微管徑并聯(lián)分離式熱管可視化實驗研究

張志剛，齊 航

（天津城建大學(xué) 能源與安全工程學(xué)院，天津 300384）

熱管是一種高效的傳熱設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)簡單，且具有良好的等溫性、熱阻以及熱流密度可變等特性，被廣泛應(yīng)用于能源、航天、化工等領(lǐng)域[1].熱管內(nèi)工質(zhì)的流動屬于有限空間的汽液兩相流，流動狀態(tài)復(fù)雜.近年來，人們開始使用許多可視化工具，例如：數(shù)碼相機、高速攝像儀以及相機用光學(xué)顯微鏡，實現(xiàn)對工質(zhì)流動狀態(tài)的觀察與研究[2].

Wong和Kao[3]采用光學(xué)相機對帶吸液芯熱管的管內(nèi)蒸發(fā)和沸騰過程進行研究，實驗發(fā)現(xiàn)在高熱流密度下，液膜在蒸發(fā)段內(nèi)逐漸變薄甚至出現(xiàn)局部干涸.Khodabandeh等[4]研究了熱虹吸式熱管流動不穩(wěn)定性和傳熱特性與幾何尺寸、熱流密度之間的關(guān)系.結(jié)果表明，在高熱流密度且熱管管徑很小時，工質(zhì)在管內(nèi)出現(xiàn)的流型較復(fù)雜.由于驅(qū)動力不足，傳統(tǒng)形式的重力熱管和環(huán)形熱虹吸管的冷凝回流液在管內(nèi)壁上均出現(xiàn)了停滯現(xiàn)象.Faghri等[5]通過實驗研究了兩種不同工質(zhì)的環(huán)形熱虹吸管熱力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)由于受到熱管各種傳熱極限的限制，加熱溫度越高，壁面溫度波動越明顯.由于熱管內(nèi)部復(fù)雜的兩相流特征，以及各種傳熱極限的存在，對熱管進行可視化研究變得至關(guān)重要，且通過對流型的觀察可為后續(xù)的理論建模和模型分析提供依據(jù).

考慮到熱管應(yīng)用于墻體[6-7]，需采用管徑為毫米級的熱管.因熱管尺寸的縮小，工質(zhì)在有限空間內(nèi)的相變換熱及流動狀況受到管徑尺寸的影響而呈現(xiàn)出不同的特點.因此本文對微管徑并聯(lián)分離式熱管進行可視化研究，實現(xiàn)對不同工況下蒸發(fā)段管內(nèi)流型的分析與確定.在此基礎(chǔ)上，研究不同流態(tài)下熱管傳熱量及熱管傳熱熱阻的變化.

1 并聯(lián)分離式熱管可視化實驗

本文研究的熱管管徑為毫米級，且區(qū)別于單根熱管，更接近一種熱管換熱器的形式.實驗系統(tǒng)原理如圖1所示.實驗裝置由熱管加熱冷卻系統(tǒng)、實驗測量系統(tǒng)以及真空充注系統(tǒng)三部分組成.

加熱冷卻系統(tǒng)由具有雙視透明窗的兩個恒溫水箱組成，通過透明的玻璃熱管探究管徑為毫米級的熱管內(nèi)部氣液兩相流的流動特征；實驗測量系統(tǒng)采用標(biāo)定后的K型銅－鎳鉻熱電偶進行布點測溫，并通過Aglient 34970A進行溫度數(shù)據(jù)的采集、傳輸及存儲；真空充注系統(tǒng)是由真空泵、真空表及充液裝置組成.

圖1 實驗系統(tǒng)原理

系統(tǒng)采用可視化實驗裝置，如圖2所示，實現(xiàn)管內(nèi)流型的觀察與分析：管柵上部為冷凝段，下部為蒸發(fā)段，均由7根透明玻璃立管組成（內(nèi)徑4 mm、外徑8 mm）.蒸發(fā)段和冷凝段長度均為210 mm.在冷凝段布置8個熱電偶，絕熱段布置4個熱電偶.實驗時蒸發(fā)段和冷凝段分別放置在兩個帶有可視化窗口的水浴箱中.通過測量冷凝段壁溫、傳熱量以及加熱溫度等參數(shù)，分析不同流態(tài)下并聯(lián)分離式熱管的傳熱特性.冷凝段分為自然冷卻和水冷兩種形式：自然冷卻為將冷凝段直接放置在室內(nèi)空氣中，通過空氣對流冷卻；水冷即將熱管置于初始水溫為18℃的水浴箱中，通過測定冷卻水進出口溫差和循環(huán)水量，確定熱管的傳熱量.

圖2 熱管結(jié)構(gòu)形式及測點分布

2 分離式微管徑熱管流型

多相流動中，相界面的空間分布形式稱為流型，氣液兩相流動是多相流動中最常見的流動形態(tài).流型的確定和劃分是所有兩相流研究的前提，是研究傳熱不穩(wěn)定性的重要依據(jù).通過可視化實驗發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)分離式熱管內(nèi)工質(zhì)的流型如圖3所示，大致分為四種[8]：波動流、氣彈狀流、塞狀流、振蕩流.

（1）蒸發(fā)段加熱溫度影響管內(nèi)的蒸汽壓力和蒸汽流動.加熱溫度較低時，熱管長時間處于波動流狀態(tài)，換熱系數(shù)很小，此種情況可視為熱管的非啟動狀態(tài)（見圖3a）.隨著加熱溫度升高，熱管內(nèi)工質(zhì)發(fā)生從圖3a至圖3d的流態(tài)轉(zhuǎn)變.熱管加熱溫度達到45℃左右時，出現(xiàn)振蕩流態(tài)（見圖3d）.

（2）冷凝段傳熱能力影響振蕩流態(tài)的間歇時間.熱管振蕩流是一種間歇振蕩的運行狀態(tài)，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是工質(zhì)在冷凝段冷凝回流需要一定的時間，當(dāng)冷凝液膜沿管壁流回蒸發(fā)段后，下一個循環(huán)才開啟.而且充液率不同間隔時間也不盡相同.隨著充液率在一定范圍內(nèi)的增加，間歇時間會隨之縮短.

（3）充液率高低對管內(nèi)流態(tài)有決定性影響.低充液率下液池易干涸，很難維持正常的蒸發(fā)量，提高充液率可有效避免干涸極限的出現(xiàn)；同時充液率的增加會使管內(nèi)工質(zhì)沸騰所需過熱度提高，充液率越高熱管內(nèi)工質(zhì)出現(xiàn)流型轉(zhuǎn)變所需的時間越長.但充液率過高，汽液混合物將進入蒸汽上升管，致使熱管無法實現(xiàn)良好循環(huán).

圖3 管內(nèi)流型圖

本文采用了毫米級的并聯(lián)分離式熱管，因此會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象.要使汽、液塞在重力和表面張力的作用下共存，且不會因管徑過小毛細阻力過大，影響工質(zhì)的振蕩傳熱效果，其管徑需在一定的范圍內(nèi)[9]，其表達式為

式中：σ為工質(zhì)表面張力，N/m；ρl為工質(zhì)液相密度，kg/m3；ρv為工質(zhì)氣相密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2.由公式（1）計算得到四種工質(zhì)振蕩流態(tài)形成的臨界微管徑尺寸（內(nèi)徑）在3～6 mm間，如圖4所示.

圖4 熱管振蕩流臨界直徑

3 分離式熱管傳熱特性分析

3.1 熱管傳熱量

對熱管熱量傳輸分析可知，熱管經(jīng)過了一系列導(dǎo)熱和對流換熱過程，包括從熱源到管壁、管壁到工質(zhì)、工質(zhì)的流動、工質(zhì)到管壁再到冷源.取加熱溫度35～50℃的6個溫度工況進行測試，充液率為75%.待熱管穩(wěn)定工作后，測出15 min的循環(huán)水流量和冷卻水進出口水溫差，計算得到熱管的傳熱量.

不同加熱溫度下熱管傳熱量及流型轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D5所示：隨加熱溫度的升高，熱管蒸發(fā)段流型由波動流到振蕩流轉(zhuǎn)變，傳熱量總體上升.當(dāng)加熱溫度低于40℃時，蒸發(fā)段內(nèi)以自然對流為主，工質(zhì)的沸騰較弱，傳熱量低；隨著管壁的過熱度增大，管內(nèi)工質(zhì)逐漸變?yōu)閯×业暮藨B(tài)沸騰，傳熱量有較大幅度的提升.但當(dāng)加熱溫度過高時（大于48℃），傳熱量變化趨于平緩.

圖5 熱管流型及傳熱量曲線

3.2 熱管傳熱熱阻

分析熱管傳熱特性時應(yīng)采用熱管蒸發(fā)段和冷凝段的內(nèi)壁溫度tei、tci，而熱電偶是緊貼在玻璃管外壁，因此需由相應(yīng)的外壁溫度teo、tco，按一維導(dǎo)熱公式計算得到的沿管壁厚度上的溫降來做出修正[10].蒸發(fā)段內(nèi)壁溫度為

冷凝段內(nèi)壁溫度為

式中：λ為玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)，0.76 W/（m·K）；do為熱管外徑，mm；di為熱管內(nèi)徑，mm.用此公式修正后得到的熱管內(nèi)壁溫度值，作為系統(tǒng)加熱溫度和冷凝溫度.Qr為熱管徑向吸熱量，絕熱段經(jīng)保溫處理，忽略散熱損失，近似認(rèn)為Qr=Qe=Qc；Qe為蒸發(fā)段傳熱量；Qc為冷凝段放熱量.

熱管傳熱熱阻：反映單位傳熱量所需的傳熱溫差，由下式定義[11]為

圖6為不同加熱溫度條件下熱管冷凝段外壁面溫度和傳熱熱阻變化情況.從圖中可以看出：加熱溫度越高，冷凝段溫升速度越快，且冷凝段壁面溫度隨加熱時間增長而逐漸趨于穩(wěn)定.當(dāng)加熱溫度為35～50℃時，熱管內(nèi)傳熱熱阻在0.3～0.55℃/w范圍內(nèi)變化，平均傳熱熱阻為0.43℃/w.在35～45℃溫度區(qū)間內(nèi)熱管傳熱熱阻逐漸下降，即輸送單位熱量所需溫差減小；同時傳熱熱阻值又受到熱管冷凝能力的影響，當(dāng)冷凝段冷凝能力達到極限后，蒸發(fā)段加熱溫度繼續(xù)升高，熱管熱阻值又會有所上升（即冷凝段散熱量不再增加）.由圖5和圖6綜合分析可知，當(dāng)加熱溫度在45℃左右時，熱管傳熱量較大，且此時傳熱熱阻最小.

圖6 不同加熱溫度的冷凝段壁溫及傳熱熱阻變化

4 結(jié)論

通過對熱管置入式墻體中并聯(lián)分離式熱管的工質(zhì)流型和傳熱特性分析研究，可以得到下列結(jié)論.

（1）對于微管徑并聯(lián)分離式熱管，蒸發(fā)段加熱溫度在35～50℃范圍內(nèi)變化時，熱管內(nèi)工質(zhì)的流態(tài)大致有四種形式：波動流、氣彈狀流、塞狀流和振蕩流.實驗發(fā)現(xiàn)由于熱管管徑為毫米級，此時重力與表面張力同時作用，因此熱管內(nèi)工質(zhì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象.

（2）微管徑并聯(lián)分離式熱管傳熱量隨加熱溫度升高逐漸增加，在振蕩流態(tài)下傳熱量達到最大值.在塞狀流向振蕩流轉(zhuǎn)變的區(qū)域，傳熱量變化幅度較大，此時管內(nèi)工質(zhì)實現(xiàn)了從穩(wěn)定的對流換熱向劇烈沸騰換熱的轉(zhuǎn)變.

（3）熱管冷凝段內(nèi)壁溫升速率的高低與蒸發(fā)段加熱溫度呈正相關(guān)，隨加熱時間增長，熱管冷凝段溫度趨于平穩(wěn).加熱溫度在35～50℃之間時，熱管傳熱熱阻在0.3～0.55℃/W范圍內(nèi)變化，平均傳熱熱阻為0.43℃/W.隨加熱溫度升高管內(nèi)熱阻呈現(xiàn)先下降后上升的特性，加熱溫度45℃時為熱阻變化轉(zhuǎn)折點，即該溫度下熱管熱阻較小且可獲得較大傳熱量.