chǎn)生氣泡并迅速增長(zhǎng)，但工質(zhì)并未隨著氣泡的生長(zhǎng)向上運(yùn)動(dòng)，而是在管壁形成環(huán)狀液膜向液池回流，因此氣泡在生長(zhǎng)至某一高度后，僅剩一層圓形液膜向上運(yùn)動(dòng)。繼續(xù)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(fā)段的溫度波動(dòng)幅度減小，頻率增加。重力熱管在熱流密度16.91 kW/m2時(shí)進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，沸騰劇烈，溫度穩(wěn)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(fù)雜，在間歇沸騰階段，氣泡迅速增長(zhǎng)并攜帶部分工質(zhì)上升至熱管最頂端，工質(zhì)回流至蒸發(fā)段，引起液池的劇烈波動(dòng)，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(dòng)非常劇烈且復(fù)雜。繼續(xù)增加熱流密度，間歇沸騰大氣泡生成的位置向下移動(dòng)，且生長(zhǎng)所攜帶的工質(zhì)更多，回流對(duì)液池的擾動(dòng)更加劇烈，生成非常多的小氣泡。在熱流密度7.96 kW/m2時(shí)，液池生成氣泡并迅速生長(zhǎng)，但氣泡強(qiáng)度減弱，攜帶的工質(zhì)在管壁形成環(huán)狀液膜回流至液池，氣泡在蒸汽空間的壓力下炸裂，而此時(shí)液池的上部生成許多小氣泡，擾動(dòng)劇烈，在此流型既有間歇式的溫度波動(dòng)，又有穩(wěn)定的溫度輸出。在11.37 kW/m2時(shí)，重力熱管進(jìn)入核態(tài)沸騰階段。

對(duì)比3 根重力熱管，充液高度越高，核態(tài)沸騰階段液池因?yàn)闅馀輸_動(dòng)上升的高度越高，因?yàn)闅馀菰谏仙^(guò)程中生長(zhǎng)，充液高度越高，氣泡在脫離液池時(shí)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(duì)傳熱性能的影響

圖8 是加熱高度與充液高度相同時(shí)，不同充液高度重力熱管在冷卻水溫度58 ℃時(shí)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(shí)，熱重力熱管內(nèi)部的兩相流模式是對(duì)流換熱，隨著熱流密度的增加，兩相流模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇沸騰及核態(tài)沸騰，蒸汽生成的速度加快，熱傳導(dǎo)的能力增強(qiáng)，所以熱阻會(huì)隨著熱流密度的增加而減小。從上文熱管的內(nèi)部工質(zhì)相變行為可知，在過(guò)渡沸騰階段，充液50 mm 和90 mm 的重力熱管會(huì)生成圓形液膜，充液140 mm 的重力熱管生成許多小氣泡，增強(qiáng)對(duì)液池的擾動(dòng)且可以生產(chǎn)更多的蒸汽，提高了熱管的導(dǎo)熱能力。在核態(tài)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(dǎo)能力越強(qiáng)。

圖8 加熱高度與充液高度相同時(shí)重力熱管的熱阻

2.3 冷卻水溫度對(duì)傳熱性能的影響

為了考察冷卻水溫度對(duì)傳熱性能的影響，在充液高度為50 mm，加熱高度為50 mm 的測(cè)試條件下，對(duì)熱管進(jìn)行不同冷卻水溫度18～58 ℃的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，計(jì)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(duì)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(duì)傳熱熱阻的影響變得越來(lái)越小。圖10 所示加熱功率為65 W 時(shí)的壁面溫度分布，冷卻水溫度對(duì)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(nèi)，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(shí)的壁面溫度

2.4 加熱高度對(duì)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(jù)熱阻的定義，熱阻與蒸發(fā)段冷凝段的溫差及輸入功率有關(guān)，在相同的輸入功率下，蒸發(fā)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(shí)，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(fā)段的溫度隨著加熱高度的增加而減小，冷凝段的溫度會(huì)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(dǎo)的熱量隨著溫差的減小而減少，冷凝段與蒸發(fā)段的溫差越小，所以在3 個(gè)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(jié)論

1）通過(guò)可視化手段揭示不同充液量的重力熱管在間歇沸騰，過(guò)渡沸騰及核態(tài)沸騰時(shí)的相變行為，并結(jié)合溫度曲線圖，分析不同流型對(duì)溫度波動(dòng)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(qiáng)。

2）在同一加熱高度下，熱阻會(huì)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(duì)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。