環(huán)路熱管熱傳輸性能的研究進(jìn)展

付玉榮

蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院

熱管是人們所知的最有效的傳熱元件之一，它可以通過(guò)較小的截面實(shí)現(xiàn)大量的熱量輸送而無(wú)需外加動(dòng)力，其導(dǎo)熱能力超過(guò)目前已知的任何金屬[1]。而環(huán)路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是在傳統(tǒng)熱管的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)發(fā)明的一種蒸發(fā)段與冷凝段分離的熱管裝置[2]，相較于傳統(tǒng)熱管具有以下優(yōu)點(diǎn)：1 ）系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器是分離的，熱源與熱沉之間可以柔性連接，管線布置不受結(jié)構(gòu)的限制，更加靈活。2）系統(tǒng)由于毛細(xì)芯抽吸力的存在，可反重力運(yùn)行，適用于一些復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境。3）環(huán)路熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)僅存在于蒸發(fā)器內(nèi)，汽液管線均為光滑內(nèi)壁面，相比于常規(guī)熱管，液體工質(zhì)流動(dòng)阻力大大減小，因而可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。鑒于此，目前LHP 系統(tǒng)已成為了整個(gè)熱管界研究的熱點(diǎn)，并廣泛應(yīng)用于航空航天、電子元器件散熱、余熱回收及太陽(yáng)能熱利用等方面[3-4]。

1 環(huán)路熱管

1.1 工作原理

傳統(tǒng)環(huán)路熱管一般由蒸發(fā)器，冷凝器，氣體管線及液體管線這四部分組成，蒸發(fā)器和冷凝器之間通過(guò)蒸汽管線和液體管線連通，形成封閉回路，其工作原理圖如圖1 所示。當(dāng)對(duì)蒸發(fā)器施加熱載荷時(shí)，液體工質(zhì)在毛細(xì)芯外表面蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽槽道流出，進(jìn)入蒸汽管線，在密度差的作用下進(jìn)入冷凝器中被冷凝成液體并保持一定的過(guò)冷度[5]，該過(guò)冷液體經(jīng)液體管線在毛細(xì)芯所產(chǎn)生的毛細(xì)壓力驅(qū)動(dòng)下回流進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行再次蒸發(fā)，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量交換輸送，整個(gè)過(guò)程無(wú)需外加動(dòng)力。

圖1 環(huán)路熱管工作原理圖

1.2 失敗模式

環(huán)路熱管的啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中存在著兩種失敗模式，一是“倒灌”，二是“燒干”[6] 。“倒灌”現(xiàn)象一般出現(xiàn)在環(huán)路熱管的啟動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)環(huán)路熱管正常啟動(dòng)時(shí)，一方面蒸發(fā)器吸熱，在毛細(xì)芯表面產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽在壓力差的驅(qū)動(dòng)下沿蒸汽槽道流出蒸發(fā)器；另一方面在毛細(xì)抽吸力的作用下從液體管線補(bǔ)入新的液體工質(zhì)。但當(dāng)蒸汽流動(dòng)受阻時(shí)，汽體工質(zhì)無(wú)法流出蒸發(fā)器，反被壓回毛細(xì)芯中，此時(shí)即出現(xiàn)蒸汽“倒灌”現(xiàn)象。倒灌蒸汽堵塞毛細(xì)結(jié)構(gòu)并阻礙液體工質(zhì)回流，導(dǎo)致工質(zhì)無(wú)法順利循環(huán)，環(huán)路熱管啟動(dòng)失敗。此外，若是LHP工作過(guò)程中運(yùn)行條件發(fā)生突變?nèi)缂訜峁β释蝗簧?，也?huì)導(dǎo)致“倒灌”現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得熱管停止工作?！盁伞蓖ǔ３霈F(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)環(huán)路熱管運(yùn)行時(shí)，隨著加熱功率的增加，毛細(xì)抽吸力的不足或系統(tǒng)充液率過(guò)低，導(dǎo)致毛細(xì)芯內(nèi)液體工質(zhì)減少至干涸，此時(shí)出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，使得蒸發(fā)器內(nèi)壁溫度急劇升高，LHP 不能正常工作甚至被損毀。

上述兩種失敗模式的出現(xiàn)歸根結(jié)底都是環(huán)路熱管的壓力控制失衡引起的。故在此引出環(huán)路熱管正常工作的必要條件：毛細(xì)結(jié)構(gòu)提供的最大毛細(xì)抽吸力大于或等于系統(tǒng)中流體完成循環(huán)的總壓降，如下式：

式中：(ΔPcap)max為毛細(xì)結(jié)構(gòu)所提供的最大有效毛細(xì)抽吸力，Pa；ΔPe為蒸發(fā)器內(nèi)壓力降，Pa；ΔPv汽體工質(zhì)在汽體管道內(nèi)的流動(dòng)壓力降，Pa；ΔPc是冷凝器內(nèi)壓力降，Pa；ΔPl是液體管線內(nèi)的流動(dòng)壓力降，Pa；ΔPg是重力壓降，Pa。

為使環(huán)路熱管順利啟動(dòng)并正常運(yùn)行，一方面需要優(yōu)化毛細(xì)結(jié)構(gòu)以提供盡可能大的毛細(xì)抽吸力，另一方面則要通過(guò)合理設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)中流體總壓降。為此，近年來(lái)各國(guó)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，下面將從蒸發(fā)器設(shè)計(jì)、毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工質(zhì)選擇及布置方式這三個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 環(huán)路熱管傳熱性能的研究進(jìn)展

2.1 蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器是LHP 系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分，根據(jù) LHP的使用場(chǎng)合及安裝要求，其蒸發(fā)器可以是平板型或圓柱形。但傳統(tǒng)的圓柱形蒸發(fā)器在實(shí)際應(yīng)用中存在無(wú)法與散熱面緊密貼合、蒸發(fā)器受熱不均勻等問(wèn)題，故平板式蒸發(fā)器使用頻率更高、傳熱性能更強(qiáng)。平板型蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)主要是供液方式的選擇及結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)。

2.1.1 供液方式

平板式蒸發(fā)器的供液方式有兩種：反向供液和縱向供液[7]，其結(jié)構(gòu)形式如圖 2。反向供液是指蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)回流方向與熱流方向平行但反向，此時(shí)工質(zhì)流動(dòng)距離短且分布均勻、供液效果好，但蒸發(fā)器厚度較大，不適合應(yīng)用在小空間散熱中。而縱向供液是指蒸發(fā)器內(nèi)液體工質(zhì)回流方向與熱流輸送方向垂直且補(bǔ)償室位于毛細(xì)芯一側(cè)，這種方式供液可以保證蒸發(fā)器具有較小的厚度，代價(jià)是削弱了其供液能力且熱泄露較大。Bai[8]等設(shè)計(jì)了一種新型的縱向供液式蒸發(fā)器環(huán)路熱管，毛細(xì)芯直接燒結(jié)在蒸發(fā)器殼內(nèi)壁上，蒸發(fā)在毛細(xì)芯內(nèi)表面完成，采用氨作為傳熱工質(zhì)，模擬了其傳熱性能。結(jié)果表明，該環(huán)路熱管蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)大大減少了從蒸發(fā)器到儲(chǔ)液室間的熱泄露，且具有較好的反重力效果。

圖2 不同供液方式的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)示意圖[7]

2.1.2 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

環(huán)路熱管蒸發(fā)器處的熱泄露及熱阻是影響環(huán)路熱管傳熱性能的重要因素之一。為了解決上述兩個(gè)問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者研究了多種形式的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。He 等[9]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合材料的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，加熱面采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的紫銅，側(cè)壁及下壁面采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的316 L 不銹鋼材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比于全銅材質(zhì)的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料蒸發(fā)器能夠有效減少蒸發(fā)器側(cè)壁熱泄露，進(jìn)而提高熱管傳熱性能。Tharayil[10]等在蒸發(fā)器內(nèi)部設(shè)置了 4 個(gè)肋片，且肋片表面覆蓋金屬絲網(wǎng)，在增加傳熱面積的同時(shí)，使蒸發(fā)器獲得了良好的均溫性能。

單因素分析的結(jié)果表明，年齡、體表面積、白蛋白水平、肝功能水平、合并基礎(chǔ)疾病與異煙肼血藥濃度存在顯著的相關(guān)性；性別和NAT2的兩個(gè)位點(diǎn)的基因多態(tài)性沒(méi)有顯著相關(guān)性。國(guó)外對(duì)異煙肼代謝過(guò)程的分子生物學(xué)研究表明，NAT2*4和NAT2*15的表達(dá)會(huì)影響異煙肼的藥物濃度[14，15]；但本研究沒(méi)有觀察到這一現(xiàn)象。這可能與NAT2*4和NAT2*15在亞裔人群中的突變率較低有關(guān)。根據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)出NAT2*4的突變率為 9.3%（9/97），NAT2*15 的突變率為4.1%（4/97）；故不排除是由于樣本量不足而沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)基因位點(diǎn)與藥物暴露量之間的關(guān)系。

2.2 毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)是環(huán)路熱管能夠成功啟動(dòng)并正常運(yùn)行的重要組成部分，它為 LHP 系統(tǒng)運(yùn)行提供了毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，用以克服工質(zhì)在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)的壓力損失。目前各國(guó)學(xué)者研究較多的吸液芯種類有：微槽吸液芯，金屬絲網(wǎng)芯，粉末燒結(jié)芯以及復(fù)合吸液芯。其孔徑、孔隙率、滲透率綜合決定了毛細(xì)芯的抽吸力和流動(dòng)阻力，但上述三個(gè)性能參數(shù)之間互相影響，使得高毛細(xì)抽吸力和低流動(dòng)阻力之間存在矛盾。往往小孔徑在增加毛細(xì)抽吸力的同時(shí)，帶來(lái)的是低孔隙率和低滲透率，也就是說(shuō)工質(zhì)流動(dòng)阻力也在增加，這極大地限制了毛細(xì)芯的性能。

楊臥龍[11]等采用一體式燒結(jié)毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)如圖 3（a），設(shè)計(jì)了一款新型平板環(huán)路熱管，并實(shí)驗(yàn)研究了其在反重力為高度300 mm 時(shí)的熱管性能。結(jié)果表明當(dāng)熱負(fù)荷為20～200 W 時(shí)，熱管能夠順利啟動(dòng)并正常運(yùn)行，且其反重力運(yùn)行性能顯著提高。其原因在于一體式燒結(jié)的蒸汽通道與毛細(xì)芯的整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了較高的毛細(xì)力，同時(shí)縮短了毛細(xì)結(jié)構(gòu)熱傳遞路徑即減小了液體流動(dòng)壓降。

圖3 三種不同的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)示意圖

Aoki[12]等人采用了氧化還原后的銅絲網(wǎng)吸液芯制備了厚度分別為0.7 mm 和1 mm 的兩款超薄熱管，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明在 100 mm 和 150 mm 的水平傳輸距離下，最大傳熱量分別可以達(dá)到7 W 和20 W。其原因在于銅絲網(wǎng)芯在氧化還原后毛細(xì)力和滲透率得到了明顯提高，使得工作流體在該熱管中具有良好的循環(huán)能力，因而實(shí)現(xiàn)了較大的傳熱能力。這表明高性能的吸液芯可以提供更大的毛細(xì)力以實(shí)現(xiàn)更大、更遠(yuǎn)距離的熱量輸送。除此之外，李紅傳[13]等制作的超親水多尺度毛細(xì)芯及夏珍[14]等研究的樹(shù)狀仿生微通道毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)如圖 3（b）、（c），同樣表現(xiàn)出了良好的傳熱性能，且為后來(lái)者拓寬了研究方向。

張浩[15]等研制了一個(gè)傳熱距離為1.6 m、具有大蒸發(fā)面積的氨－不銹鋼環(huán)路熱管，該熱管毛細(xì)芯表面帶有徑向或軸向的凹槽，增大了 LHP 蒸發(fā)面積。實(shí)驗(yàn)研究表明該環(huán)路熱管有良好的啟動(dòng)性能和變負(fù)荷性能。因此大蒸發(fā)面積的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)有助于增強(qiáng)熱管驅(qū)動(dòng)力，提高熱管的傳熱性能。

2.3 工質(zhì)選擇

工質(zhì)特性及充液率對(duì)于環(huán)路熱管性能的影響也是環(huán)路熱管的研究熱點(diǎn)。工質(zhì)的選擇首先需要考慮其熱物理性質(zhì)，由毛細(xì)極限理論可知，良好的液體工質(zhì)應(yīng)具有大表面張力，高汽化潛熱，好的潤(rùn)濕性以及較小的粘度等，也就是具有高的傳輸因數(shù)。除此之外，還要考慮工質(zhì)與管殼材料及毛細(xì)芯材料的相容性。常溫常壓下工作的環(huán)路熱管中常用的工質(zhì)有水、甲醇、乙醇、丙酮等。

Anand 等[16]研究了丙酮，甲醇，正戊烷和乙醇四種工質(zhì)對(duì)LHP 系統(tǒng)傳熱特性的影響，研究表明采用甲醇作為工質(zhì)時(shí)環(huán)路熱管能承受的熱負(fù)荷范圍最大，毛細(xì)極限最高。但傳統(tǒng)的相變工質(zhì)由于自身導(dǎo)熱系數(shù)的限制已經(jīng)很難滿足 LHP 系統(tǒng)在有限空間內(nèi)高導(dǎo)熱率的發(fā)展要求，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者選擇在傳統(tǒng)工質(zhì)中添加固體顆粒的方式來(lái)強(qiáng)化工質(zhì)特性?？紤]到所添加顆粒粒徑過(guò)大易引起LHP 設(shè)備的磨損或堵塞，故而提出了將納米材料按一定比例加入傳統(tǒng)工質(zhì)以提高其導(dǎo)熱性能的方法。

大量的實(shí)驗(yàn)研究證明，納米流體作為 LHP 相變工質(zhì)具有更高的傳熱效果和更好的運(yùn)行性能。Liu 等[17]將加入了碳納米管顆粒的懸浮液作為環(huán)路重力熱管的循環(huán)工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)該納米流體能夠很好提高重力熱管的換熱性能。Ismail 等[18]用實(shí)驗(yàn)證明了氧化鋯納米流體代替水作為工質(zhì)提高了熱管的換熱性能及其穩(wěn)定性。Maryam Shafahi 等[19]討論了 3 種不同的納米顆粒（Al2O3、CuO 和TiO2）制作的流體對(duì)圓柱型熱管熱力性能的影響。結(jié)果表明，納米流體能夠減小熱力系統(tǒng)熱阻和溫度梯度，提高熱管的熱性能和最大的熱載荷，系統(tǒng)熱阻隨著納米顆粒溶度的增加或納米顆粒粒徑的減小而減小，且存在一個(gè)最佳的溶度值使得系統(tǒng)能夠承載的熱載荷達(dá)到最大值。徐燕小[20]以 Cu-去離子水、納米流體作為工質(zhì)，對(duì)環(huán)路熱管的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明相比于去離子水和無(wú)水乙醇，納米流體能夠顯著提高蒸發(fā)器的傳熱效果，并且存在一個(gè)最佳充裝量，使得系統(tǒng)的綜合傳熱性能最優(yōu)。

2.4 布置方式

蒸發(fā)器和冷凝器的布置方式直接決定了環(huán)路熱管豎直方向和水平方向的傳輸距離，并限制了其傳熱能力。

霍杰鵬[21]實(shí)驗(yàn)研究了冷凝器擺放位置對(duì)環(huán)路熱管熱輸送能力的影響研究結(jié)果表明冷凝器擺放在靠近蒸發(fā)器出口處即熱輸送距離最短時(shí)，最有利于環(huán)路熱管的啟動(dòng)，但冷凝器冷卻能力較差。當(dāng)冷凝器擺放在靠近儲(chǔ)液室進(jìn)口處即熱輸送長(zhǎng)度最大時(shí)，蒸汽循環(huán)困難。當(dāng)冷凝器擺放在管線中央即取較合適的傳輸距離時(shí)，熱管有最大熱負(fù)荷，且換熱效果最佳。這說(shuō)明合理的冷凝器位置即熱傳輸距離的確定是熱管能夠具有優(yōu)良換熱性能的重要影響因素。

張文濤[22]建立分離式熱管物理模型，冷凝器位于蒸發(fā)器上方，數(shù)值分析了不同傳輸距離下分離式熱管的傳熱性能，當(dāng)蒸發(fā)器和冷凝器垂直高度由 800 mm增加到 1200 mm 時(shí)，熱管系統(tǒng)的換熱量將提高 6.7%。這是由于重力輔助液體工質(zhì)循環(huán)，使得冷凝器內(nèi)蒸汽被快速冷凝，導(dǎo)致的換熱量增加，因此冷凝器在上方時(shí)，蒸發(fā)器與冷凝器間高度差的增加是提高環(huán)路熱管換熱性能的一種有效方式。但該距離并不能無(wú)限增加，因?yàn)楫?dāng)垂直距離過(guò)高時(shí)，一方面加快了液體工質(zhì)的回流速度，但另一方面也阻礙了工作蒸汽到達(dá)冷凝器，影響了冷凝器處工質(zhì)的換熱，進(jìn)而導(dǎo)致了整個(gè)熱管系統(tǒng)換熱性能下降甚至失效。當(dāng)蒸發(fā)、冷凝器垂直距離為 1000 mm 時(shí)，水平距離由 300 mm 增加為350 mm 和 400 mm 時(shí)，蒸汽速度沿水平方向逐漸降低，熱管的換熱性能出現(xiàn)下降，但整體影響較小。這說(shuō)明由于水平距離增加而引起的工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)阻力的增加是影響環(huán)路熱管性能的主要因素，但當(dāng)加熱功率足夠大時(shí)，小范圍內(nèi)水平距離的增加不會(huì)過(guò)分影響熱管整體的換熱效果。

此外，由于空間布局的限制，環(huán)路熱管地面應(yīng)用時(shí)往往需要熱管反重力運(yùn)行，即運(yùn)行時(shí)蒸發(fā)器布置在冷凝器上方。此時(shí)重力阻礙液體工質(zhì)回流，系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)循環(huán)阻力增加，影響了環(huán)路熱管的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。環(huán)路熱管反重力運(yùn)行是熱管實(shí)際應(yīng)用中不可避免的難題。朱亞萍[6]設(shè)計(jì)了一套以乙醇為傳熱工質(zhì)的新型蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的平板環(huán)路熱管，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在反重力高度為 25 mm 時(shí)，熱量輸送范圍為 150～800 W。將環(huán)路熱管應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器中，取代原來(lái)的室外水環(huán)路以實(shí)現(xiàn)全干式的熱量輸送，在解決室外防凍的同時(shí)保證了良好的傳熱效果，具有良好的實(shí)際意義。

3 結(jié)論及展望

環(huán)路熱管是一種高效的兩相流換熱裝置，因其導(dǎo)熱率高、傳輸距離遠(yuǎn)、抗重力能力強(qiáng)等特點(diǎn)，受到了各國(guó)學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文從環(huán)路熱管蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工質(zhì)選擇及布置方式這四個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了近十年來(lái)環(huán)路熱管熱傳輸性能的研究進(jìn)展。為了進(jìn)一步提高環(huán)路熱管的傳熱性能，一方面需要優(yōu)化LHP 結(jié)構(gòu)以提供盡可能大的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力，另一方面則要減少系統(tǒng)中流動(dòng)總壓降。基于此，現(xiàn)將今后研究方向總結(jié)如下：

1）環(huán)路熱管中側(cè)壁及徑向的熱泄露將會(huì)嚴(yán)重影響LHP 系統(tǒng)的運(yùn)行，采取簡(jiǎn)單易行的方式改變蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，以減少漏熱對(duì)于提高熱管換熱效率有著重要意義。

2）通過(guò)在毛細(xì)芯表面燒結(jié)凹槽等方式增大毛細(xì)芯表面蒸發(fā)面積有助于提高環(huán)路熱管的傳熱性能。

3）研究和制備高性能的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)以解決毛細(xì)芯高毛細(xì)壓力和高流動(dòng)阻力之間的矛盾是下一步工作的重點(diǎn)。

4）蒸汽槽道作為蒸汽流動(dòng)的主要壓損通道，其結(jié)構(gòu)、尺寸對(duì)于蒸汽能否順利流入蒸汽通道有著巨大影響。因此LHP 系統(tǒng)中蒸汽槽道的形狀及尺寸的研究對(duì)于熱管的傳熱性能有著重大的意義。

5）高性能的傳熱工質(zhì)如納米流體的研究及應(yīng)用將顯著提高其強(qiáng)化換熱效果。

6）環(huán)路熱管的布置方式，尤其是蒸發(fā)器在上的反向布置及彎折的研究對(duì)于環(huán)路熱管的實(shí)際應(yīng)用有著較大的參考價(jià)值。