充液率对单环路脉动热管启动运行的影响

第31卷第17期 2011年6月15日中国电机工程学报

Proceedings of the CSEE Vol.31 No.17 Jun.15, 2011 ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.

(2011) 17-0079-07 中图分类号：TK 124 文献标志码：A 学科分类号：470?10 文章编号：0258-8013

充液率对单环路脉动热管启动运行的影响

王宇，李惟毅

(天津大学热能工程系，天津市南开区 300072)

Influence of Filling Ratio on Startup and Operation of a Single Loop Pulsating Heat Pipe

WANG Yu, LI Weiyi

(Department of Thermal Engineering, Tianjin University, Nankai District, Tianjin 300072, China)

ABSTRACT: A visualization experimental setup was established to study the fundamental phenomena in a single loop pulsating heat pipe (PHP) within water. The influence characterization was studied for the variation of filling ratio (30%, 50%, 70%) of PHP. The heat-transfer performance of the tested PHP was mainly evaluated by thermal resistance which related to temperature difference between evaporator and condenser sections of PHP, also related to the heat transfer between the two sections. The results were drawn as follows: the main flow pattern in PHP at high filling ratio (FR)(50%，70%)is slug flow and the main flow pattern in the PHP at low FR (30%) is annular flow, oscillating flow turned into circulating flow with constant direction after the tested PHP started up; the tested PHP at 50% FR and 70% FR can startup and operate smoothly; low filling ratio(30%) affects normal startup and stable operation of the single loop PHP；After running up, the tested PHP at 70%FR has better heat transfer performance than that at 50%FR.

KEY WORDS: single loop pulsating heat pipe; startup; operational performance; filling ratio (FR); flow pattern; heat transfer performance

摘要：针对单环路脉动热管建立了可视化实验平台，着重考察单环路脉动热管在不同充液率(30%, 50%, 70%)下的启动、运行情况。实验过程中观察到高充液率下(50%, 70%)管内工质的主要流型为塞状流，低充液率下(30%)主要流型为环状流；启动过程中管内工质左右振荡，运行中工质呈现较稳定的单向流动；50%及70%充液率下脉动热管能够顺利地启动运行；较低的充液率(30%)影响到热管的正常启动和稳定运行；文中采用运行热阻评价热管运行中的传热效果，结果表明，70%充液率的传热效果优于50%充液率。

关键词：单环路脉动热管；启动；运行特性；充液率；流型；传热效果

0 引言

脉动热管(pulsating heat pipe，PHP)也称之为振

荡热管(oscillating heat pipe

，OHP)，

是一种新型的传热器件，将在大功率器件散热中发挥重要作用。脉动热管主要形式有开路型和环路型[1]，如图1所示。

图1 脉动热管主要形式

Fig. 1 Main forms of PHP

(a) 开路型 (b) 环路型

相关研究[2-3]表明，环路型脉动热管具有更好的

传热性能，并且得到大多研究者的认同。因而更多的实验研究都围绕着环路型脉动热管开展进行。鉴于此，本文也以环路型脉动热管作为实验考察对象。环路型脉动热管启动、运行时管内工质流动情况一方面反映着运行机制，另一方面影响着传热效果，因而对热管内流型的观测和分析是切实掌握脉动热管运行机制的根本。

单环路脉动热管的研究便于工质流型观测和运行机制的分析。Khandekar和 Groll针对单环路脉动热管(如图2所示)的研究[4]表明，图1(b)所示多弯环路型脉动热管中工质的热力流动特性在图2所示的单环管内有同样的体现。苏磊和张红[5]针对单环路脉动热管进行了热力学理论分析，实际应用中也出现了应用于电子功率器件冷却的单环路脉动热管散热器件[6]，因而对单环路脉动热管开展实验

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E 冷凝器D (40×40×5)

CT2

图2 单环路脉动热管

Fig. 2 Single closed-loop PHP

研究具有重要的理论和实用意义。再者，诸多因素中工质充液率对于脉动热管的启动运行的影响显著[1,7-8]，因而本文着重考察不同充液率下单环路脉动热管的启动运行情况。

1 实验装置

为进行可视化实验研究，以玻璃为材料制作单环路脉动热管试件。管径的选取受到工质表面张力的影响，由式(1) [9]确定：

≤D≤式中：σ为工质表面张力，10?3 N/m；ρliq为工质液相密度，kg/m3；ρvap为工质气相密度，kg/m3；g为重力加速度，N/kg，D为管径，m。

本实验选用去离子水作为工质，选用管径范围

在1.9~4.9 mm之间。最终确定脉动热管试件的相关几何参数如下：测试用CLPHP总长1230 mm；热管内径2.66 mm；热管外径6.2 mm；蒸发段长度 18.0 cm；冷凝段长度19.5 cm。

脉动热管启动运行的热工测试条件通常有以下几种情况：1）蒸发段可控热流加热，冷凝段水冷却[10-13]；2）蒸发段水浴加热，冷凝段水浴冷却[14-17]；3）蒸发段可控热流加热，冷凝段风冷冷却[18-21]。本文采用第2种方法作为实验测试方案。实验装置流程如图3所示，主要由以下几部分组成：PHP试件测试系统、蒸发段热水循环加热装置、循环水流量称重计量环节和温度数据采集系统。脉动热管试件顶部留有一个接口，通过四通阀分别连接真空表、充液阀及真空泵，便于测试系统抽真空及充灌工质；试件两端置于透明的有机玻璃夹套中，蒸发段夹套进出口与热水浴连接，冷却夹套直接通入自来水。加热水和冷却水流量均采用称重法进行测量。实验测试中布置有

10个温度测点，采用 “T”型热电偶(测温精度0.2 ℃)，其中6个通过刺孔安装在管路内壁，以密封胶固定，蒸发段、冷凝段和绝热段各有2个，监测试件内部工质温度变化；另外4个设置在蒸发夹套和冷却夹套的进口和出口位置，测试加热水和冷却水的进出口温度，配合称重流量确定传热量。温度测点引线连接至数据采集器(Agilent，34970 A)，通过计算机通讯采集记录温度

数据采集系统 PHP试验系统蒸发段热水循环加热装置

图3 实验装置流程图

Fig. 3 Schematic of the single loop CLPHP experimental setup

测点数据。

2 实验步骤及数据处理

实验前首先将脉动热管试件的蒸发段、冷凝段

卡装上夹套固定在实验台架上，垂直地面安装，蒸发段在下方，而后对其抽真空(绝对压力至0.015~ 0.02 MPa)并充灌工质；分别将蒸发段和冷凝段的夹套与热水浴及自来水管连接，调节合适的循环水

第17期王宇等：充液率对单环路脉动热管启动运行的影响 81

量；调节热水浴温度使加热水温不断升高，观察管内工质运行状况，同时启动数据采集程序实时记录测点温度并分时段称重计量冷热水流量。

充液率是影响脉动热管启动运行的重要因素，也是本文实验考察的主要内容，脉动热管通常允许的充液率范围是20%~80%[1]，最佳充液率与热管材料、加热模式、工质种类等诸多因素有关，一般可取55%[22]，因而实验过程中先选取50%左右的充液率，而后选定较高充液率(70%左右)和较低充液率(30%左右)分别观察试件的运行状况。

热管传热效果通过下述指标加以评价：

1）传热量。测试过程中蒸发段夹套内水温过高，对环境散热难以准确计算，而冷却夹套水流稳定且与外界环境温差小(冷却水温为25 ℃左右，环境室温为26 ℃左右)，且有机玻璃隔热较好，故而通过冷凝段的冷却换热量获得，由式(2)确定：

(a) 工质流分布 (b) 启动流型

图4 管内工质汽–液分布及启动示意

Fig. 4 Working fluid distribution and start-up

flow pattern in the tested PHP

??p(c,out?c,in) (2) Q=mc

??为冷凝夹套中水质量流量；cp为水的定压式中：m

比热；c,out和c,in分别为进出口水温测点的平均温度，即c,out=9，c,in=10。

2）运行热阻。

由式(3)[10,12,14-15,20-21]定义：

RPHR=(e?c)/Q (3)

厚，又形成汽液相间的塞状流，回流至蒸发段；蒸发段左弯段相对于右弯段回流液体工质较少，故而相对于右侧弯段而言液体工质流经左弯段更容易形成气泡，形成的气泡上浮将相对较热的工质推向冷凝段，同时使得回流液塞重新进入左弯段产生气泡，这样气泡生成如同水泵一样为工质的定向流动提供动力；随着蒸发段加热温度的提高，气泡生成频率将进一步增加，使得形成的单向流动更加稳定，脉动热管亦稳定运行起来，运行过程中管内流型主要为塞状流，如图5所示。

式中：e和c分别为蒸发段和冷凝段的平均温度；e=

5+6+；c=12。

3 实验情况及分析讨论

3.1 高充液率下单环路脉动热管的启动运行

较高充液率下(50%, 70%)工质在管内的分布状况如图4(a)所示，呈现汽塞、液塞相间，随机的分布。随着蒸发段热水温度的升高，管内工质逐渐出现左右的振荡，如图4(b)所示。蒸发段加热的过程中，弯段处由于是凹表面，容易形成气化核心，产生气泡并逐渐膨胀，挤压周围液体，由于蒸发段“U”型弯左侧和右侧都易形成气泡，所以在气泡形成和膨胀过程中会出现相互的作用，进而使得管内工质出现左右的振荡，此过程中不断有未饱和液态工质经过“U”型弯被加热且在液塞中形成汽泡，也有饱和汽塞经过弯段被加热膨胀，这些都加剧了管内工质的振荡，最终形成相对稳定的单向流动。

脉动热管试件内形成单向流动后，冷凝段凝结工质沿管壁冷凝形成液膜，下降过程中液膜逐渐加

图5 运行时管内工质流型

Fig. 5 Flow pattern in the operational tested PHP

脉动热管试件启动运行过程在各测点温度变化上也有明确的反映，如图6所示。一方面，从冷却夹套进出口水温(T10, T9)的差值可以看出，启动运行的过程中温差在逐渐增大，说明热管在逐渐进入稳定的传热工作状态；另一方面，试件冷凝段测点温度T2波动的频率和幅度来看，频率逐步减小，幅度逐渐变大，实时反映出启动运行过程中管内工质由振荡流动逐步形成稳定单向流动的过程。