双面三角形和矩形通道平板脉动热管的传热性能

夏侯国伟¹，杨彩芸¹，陈兰兰²

 (1. 长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙，410076；

2. 大唐华银攸县电厂，湖南 攸县，412300)

摘要：研究充液率、倾角、工质、加热功率、启动温度对双面三角形和双面矩形2种通道的平板脉动热管传热性能的影响。研究结果表明：双面矩形平板脉动热管和双面三角形平板脉动热管都具有工作稳定与良好的传热性能，但三角形截面热管的传热性能比矩形截面热管的传热性能优。

关键词：三角形；矩形；通道；脉动热管

中图分类号：TK121         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)05-1984-06

Heat transfer performance of flat plate pulsating heat pipe with double sides rectangular or triangular channel

XIAHOU Guo-wei¹, YANG Cai-yun¹, CHEN Lan-lan²

 (1. College of Energy and Dynamic Engineering, Changsha University of Science and Technology,

Changsha 410076, China;

2. Datang Huayin Youxian Power Plant, Youxian 412300, China)

Abstract: The influence factors include the effects of filling ratio, oblique angle, working fluid, heating power and start-up temperature on the thermal performance of the PHP. The heat transfer performances of two new types of flat plate pulsating heat pipe (PHP) with double sides triangular and rectangular channel were studied. The results show that these two kinds of the PHP can work stably and have good thermal performance. However, the heat transfer performance of the PHP with triangular channel has better performance than rectangular channel.

Key words: triangular; rectangular; channel; pulsating heat pipe

随着社会和科技的发展，人们对低温传热技术的需求日益迫切，如电子元器件的散热、空调能量的回收、工业领域低温工艺条件下热量的传递等。由于受传统的散热技术的限制，目前这类问题一直没有得到很好解决，必须开发适于较低温度下具有优良传热能力的技术与设备。脉动热管因具有优异的传热性能和较低的启动及工作温度，已成为在低温传热技术上取得突破的热点研究领域。自20世纪90年代初脉动热管概念被提出以来^[1]，国内外研究者对脉动热管结构优化^[2-4]、脉动热管传热性能^[5-13]和脉动热管传热过程进行分析研究^[14]。文献研究表明：角板式脉动热管有其自身的结构及运行特点，其传热性能比圆管式脉动热管的性能更优^[2-3]；脉动热管的传热性能受管径^[5-6]、充液率^[7-10]、倾角^{[8-9, 11]}和工质^[12-13]等因素的影响，目前，对其工作机理尚没有统一解释，各种新型热管尚无一种公认的结构型式。在此，本文作者结合当前脉动热管研究热点，提出2种平板脉动热管(一种为双 面三角形通道脉动热管，另一种为矩形通道脉动热管)，并对这2种通道截面形状的脉动热管进行传热 性能进行实验研究，分析工质、倾角、充液率、加热功率对这2种形状的热管传热性能的影响，并进行  对比。

1  实验对象及实验方法

本实验设计的三角形、矩形截面形状热管结构如图1所示，外形长×宽×高为2.9 mm×34.6 mm× 110.6 mm。热管主要由上盖板、底盒、三角形或矩形中间隔板组成，这三者用激光焊接起来。壳体内腔高度为2.3 mm，隔板置于内腔中间并距离壳体前后两端各约10 mm，形成的三角形通道当量直径为1.36 mm，矩形通道当量直径为1.3 mm。槽道分布紧凑，其中三角形通道热管相当于有2层通道。热管蒸发段、绝热段、冷凝段的长度分别为40，30和40 mm，在一端焊接2个用于抽真空与充液的不锈钢管，外径为3 mm。热管壳体材料是厚度为0.3 mm的不锈钢薄板，可有效减少其热管的自身导热热阻。

图1  2种平板脉动热管截面结构示意图

Fig.1  Two kinds of flat PHP cross-section structures

脉动热管传热性能实验系统示意图如图2所示，实验装置包括加热部分、冷却部分和数据采集部分。加热部分由缠绕电阻丝的加热块、可调变压器、功率表组成，可实现输入功率的任意调节；冷却部分为1台改进的电脑CPU散热风扇，可实现空气强迫对流散热；数据采集部分温度测点布置见图3。平板热管每隔10 mm布置1个测点，加热块上再布置1个测点，共12个测点。温度测量一次元件为镍铬-镍硅热电偶，由数字多用表采集并传输到计算机上进行处理。为减少实验中的热损失，将热管的绝热段与蒸发段及加热块用石棉保温材料包裹。

实验步骤为：在某充液率下，调节不同倾角，在每种倾角下，进行不同加热功率的传热性能实验。实验使用二次蒸馏水和丙酮2种工质。实验时，当热电偶测量的壁温在15 min内波动小于0.5 ℃时，可认为热管工作达到稳定状态。

图2  实验系统示意图

Fig.2  Schematic diagram of experimental system

图3  测点分布图

Fig.3  Distribution of measuring points

传热性能评价指标为当量导热系数，其计算过程如下。

当量导热系数为：

热流密度为：

式中：A为热管截面积，cm²；θ₁为蒸发端平均温度，℃；θ₂为冷凝端平均温度，℃；Q为热管的加热功率，W；L为热管的轴向长度，cm；q为热流密度，W/cm²；K为当量导热系数，W/(cm·℃)。

2  结果分析与讨论

对实验数据进行计算和整理，可得到一系列实验曲线。据这些曲线，从以下几方面对热管的传热性能进行分析和对比。

2.1  充液率对2种截面形状热管传热性能的影响

当垂直安放(即倾角为90°)时，在不同充液率下，2种截面形状热管的传热性能分别如图4和图5所示。从图4和图5可见：三角形通道最佳充液率为21%~38%，矩形通道最佳充液率为22%~39%。

2.2  倾角对2种截面形状热管传热性能影响

在三角形充液率为29%、矩形充液率为28%时，进行了5个不同倾角的传热性能实验。当充液率为27%~29%时，倾角对三角形通道和矩形通道热管传热性能影响分别如图6和图7所示。从图6和图7可见：这2种通道热管的当量导热系数基本上随倾角增加而增加，在90°时达到最大；倾角变化对三角形通道的影响比对矩形的影响小，即三角形通道对倾角变化的敏感性更小；矩形通道热管倾角小于60°时易出现烧干现象。

图4  充液率对三角形通道热管传热性能影响

Fig.4  Influence of filling ratio on triangular channel heat pipe thermal performance

图5  充液率对矩形通道热管传热性能影响

Fig.5  Influence of filling ratio on rectangular channel heat pipe thermal performance

图6  倾角对三角形通道热管传热性能影响

Fig.6  Influence of oblique angle on triangular channel heat pipe thermal performance

2.3  工质对2种截面形状热管传热性能的影响

比较图4和图5可知：三角形通道丙酮工质当量导热系数与水工质的当量导热系数相比普遍高许多，最大时前者是后者的170%；矩形通道丙酮与水工质差别不大，只是前者当量导热系数比后者的略高。总体而言，丙酮工质优于水工质。

2.4  加热功率对2种截面形状热管传热性能的影响

比较图4和图5可知：当量导热系数随着加热功率的增加而增加，当热流密度达80 W/cm²时，水工质矩形通道热管可能出现烧干现象。

2.5  2种截面形状热管启动温度对比

以充液率为27%~29%、倾斜角度为90°的热管为研究对象，考察加热功率为60 W时的启动情况，结果如图8和图9所示。由图8和图9可见：水工质时，三角形通道热管与矩形通道热管的启动温度均为32 ℃；丙酮工质时，三角形通道热管与矩形通道热管的启动温度均为18 ℃。可以认为：启动温度主要受工质的影响，与通道截面形状关系不大。

图7  倾角对矩形通道热管传热性能影响

Fig.7  Influence of oblique angle on rectangular channel heat pipe thermal performance

图8  水工质的热管启动温度

Fig.8  Start-up temperature of heat pipe with water as working fluid

图9  丙酮工质的热管启动温度

Fig.9  Start-up temperature of heat pipe with acetone as working fluid

3  结论

(1) 双面三角形通道平板脉动热管的最佳充液率为21%~38%，矩形通道平板脉动热管最佳充液率为22%~39%。

(2) 两型热管当量导热系数随倾角增加而增加，倾角为90°时传热能力最强，三角形通道对倾角变化的敏感性更小。

(3) 丙酮的当量导热系数比水的当量导热系数大，在一定热流密度下为水的1.7倍。

(4) 两型热管当量导热系数都随加热功率增加而增加，当热流密度大于80 W/cm²时，对矩形通道，需注意防止干烧。

(5) 启动温度主要受工质的影响，与通道截面形状关系不大。

(6) 三角形通道的总体传热性能及运行平稳性比矩形通道的优。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-03-10；修回日期：2011-07-10

基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(04JJ3032)；湖南省科技厅科研项目(03GKY3126)；长沙市科技局项目(K0802131-11)

通信作者：夏侯国伟(1963-)，男，江西宜春人，副教授，从事高效强化传热研究；电话：13548617113；E-mail: xh_gw@126.com