甲醇水溶液脉动热管的传热特性

王迅，李达，李云昭

（天津大学机械学院中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

研究开发

甲醇水溶液脉动热管的传热特性

王迅，李达，李云昭

（天津大学机械学院中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

以体积分数为50%的甲醇水溶液为工质，充液率为50%，对不同倾角和加热功率条件下环路脉动热管的启动性能和稳定运行时的传热性能进行了实验研究。对比分析了甲醇水溶液、无水甲醇和水的传热效果，探讨了甲醇水溶液与水、无水甲醇在启动过程中启动时间、启动温度以及稳定运行时传热热阻、热冷端温差的变化特点。结果表明，在低加热功率条件下，甲醇水溶液45°和90°倾角下的启动方式均为温度渐变型，甲醇水溶液的启动时间比无水甲醇长，但比水短。稳定运行时，甲醇水溶液在90°倾角下加热段温度低于甲醇，且波动较大。在低、中加热功率条件下，甲醇水溶液传热性能优于水和无水甲醇，甲醇水溶液在45°和90°倾角下的最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。

甲醇水溶液；甲醇；脉动热管；倾角；传热性能

近十几年，电子器件在人民生活和工业生产中得到了广泛的应用。电子元器件日趋小型化，但单位面积散热量急剧增加，直接影响其性能和使用寿命，因此电子元器件的冷却措施越来越重要。由于脉动热管具有体积小、结构简单、当量传热系数大、适应性好等特点，成为电子元器件冷却的最佳选择之一。

脉动热管的正常工作与其启动特性、稳定运行特性和传热极限（或称最大热负荷）密切相关。脉动热管的稳定运行特性决定着脉动热管的传热性能，而启动特性和传热极限是脉动热管稳定运行的上、下限，直接影响到脉动热管的稳定性和安全性。

脉动热管的研究已开展了二十多年，研究人员对纯工质的脉动热管启动、稳定运行特性和传热极限进行了较系统的研究[1-8]。由于使用混合工质可以改善脉动热管某些传热性能，这方面的研究逐渐得到重视。史维秀等[9]对乙醇水溶液稳定运行条件下的传热性能进行了实验研究，发现乙醇水溶液的传热热阻明显低于无水乙醇，且传热极限值更高。隋缘等[10]研究发现，水-乙醇混合工质的传热性能受充液率和混合工质比影响。段威威等[11]比较了甲醇、乙醇和甲醇-乙醇混合工质在不同充液率下热阻随加热功率的变化，发现甲醇-乙醇混合工质传热性能优于另外两种纯工质。Wang等[12]实验研究了几种混合工质在60%充液率和垂直加热条件下稳定运行时的传热性能，并指出甲醇水溶液的传热性能优于其他工质。

此外，研究人员也研究了工质物性对脉动热管传热性能的影响。Burban等[13]研究了水、甲醇、丙酮、正戊烷对脉动热管传热性能的影响。崔晓钰等[14]以去离子水、甲醇、乙醇和丙酮为工质，分析了不同充液率下脉动热管的传热性能。研究表明，黏度较小的工质易于启动，加热功率较大时汽化潜热和比热容较大的工质传热性能较好。褚红蕊等[15]利用热力学原理，分析了二元混合工质的露点温度与工质种类、配比以及压力之间的关系，并以R134a/R123和R143a/R152a为例探讨了选取混合工质的方法。

表1为不同工质在一个标准大气压下的热物理性质。由表1可见，工质的物性对脉动热管的传热性能有较大的影响，并且使用混合工质的脉动热管的传热性能在某些方面优于使用纯工质的脉动热管的传热性能。由于甲醇的黏度、比热容较小且饱和状态下温度变化与压力变化的关系值(dP/dT)sat较大，易于启动，而纯水的汽化潜热和比热容较大，具有较好的传热性能的特点。本文以甲醇水溶液作为工质，分析脉动热管的启动和稳定运行性能；研究不同加热功率、不同倾角条件下，甲醇水溶液启动过程中温度的变化、启动时间等特性以及不同加热功率条件下稳定运行的传热性能，并与水和甲醇进行比较。

1 实验装置

图1为脉动热管热性能实验台的示意图，主要由脉动热管主体、加热系统、冷却系统和数据采集系统以及其他辅助部件组成。脉动热管由紫铜管加工而成，加热段、绝热段和冷却段长度分别为150mm、220mm和150mm。管内径为2mm，外径为4mm，环路数为10，管间距为60mm（图2）。加热段采用电加热方式，实验过程中通过调节变压器来改变加热功率。冷却段由DC2006型低温恒温水槽提供恒温冷却水进行冷却，控温精度为0.1℃，通过称重法测量冷却水流量。在脉动热管加热段、绝热段和冷却段管壁上一共布置16根热电偶，采用经过标定的直径为0.1mm的T形热电偶进行各点的温度测量，同时通过Agilent 34970A型多通道数据采集仪对实验数据进行采集，测量误差为±0.15℃。实验所用的工质为蒸馏水、50%甲醇水溶液、甲醇，3种工质均采用50%的充液率。脉动热管水平放置时倾角为0°，选取0°、45°和90°倾角进行实验研究。加热功率范围在20～300W。

图1 脉动热管热性能实验系统

表1 不同工质在一个标准大气压下的热物理性质

图2 热管尺寸示意图（单位：mm）

反映脉动热管整体传热性能的热阻定义为式（1）。

2 实验结果

2.1 启动特性

图3～图5显示了50%甲醇水溶液、甲醇和水3种工质在加热功率30W、50%充液率、45°倾角条件下温度随时间变化曲线，图中Te、Ta和Tc分别代表加热段、绝热段和冷却段的平均温度。

图3 45°倾角下甲醇水溶液的温度变化

图4 45°倾角下甲醇的温度变化

图5 45°倾角下水的温度变化情况

由图3～图5可知，混合工质甲醇水溶液和纯工质水在该工况下的启动方式均为温度渐变型[16]，而甲醇在该工况下的启动方式为温度突变型[16]。三者启动时间分别为390s、272s和796s，最高启动温度分别为50.5℃、49.5℃和52℃，稳定运行的温度波动范围分别为48～49.5℃、37～43℃和48～50℃。可见50%甲醇水溶液的启动时间比甲醇长，比水短，最高启动温度比水低但比甲醇高，稳定运行时的温度波动与水接近，比甲醇稳定。

图6～图8显示了50%甲醇水溶液、甲醇和水3种工质，在加热功率30W、50%充液率、90°倾角条件下温度随时间变化曲线。由图可知，混合工质甲醇水溶液和纯工质水在该工况下的启动方式均为温度渐变型[16]和甲醇的启动方式为温度突变型[16]。启动时间分别为392s、157s和675s，最高启动温度分别为47℃、39℃和50℃，稳定运行的温度波动范围为44.5～45℃、36～37℃和44～50℃。50%甲醇水溶液启动时间要比甲醇长，比水短。

图6 90°倾角下甲醇水溶液的温度变化

图7 90°倾角下甲醇的温度变化

图8 90°倾角下水的温度变化

由图3～图8可知，尽管甲醇水溶液与水的最高启动温度接近，但启动时间更短；而与甲醇相比，稳定运行工况下甲醇水溶液的工作状态更稳定。这可能是因为甲醇的蒸发温度低、汽化潜热较小、启动过程中气泡生成速率快，造成与水相比启动时间较短，同时由于甲醇水溶液的比热容和汽化潜热较大，稳定运行时温度波动比甲醇要小。此外，倾角的变化对脉动热管的启动方式没有影响，混合工质的启动方式与纯工质的启动方式相比没有变化。

2.2 稳定运行特性

图9显示了在50%充液率、90°倾角、120W功率下甲醇水溶液和甲醇的加热段和冷却段稳定运行时平均温度的变化。两种工质冷却段、加热段温度波动均不大，相对稳定。120W时加热段的甲醇温度波动范围为101～102℃，甲醇水溶液温度波动范围为91～94℃。可见在中等加热功率情况下甲醇水溶液的稳定运行温度较低。

图9 50%充液率、90°倾角、120W功率条件下加热段和冷却段壁面的平均温度

图10 0°倾角下热阻随功率的变化

2.3 不同工质和不同倾角条件下热性能随功率的变化

图10显示了在50%充液率、倾角为0°条件下水、甲醇水溶液和甲醇的热阻随功率变化的曲线。由图10可知，水和甲醇水溶液的热阻随加热功率的增加呈降低的趋势；而甲醇的热阻随着功率是先减小后增加的，并且热阻值明显低于另外两种工质在相同功率下的热阻值，在加热功率为40W时，热阻达到最小值，为0.8℃/W左右。在相同功率的条件下，按照水、甲醇水溶液和甲醇次序热阻依次降低。因为甲醇的蒸发温度低，汽化潜热小，随着功率的增加，脉动推动速度增加，但是功率过高会产生大量气泡，增大了回流的阻力，影响了加热段液体的连续供应，减弱了加热段的吸热能力，所以甲醇的阻值会先减小后增加。而水的蒸发温度较高，汽化潜热较大，不利于水的沸腾吸热，所以热阻较高，而随着加热功率的增加，加热段沸腾加剧，传热性能增加，导致其热阻不断降低。而甲醇水溶液蒸发温度和汽化潜热值都比水的低，而高于甲醇，所以在实验范围内，甲醇水溶液随着功率增加，热阻值降低，且甲醇水溶液的阻值介于水和甲醇的阻值之间。由图11可知，随着加热功率的增加，3种工质热、冷两端的平均温差均是不断增大的，并且增幅基本平稳。由于甲醇的汽化潜热和比热容较低，随着加热功率的增加，甲醇热、冷两端的温差增加较快，但由于处于低、中加热功率，且50%充液率较佳，热、冷端的平均温差仍按水、甲醇水溶液和甲醇次序依次减小。

图11 0°倾角下热冷两端温差随功率的变化

图12显示了在50%充液率、倾角为45°条件下水、甲醇水溶液和甲醇的热阻随功率变化的曲线。由图12可知，在功率低于80W时，随加热功率的增加，各工质的阻值均不断下降，且甲醇和甲醇水溶液的热阻差别较小，而水的热阻相对较大。当功率大于80W时，随加热功率的增加，各工质的阻值不断增加，水与甲醇水溶液的热阻差别减小。在40～80W之间时，甲醇水溶液的阻值低于其他两种工质。同样，由图13可知，当功率低于80W时，水的热冷两端平均温差大于甲醇和甲醇水溶液的热冷两端平均温差，但温差较小且变化不大。当功率大于80W时，温差均升高，但3种工质的温差区别很小。

图12 45°倾角下热阻随功率的变化

图14显示了在50%充液率、倾角为90°条件下水、甲醇水溶液和甲醇的热阻随功率变化的曲线。由图14可知，当功率低于120W时，各工质的热阻值均在不断降低，功率由120W升到160W的过程中，水和甲醇水溶液的热阻继续降低，达到最小热阻（0.3℃/W左右），而甲醇的热阻开始升高。当功率高于160W时，3种工质热阻均升高，但甲醇的热阻远大于另外两种工质的热阻。图15显示出3种工质的热、冷两端平均温差均随着加热功率的增大而增大。水的变化斜率比较平缓，甲醇的变化斜率最大，而甲醇水溶液开始较平缓，当加热功率大于160W后增加显著。

图13 45°倾角下热冷两端温差随功率的变化

图14 90°倾角下热阻随功率的变化

图15 90°倾角下热冷两端温差随功率的变化

综上所述，随着倾角的变化，甲醇水溶液、水和甲醇的热阻值的相对大小发生了变化。在低、中加热功率情况下，当倾角为0°时，甲醇水溶液与水和甲醇相比热阻值居中。当倾角为45°和90°时，甲醇水溶液与甲醇和水相比，热阻值最小，且随着倾角增加，甲醇水溶液热阻值最小的功率范围逐渐扩大。

3 结 论

采用水、甲醇、甲醇水溶液作为工质，分析了50%充液率下不同功率、倾角下的脉动热管启动性能和稳定运行时的传热性能，得出如下结论。

（1）在低加热功率下，甲醇水溶液的启动时间比甲醇短，但比水长。甲醇水溶液比水更容易启动。混合工质的启动方式与纯工质的启动方式一致，甲醇水溶液和水的启动方式均为温度渐变型，甲醇的启动方式为温度突变型。

（2）在90°倾角时，甲醇水溶液稳定运行时热冷两端温差比甲醇小，加热段的温度也都低于甲醇加热段的温度。

（3）倾角为时0°时，水、甲醇水溶液的热阻随加热功率增加而减少，甲醇的热阻随着功率的增加先减少，再增加；倾角为45°和90°时，水、甲醇水溶液和甲醇3种工质的热阻均随着功率的增加而先减少，再增加。在低、中加热功率情况下，甲醇水溶液的热阻低于另外两种工质，最小热阻值分别为0.38℃/W和0.3℃/W。

符 号 说 明

cpl—— 液体比热容，kJ/(kg·K)

dP/dT—— 饱和状态下温度变化与压力变化的关系值，10-3·Pa/℃

H—— 汽化潜热，kJ/kg

Q—— 加热功率值，W

R—— 热管的整体热阻，℃/W

Ta—— 绝热段平均温度，℃

Tc—— 冷却段平均温度，℃

Te—— 加热段平均温度，℃

ρ—— 密度，kg/m3

σ——表面张力，10-3N/m

υ——动力黏度，10-6Pa·s

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Heat transfer characteristics of pulsating heat pipe with aqueous methanol as working fluid

WANG Xun，LI Da，LI Yunzhao
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

The experiments on heat transfer characteristics of the start-up and steady operation processes of pulsating heat pipe were conducted using three working fluids at various inclination angles and heat inputs. Water，methanol，and aqueous methanol were used as working fluid with 50% fill ratio. The characteristics were compared and analyzed between aqueous methanol，water，methanol in the start-up and steady operation processes. The type of start-up for aqueous methanol was gradual start-up at low heat inputs and different inclination angles. Start-up time span of aqueous methanol was longer than that of methanol，but shorter than that of water. In a steady operation process，the temperature of aqueous methanol in heating section was lower than that of methanol，and fluctuation of temperature was larger. Aqueous methanol showed the best thermal performance among them at low and medium heat inputs. The minimum thermal resistances of aqueous methanol were 0.38℃/W and 0.3℃/W at the angle 45°and 90°，respectively.

aqueous methanol；methanol；pulsating heat pipe；inclination angle；heat transfer performance

TK 124

A

1000-6613（2014）12-3170-06

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.12.007

2014-04-25；修改稿日期：2014-07-13。

天津市自然科学基金项目（10JCYBJC08100）。

及联系人：王迅（1963—），男，博士，副教授，研究方向强化传热、传热传质。E-mail wangxun@tju.edu.cn。