3mm閉式脈動熱管傳熱性能的實驗研究

王學會,袁曉蓉,鄭豪策,阮一逍,韓曉紅,陳光明

(浙江大學制冷與低溫研究所, 310027, 杭州)

3mm閉式脈動熱管傳熱性能的實驗研究

王學會,袁曉蓉,鄭豪策,阮一逍,韓曉紅,陳光明

(浙江大學制冷與低溫研究所, 310027, 杭州)

為了研究大管徑脈動熱管的傳熱性能,設計并搭建了一種閉式脈動熱管傳熱性能的測試裝置,管道內徑為3mm,由此實驗研究了該裝置在加熱功率為0～90W范圍內的傳熱性能,通過對冷凝段壁面溫度波動特性進行分析,研究了不同加熱方式對脈動熱管傳熱性能的影響。結果表明:充液率為27.5%～67.5%時,脈動熱管具有較好的傳熱性能,加熱功率為90W時,各充液率下的熱阻值均在0.4℃/W以下;當加熱段的輸入功率變化(加熱功率以波動的方式輸入)時,脈動熱管的熱阻大于對應的以恒定功率加熱時的熱阻,兩者之間的差值隨著加熱功率的增大而減小;加熱功率突變且超過啟動功率時,脈動熱管很快啟動,但達到穩定需要較長的時間,而采用漸進的加熱方式時,脈動熱管在短時間內即可達到穩定。加熱功率較小時推薦采用較小的充液率,加熱功率較大時充液率的選擇應綜合考慮工質的熱容量和傳熱特性。

脈動熱管;傳熱;熱阻;壁面溫度波動特性

目前,針對脈動熱管已經開展了大量的實驗研究。馬永錫等結合實驗結果分析了充液率、傾斜角度和加熱水流量對脈動熱管傳熱性能的影響[7-8]。Liu等通過研究變截面管道的脈動熱管傳熱性能指出,變截面管道能夠引入更多的壓力波動,從而強化脈動熱管的換熱效果[9-10]。Kim等研究發現,當充液率為40%時,工質的振蕩頻率在0.1 Hz到1.5Hz之間[11]。Park等研究表明,當充液率為60%時,工質壓力的振蕩幅值為最大的同時熱阻值最低[12]。Yang 等對比研究發現,2mm的脈動熱管在傾角為90°時的性能最好,而傾角對1 mm的脈動熱管性能幾乎沒有影響[13]。Charoensawan等實驗表明,在不同的蒸發段溫度下,脈動熱管的熱阻值均隨管徑的增大而減小[14]。Rittidech等發現,當采用R123作為工質時,大管徑脈動熱管對應的熱阻值要低于小管徑脈動熱管[15]。

脈動熱管研究主要是集中于小管徑,內徑值一般在2mm及以下,而針對大管徑的研究則鮮有文獻報道。相比較來說,管徑較大的脈動熱管能夠充注更多的工質,相同的情況下大管徑的脈動熱管具有更大的熱容量,大功率工作時能夠避免燒干現象。本文針對3mm閉式脈動熱管展開了實驗研究,分析了充液率和不同加熱方式對脈動熱管性能的影響。

1 實驗裝置

圖1 脈動熱管實驗裝置及工作原理

圖2 冷凝段半導體制冷片布置

本實驗裝置共包括脈動熱管、加熱、冷卻和數據采集4部分,該裝置及工作原理如圖1所示。脈動熱管由外徑為4mm、內徑為3mm的銅管彎折而成,共有5個彎頭,10個平行通道。加熱段、絕熱段、冷凝段的長度分別為100、160、90mm。測試時,加熱段通過采用直徑為0.3mm的鎳鎘電熱絲加熱來模擬發熱元件的發熱量,通過調節加熱絲兩端的電壓值得到不同的加熱功率。冷凝段的管道埋在加工有蛇形溝槽的鋁板內部,鋁板的溝槽與管道的冷凝段的布置相一致,在鋁板的背面有4塊均勻布置的半導體制冷片(型號為TEC1-12715)。由于半導體制冷片的制冷功率較大,半導體制冷片的冷卻采用水冷頭的方式,每個水冷頭冷卻2個半導體制冷片,冷凝段半導體制冷片布置如圖2所示。為了盡可能減少各接觸表面之間的接觸熱阻,管道與鋁板的接觸面、半導體制冷片與鋁板的接觸面、半導體制冷片與水冷頭的接觸面均涂有導熱硅脂。在加熱段和絕熱段上包有耐熱保溫材料,以減少與周圍環境的換熱。實驗過程中整個實驗裝置保持豎直。加熱段和冷凝段的溫度采集選用已標定T型熱電偶,精度為±0.1 ℃,在加熱段均勻布置5個熱電偶,在冷凝段布置4個熱電偶(見圖1)。加熱段功率采用功率表記錄,精度為0.5級,量程為250W。實驗數據最終經過Agilent34970A采集并連接到PC機上。實驗工質為去離子水,為了防止管道內部堵塞,實驗前利用高壓氮氣吹6 h,以帶走管道內部的雜物,隨后進行保壓密封,當滿足密封性要求時開始實驗。

2 實驗數據的計算與處理

實驗裝置的加熱量通過功率表直接讀取,冷卻通過半導體制冷片實現,因此熱量的平衡必須進行匹配。設加熱功率為Pe,半導體制冷片的總功率為Pc,系統的漏熱量為P′,制冷片的效率為η,則能量的匹配計算式為

Pc=(Pe-P′)/η

(1)

同時,脈動熱管的性能指標通過熱阻值和當量導熱系數來評價。熱阻定義為

R=(Te-Tc)/Pe

(2)

式中:Te和Tc分別表示蒸發段和冷凝段的平均溫度,即

Te=(T1+T2+T3+T4+T5)/5

(3)

Tc=(T6+T7+T8+T9)/4

(4)

實際上,計算所得熱阻為脈動熱管裝置的整體熱阻,包含管內工質傳熱熱阻和銅管的導熱熱阻,2個熱阻之間并聯。相對于工質傳熱熱阻而言,銅管的導熱熱阻較大,該熱阻對整體熱阻的影響很小,因此可以近似認為計算熱阻即為工質的傳熱熱阻,計算熱阻的變化規律可反映工質傳熱熱阻的變化規律。

由式(3)、(4)可知,實驗測得的數據精度分別為

Te=Te±0.1 ℃

(5)

Tc=Tc±0.1 ℃

(6)

Pe=Pe±1.25W

(7)

熱阻的絕對誤差可用下式計算

(8)

根據實驗結果,本文分別計算了不同條件下的熱阻誤差,其相對誤差均不超過6.9%,各充液率下,30W以上加熱功率對應的相對誤差均小于5%。

3 實驗結果與討論

3.1 充液率對性能的影響

充液率是指所充注的工質體積與管內總體積的比值。脈動熱管兩端的溫差和熱阻隨加熱功率的變化如圖3、圖4所示。從圖4可以看出:對于管徑為3mm的水脈動熱管,充液率為27.5%時熱阻值最低,對應的傳熱性能最好;當充液率在37.5%～67.5%范圍內時區分并不明顯,且都保持較好的傳熱性能,在加熱功率為90W時熱阻值均降低到0.4℃/W以下。從圖4還可以看出,對于不同的加熱功率范圍,最優的充液率不盡相同,當采用最優充液率時工質的熱容量與加熱功率產生的推動力相匹配。在較低的加熱功率下,充液率增加,脈動熱管的啟動更加困難,熱阻偏大;在較高的加熱功率下,充液率對熱阻的影響較小,各個充液率對應的熱阻相差不大。這是因為,當充液率較小時,內部工質的狀態是氣相多、液相少,在較低的功率下很容易啟動,而在較高的功率下,由于內部工質較少,單位時間內傳遞的熱量受限;當充液率較大時,推動工質循環流動需要更大的脈動力,這個脈動力與加熱功率直接相關,只有當加熱功率較高時才能實現工質振蕩。因此,在較低加熱功率下,推薦采用較小的充液率;在較高加熱功率下,應綜合考慮工質的熱容量和傳熱特性的影響。

圖3 脈動熱管兩端溫差隨加熱功率的變化

圖4 脈動熱管熱阻隨加熱功率的變化

另外,熱阻隨著加熱功率的增大而減小,且減小的幅度越來越小,最后趨于平緩。為了突出大管徑脈動熱管的傳熱特點,將實驗數據與文獻[16] (管徑、實驗條件與本文相近)進行了對比。本文實驗中充液率為37.5%時,文獻[16]中彎頭數為4,充液率為40%,管徑為2.2mm,對比結果如圖5所示。當加熱功率較小(約小于45W)時,大管徑脈動熱管的性能比小管徑脈動熱管略差。這可能是大管徑脈動熱管中充注有更多的工質,推動工質的振蕩需要更大的推動力,同時由于管徑增大,體積力的影響(如重力)增大,表面力(如表面張力)的影響減小,液塞和氣塞在振蕩過程中的穩定性減弱,使得工質回流困難。當加熱功率較大(大于45W)時,大管徑脈動熱管的傳熱能力比小管徑脈動熱管略好。這可能是當熱流密度較大時,蒸發段的工質沸騰比較劇烈,管徑較大,浮力的作用增強,氣泡更容易從蒸發段脫離,進而更好地推動工質的循環振蕩,同時由于大管徑脈動熱管的氣塞和液塞界面處的換熱面積比較大,因此傳熱能力較強。從對比結果來看,在不同的加熱功率范圍,大管徑脈動熱管與小管徑脈動熱管各自具有優勢,而大管徑脈動熱管充注工質量大,蒸發端工質沸騰時浮力的作用較強,這在高熱流密度時具有一定的優勢。后續的實驗研究將進一步揭示這2種管徑脈動熱管的優勢。

圖5 文獻[16]與本文實驗結果對比

3.2 加熱方式對啟動性能的影響

3.2.1 突變加熱方式對壁面溫度波動性能的影響脈動熱管的啟動性能可以通過對啟動過程的壁面溫度波動特點的分析來評定。實驗過程中發現,對于本文脈動熱管裝置,在加熱功率為10W時未啟動,而在加熱功率為20W時啟動。為了探究加熱方式對啟動性能的影響,針對充液率為37.5%的脈動熱管采用了2種不同的加熱方式:①先將加熱功率調整到10W,待脈動熱管兩端的溫度都穩定以后再把加熱功率提高到20W(漸變式加熱);②直接把加熱功率提高到20W(突變式加熱)。以冷凝段的溫度波動為例,實驗結果如圖6、圖7所示。從圖6可以看出,采用漸變式加熱時溫度的振蕩可以分為3個階段:在第1階段,加熱段和冷凝段溫度平穩上升,此時脈動熱管并未啟動;在第2階段,加熱功率突然達到20W時熱管響應很快,溫度開始出現明顯的波動,該波動不穩定,屬于過渡階段;在第3階段,溫度波動呈現出一定的規律,波動的中間溫度較穩定,已經處于加熱功率20W時的穩定狀態。為了進行對比,將突變式加熱下的壁面溫度波動也分為3個階段:①壁面溫度近似線性增加(此階段時間較短,圖7中未顯現),此時熱管還未啟動,壁面的溫度過熱度上升很快;②壁面溫度開始波動,當壁面的溫度過熱度增加到一定值時,熱管啟動,但此時溫度波動具有明顯的間歇性,一次波動結束以后需要一段時間的積累才能開始下一次波動,此階段工質溫度仍然在逐漸上升;③壁面溫度穩定波動,此時工作情況大致與漸變式加熱波動情況相同。

圖6 漸進式加熱冷凝段溫度波動

圖7 突變式加熱冷凝段溫度波動

通過以上比較分析可以看出:當采用突變式加熱時,脈動熱管響應很快,直接從未啟動跳轉到啟動狀態,但是由于未經過足夠的能量積累,此時的溫度波動具有明顯的間歇性,同時從未啟動到穩定工作狀態經歷的時間較長;當采用漸變式加熱時,脈動熱管從未啟動到穩定工作狀態的反應時間縮短。這是因為雖然在10W時熱管未啟動,但是此階段工質仍然集聚了相當的能量。

3.2.2 波動加熱方式對脈動熱管性能的影響 實際工作中,電子元器件發熱功率是隨時間變化的。因此,除了探究脈動熱管穩態工作性能之外,還要探究波動加熱下脈動熱管的性能變化特點。在本實驗裝置的基礎上,通過記錄波動工況下脈動熱管壁面的溫度波動,探究了脈動熱管在波動工況下的傳熱性能。實驗中脈動熱管的充液率為37.5%,加熱功率分3組,分別為20/40W、40/60W、60/80W,每組加熱4次,每個加熱功率下加熱時間為20min,實驗結果如圖8所示。從圖8可以看出,脈動熱管在波動功率下的熱阻均大于穩態工作時的熱阻,在較低加熱功率下兩者之間的差值較大,在較高加熱功率下差值較小。

(a)加熱功率為20/40W

(b)加熱功率為40/60W

(c)加熱功率為60/80W

4 結 論

本文研究了充液率對大管徑脈動熱管傳熱性能的影響,同時通過記錄、分析脈動熱管工作過程中壁面溫度的波動情況,研究了不同的加熱方式對傳熱性能的影響。實驗結果表明,大管徑脈動熱管的傳熱規律與小管徑(2mm以下)相似,大管徑脈動熱管同樣具備小管徑的優勢——結構簡單、傳熱系數高、啟動響應快等?？紤]到大管徑脈動熱管能夠充注更多的工質,在較高的熱流密度下能有效避免燒干現象,因此具有較好的應用前景。本文主要結論如下。

(1)對于3mm管徑的脈動熱管,當充液率為27.5%時熱阻最低,傳熱性能最好。當充液率在37.5%～67.5%范圍內時熱阻區分并不明顯,傳熱性能保持良好,加熱功率為90W時熱阻均降低到0.4℃/W以下。

(2)對于不同的加熱功率范圍,最優的充液率也不相同。較低加熱功率時充液率應較小,較大加熱功率時充液率應當綜合考慮工質的熱容量和傳熱特性。

(3)采用突變式加熱時,脈動熱管響應很快,直接從未啟動狀態跳轉到啟動狀態,但是由于未經過足夠的能量積累,使得從未啟動到穩定工作狀態所經歷的時間較長。采用漸進式加熱時,脈動熱管從未啟動到穩定工作狀態的反應時間明顯縮短。

(4)脈動熱管在波動功率下的熱阻大于穩態工作時的熱阻,較低加熱功率下兩者之間的差值較大,在較高加熱功率下差值較小。

[1] GARIMELLA S V, FLEISCHER A S, MURTHY J Y, et al. Thermal challenges in next-generation electronic systems [J]. IEEE Trans on Components and Packaging Technologies, 2008, 31(4): 801-815.

[2] 韓曉紅, 閔旭偉, 李鵬. 一種利用氣泡泵效應重力輔助回路熱管的實驗研究 [J]. 西安交通大學學報, 2012, 46(3): 9-14.

HAN Xiaohong, MIN Xuwei, LI Peng. Experimental study on an thermosyphon loop with bubble pump effect [J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2012, 46(3): 9-14.

[3] AKACHI H, KANAGAW A. Structure of a heat pipe: USA, US4921041[P].1990-05-01.

[4] XIAO L, CAO Y. Recent advances in pulsating heat pipes and its derivatives [J]. Journal of Enhanced Heat Transfer, 2012, 19(3): 213-231.

[5] SHAFFI M B, FAGHRI A, ZHANG Y W. Thermal modeling of unlooped and looped pulsating heat pipes [J]. Journal of Heat Transfer, 2001, 123(6): 1159-1172.

[6] HOSODA M, NISHIO S, SHIRAKASHI R. Study of meandering closed-loop heat-transport device (vapor-plug propagation phenomena) [J]. JSME International Journal: Series B Fluids and Thermal Engineering, 1999, 42(4): 737-744.

[7] 馬永錫, 張紅. 低于臨界通道彎數振蕩熱管的傳熱特性 [J]. 北京化工大學學報: 自然科學, 2005, 32(4): 87-90.

MA Yongxi, ZHANG Hong. Heat transfer characteristics of oscillating heat pipes with under-critical turns [J]. Journal of Beijing University of Chemical Technology: Natural Science, 2005, 32(4): 87-90.

[8] 馬永錫, 張紅. 振蕩熱管當量導熱系數的理論推導與分析 [J]. 化學工程, 2006, 34(10): 17-20.

MA Yongxi, ZHANG Hong. Theoretical deduction and analysis of equivalent thermal conductivity of oscillating heat pipes [J]. Chemical Engineering, 2006, 34(10): 17-20.

[9] LIU S, LI J T, DONG X Y, et al. Experimental study of flow patterns and improved configurations for pulsating heat pipes [J]. Journal of Thermal Science, 2007, 16(1): 56-62.

[10]CAI Q, CHEN C L, ASFIA J F. Heat transfer enhancement of planar heat pipe device [C]∥2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. New York, USA: ASME, 2006: 153-158.

[11]KIM J S, BUI N H, JUNG H S, et al. The study on pressure oscillation and heat transfer characteristics of oscillating capillary tube heat pipe [J]. KSME International Journal, 2003, 17(10): 1533-1542.

[12]PARK Y, TANSHEN M R, NINE M J, et al. Characterizing pressure fluctuation into single-loop oscillating heat pipe [J]. Journal of Central South University, 2012, 19(9): 2578-2583.

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

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

[15]RITTIDECH S, TERDTOON P, MURAKAMI M, et al. Correlation to predict heat transfer characteristics of a closed-end oscillating heat pipe at normal operating condition [J]. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(4): 497-510.

[16]MOHAMMADI M, MOHAMMADI M, SHAFII M B. Experimental investigation of a pulsating heat pipe using ferro fluid (magnetic nanofluid) [J]. Journal of Heat Transfer, 2012, 134(1): 014504.

(編輯 苗凌)

ExperimentalResearchonHeatTransferPerformanceof3mmClosedPulsatingHeatPipe

WANG Xuehui,YUAN Xiaorong,ZHENG Haoce,RUAN Yixiao,HAN Xiaohong,CHEN Guangming

(Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

To investigate the heat transfer performance of large diameter pulsating heat pipe (PHP), an experimental device for closed PHP with 3mm inner diameter was designed and constructed . The heat transfer performance of PHP was investigated within heat power range of 0-90W. The influence of different heating modes on the performance of PHP was tested by analyzing the fluctuation characteristics of wall temperatures in the condensation section. The experimental results indicate that the PHP well performs in a wide charge ratio range of 27.5%-67.5%, and the thermal resistances get less than 0.4℃/W at all tested charge ratios. When the input heat power fluctuates, the thermal resistances of PHP get greater than those heated by constant heat power, and the difference between them decreases with the increasing heat power. If the heat power suddenly reaches beyond the starting power of the PHP, the PHP quickly starts up, but takes a long period to become stable. However, the PHP quickly tends to be stable for gradual heating-mode. The small charge ratio is suggested in the case of lower heat power, otherwise, both the heat capability of working fluid and heat transfer performance ought to be considered.

pulsating heat pipe; heat transfer; thermal resistance; the fluctuation characteristics of wall temperature

2014-01-23。

王學會(1989—),男,博士生;韓曉蓉(通信作者),女,副教授。

國家自然科學基金資助項目(51176166);中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2013QNA4014)。

時間:2014-06-18

10.7652/xjtuxb201409017

TB65

:A

:0253-987X (2014)09-0101-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20140618.1138.001.html