重力熱管兩相傳熱行為可視化實驗研究

夏波 姚慧聰 楊重陽 朱躍釗

南京工業(yè)大學機械與動力工程學院

0 引言

重力熱管是一種高效的兩相傳熱設備，具有超高的導熱性、優(yōu)良的等溫性及結構緊湊的特點，在太陽能熱利用、余熱回收等領域得到了廣泛應用[1-3]。熱管通過內部工質的蒸發(fā)和冷凝相變過程進行傳熱，其傳熱傳質機理極為復雜。研究重力熱管內工質的相變和兩相流動特性，對熱管的結構優(yōu)化和性能改善有重要意義[4-5]。在不同工況下，熱管內部工質表現(xiàn)出不同的沸騰和流動行為，間歇沸騰是重力熱管傳熱中比較常見的一種運行機制[6-7]。H.Kuncoro 等[8]通過對熱虹吸管進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)了間歇沸騰的兩種運行機制，在底部產生很高的過熱度，加速氣泡膨脹導致間歇沸騰。沒有過熱度產生，但是壁面和液體的溫度達到了臨界值，自發(fā)排出導致間歇沸騰。

可視化實驗可直觀地展示熱管內部兩相流，是揭示其傳熱機制的一種有效手段。Jinbo Chen[9]通過可視化手段研究無循環(huán)封閉系統(tǒng)的間歇沸騰特性，結果表明間歇沸騰可分為沸騰、噴發(fā)、再填充三個階段，沸騰流型可以分為氣泡流，段塞流，攪動流及環(huán)狀流四類，并分析每種流型的溫度波動，間歇沸騰的周期和強度隨著輸入功率的增加而減小，隨著冷卻劑的儲存量及溫度的減小而減小。M.SHIRAISHI[10]拍攝不同傾角下管內的流動現(xiàn)象，當傾角90°時，表現(xiàn)為環(huán)狀流，蒸發(fā)器上部會出現(xiàn)局部干涸甚至永久干涸。而在傾角小時則表現(xiàn)為層狀流，且在層狀流時，蒸發(fā)器會出現(xiàn)干涸，此時傳熱效率變大。

本文基于玻璃-金屬封接技術，構建了可視化重力熱管，搭建其兩相流特性實驗平臺，考察熱流密度、加熱高度、冷卻水溫度、充液量對熱管傳熱行為的影響，獲得熱管流型與傳熱特性的關聯(lián)，將進一步豐富重力熱管兩相流傳熱機理。

1 實驗過程

1.1 測試系統(tǒng)

搭建的重力熱管傳熱性能可視化實驗平臺如圖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，采用抽真空法生成熱管。

圖1 熱虹吸管傳熱性能實驗平臺

重力熱管傳熱性能可視化實驗系統(tǒng)主要包括加熱系統(tǒng)，冷凝系統(tǒng)，數(shù)據采集系統(tǒng)及拍攝系統(tǒng)。鎳鉻絲穿過陶瓷管緊密纏繞在蒸發(fā)段，使其達到加熱均勻的目的，通過改變鎳鉻絲的纏繞高度進行調整加熱高度，采用直流電源改變輸出電流進行調節(jié)加熱功率。冷凝段通過纏繞致密的銅管，銅管內的冷卻水通過蠕動泵驅動循環(huán)，其溫度采用恒溫浴槽調控。熱管壁面溫度與冷卻水的溫度通過T 型熱電偶監(jiān)測，使用多路溫度巡檢儀和計算機進行記錄溫度數(shù)據。拍攝系統(tǒng)通過高速攝像機拍攝熱管穩(wěn)定運行狀態(tài)下內部工質相變行為及兩相流動機制。實驗測試裝置的具體型號與參數(shù)如表1 所示。

表1 測試裝置的參數(shù)

1.2 測試條件

實驗設定冷凝段長度200 mm，通過蠕動泵控制冷卻水流速300 ml/min。具體的實驗測試條件如表2所示。為了保證實驗數(shù)據的準確性，在每次實驗開始前，對蠕動泵進行流量標定，確保冷卻水流速的誤差在0.1%以內。對所有的熱電偶進行了校準和標定，保證所有的熱電偶的誤差均在±0.1℃以內。取熱管穩(wěn)定運行后20 min 的數(shù)據做平均值。

表2 實驗測試條件

重力熱管的性能的評價方法可采用系統(tǒng)總熱阻，計算公式如下式所示：

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 結果與分析

2.1 充液量對兩相流型的影響

圖2 和圖3 分別是充液50 mm 重力熱管內部的相變行為和相對應的溫度曲線圖。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流傳熱轉變?yōu)殚g歇沸騰傳熱，進而轉變?yōu)檫^渡沸騰傳熱，最后達到核態(tài)沸騰。當熱管在低熱流密度工況下加熱時，液池底部產生氣泡并迅速增長，氣泡生長攜帶部分工質向上運動，蒸汽空間變小，氣泡在蒸汽空間的擠壓下炸裂，工質在氣泡炸裂的驅動力下升至熱管頂端，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，形成一個間歇沸騰周期。由圖3 可得，熱管各位置的溫度同樣出現(xiàn)周期性的波動，并且隨著熱流密度的增加，溫度波動幅度減小，但頻率增加。這是由于氣泡的生長吸收大量的能量，因此蒸發(fā)段溫度降低，而被氣泡攜帶上升的工質引起絕熱段和冷凝段溫度上升，工質回流至蒸發(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，形成一個溫度波動周期。當進一步增加熱流密時，間歇沸騰氣泡產生的位置上移，氣泡上升過程中攜帶的工質減少，并且氣泡生成的頻率加快，強度減小，導致間歇周期縮短，溫度波動幅度減小。繼續(xù)增加熱流密度，氣泡在脫離液池時所攜帶的工質量很少，形成一個與內壁等大的圓形液膜，在蒸汽壓的作用下向上運動，氣泡產生的頻率會隨著熱流密度的增加而增加。此時對應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，冷凝段沒有出現(xiàn)工質攜帶現(xiàn)象，熱管進入核態(tài)沸騰階段，整體的溫度穩(wěn)定，基本沒有波動。

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，重力熱管從對流換熱轉向間歇沸騰，在10.94 kW/m2時，重力熱管進入過渡沸騰階段，此時液池像間歇沸騰時產生氣泡并迅速增長，但工質并未隨著氣泡的生長向上運動，而是在管壁形成環(huán)狀液膜向液池回流，因此氣泡在生長至某一高度后，僅剩一層圓形液膜向上運動。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)段的溫度波動幅度減小，頻率增加。重力熱管在熱流密度16.91 kW/m2時進入核態(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雜，在間歇沸騰階段，氣泡迅速增長并攜帶部分工質上升至熱管最頂端，工質回流至蒸發(fā)段，引起液池的劇烈波動，液池生成許多氣泡，液池在氣泡的沖擊下不停震蕩，因此溫度波動非常劇烈且復雜。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，且生長所攜帶的工質更多，回流對液池的擾動更加劇烈，生成非常多的小氣泡。在熱流密度7.96 kW/m2時，液池生成氣泡并迅速生長，但氣泡強度減弱，攜帶的工質在管壁形成環(huán)狀液膜回流至液池，氣泡在蒸汽空間的壓力下炸裂，而此時液池的上部生成許多小氣泡，擾動劇烈，在此流型既有間歇式的溫度波動，又有穩(wěn)定的溫度輸出。在11.37 kW/m2時，重力熱管進入核態(tài)沸騰階段。

對比3 根重力熱管，充液高度越高，核態(tài)沸騰階段液池因為氣泡擾動上升的高度越高，因為氣泡在上升過程中生長，充液高度越高，氣泡在脫離液池時的尺寸越大，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 充液量對傳熱性能的影響

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

圖8 加熱高度與充液高度相同時重力熱管的熱阻

2.3 冷卻水溫度對傳熱性能的影響

為了考察冷卻水溫度對傳熱性能的影響，在充液高度為50 mm，加熱高度為50 mm 的測試條件下，對熱管進行不同冷卻水溫度18～58 ℃的實驗測試，計算熱阻如圖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，冷卻水溫度對傳熱熱阻的影響變得越來越小。圖10 所示加熱功率為65 W 時的壁面溫度分布，冷卻水溫度對壁溫的影響非常大，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，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 時的壁面溫度

2.4 加熱高度對傳熱性能的影響

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，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，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 結論

1）通過可視化手段揭示不同充液量的重力熱管在間歇沸騰，過渡沸騰及核態(tài)沸騰時的相變行為，并結合溫度曲線圖，分析不同流型對溫度波動的影響。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。

2）在同一加熱高度下，熱阻會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。