基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

刘向东，王超，陈永平，(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 57；东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 0096)



基于红外热成像的脉动热管运行及传热特性分析

刘向东1，王超1，陈永平1，2
(1扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096)

摘要：基于红外热成像技术和高速可视化观测手段，得到了不同热负荷下脉动热管冷凝段表面的温度分布和管内工质的运行状态，分析了两者与热管传热性能间的内在联系。研究表明：随着热负荷的升高，工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式；冷凝段内主要出现泡状流和塞状流两种流型且离散气泡所占的份额逐渐减小；不同运行模式下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布各具特征；冷凝段表面的红外热图像可成为辨识管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。

关键词：脉动热管；运行状态；红外热成像；气液两相流；传热

2015-08-24收到初稿，2015-11-07收到修改稿。

联系人：陈永平。第一作者：刘向东（1984—），男，博士，讲师。

Received date: 2015-08-24.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51406175)，the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20140488) and the University Science Research Project of Jiangsu Province (14KJB470009).

引　言

脉动热管（又称振荡热管）是20世纪90年代初由Akachi等[1]提出的一种新型热管。它一般由毛细管呈蛇形反复弯折而成，具有结构简单、成本低廉、传热性能好、工作适应性强等优点，在微电子冷却、空间飞行器热控制、高效热回收与热利用等领域具有着良好的应用前景[2-3]。

与传统毛细芯热管不同，脉动热管依靠管内工质在冷热端相变压差驱动下的脉动流动来实现热量从热端向冷端的高效传递[2-3]。因此，充分认识管内气液两相脉动流动及其传热特性成为深入揭示脉动热管传热机理的关键。为此，国内外研究学者结合可视化技术和传统热电偶测温方法对该关键问题开展了实验研究。Tong等[4]和Xu等[5]采用高速摄影法观测了脉动热管内气液两相工质流型的产生和演化过程，获得了热管启动及准稳定运行过程中两相工质所存在的脉动与循环等基本运行方式。Khandekar等[6-7]则在对单回路脉动热管内工质准稳定运行状态和传热特性的实验研究中发现工质运行状态与热管壁温脉动特征间存在着对应关系。Yang 等[8]和屈健等[9-11]采用热电偶测温方法分别观测到了常规铝基和微型硅基板式脉动热管蒸发段和冷凝段特征点壁温在启动阶段的温度“超调”现象，并以此作为热管启动是否完成的判据，同时他们还发现管内工质的脉动运行状态直接决定着热管冷热端热阻的大小。

综上所述，现有研究表明脉动热管内工质运行特性、局部壁温脉动特征及热管传热性能之间密切相关，但由于传统接触式热电偶测温方法难以获得热管整体或区域壁温连续分布特征，致使脉动热管壁温分布特征及其与管内工质运行和传热特性间的内在联系尚未被充分认识。再者，在脉动热管实际工程应用中，也亟需发展一类实用、方便的热管运行特性及传热性能的现场检测技术。与常规接触式热电偶测温手段相比，红外热成像技术可以方便实现对物体表面整体温度场连续分布的实时观测[12-15]。Khandekar等[16-17]利用红外热成像技术成功获得了预埋有闭式脉动热管的均温板在工作时的表面温度连续分布特征，但这些研究并未对脉动热管内工质运行及传热特性与壁温分布特征间的内在联系进行深入探索。为此，本文结合红外热成像技术与高速可视化观测方法，获取脉动热管准稳定运行时管内工质运行状态及冷凝段表面红外热图像，探寻管内工质运行状态、冷凝段表面温度分布及热管传热性能间的内在联系，以期为发展脉动热管运行特性及传热性能的现场检测技术提供一条新思路。

图1　脉动热管可视化及红外热成像实验系统Fig. 1　Schematic diagram of visualization and infrared thermal imaging on pulsating heat pipe

1　实验系统及实验方法

本实验系统由电加热系统、脉动热管系统、高速可视化与红外热成像系统、数据采集系统组成，如图1所示。实验用热管由外径Do=6.0 mm、内径Di=2.0 mm的石英玻璃毛细管经过反复弯折制成，弯折数为5，10根相互平行的竖直管段编号如图1 （b）所示。热管整体垂直放置，长度和宽度分别为400 mm和185 mm，自下而上分别为蒸发段、绝热段、冷凝段，其长度分别为100、25、275 mm。热管抽真空后充入工质甲醇，充液率为47%。蒸发段采用镍铬加热丝缠绕管壁均匀加热，并将其与绝热段埋入填充有保温材料的保温盒中，以减小热量损失，实验中热管热负荷（电加热功率）范围为Q=10～200 W（Q的最大相对误差为4.9%）。整个实验在(25±0.5)℃的恒温环境下进行，通过风扇强制对流将冷凝段热量释放到周围环境中。利用NEC TH9260红外热像仪及其相关测控软件监控、记录和分析处理热管冷凝段表面的红外热图像。热像仪的工作波长为8～14 μm，热灵敏度为±0.08℃，热图像分辨率为640×480像素。实验前，结合K型热电偶与红外热像仪点测得到的温度，对冷凝段表面的发射率进行校核，并通过测控软件对发射率、环境温度等测试参数进行调试。经以上调试后，红外热像仪对冷凝段表面温度的测试结果与真实值间的偏差≤2℃。正式实验时，为了避免热电偶测点及电偶丝对冷凝段红外热图像完整性和连续性的干扰，仅在蒸发段每个U形弯头处布置温度测点，而冷凝段表面温度则通过其红外热图像读取并记录。采用OMEGA高精度K型热电偶和6-1/2位的Agilent 34970数字万用表来测量并储存蒸发段测点的壁温信息，热电偶的布置位置和编号如图1（b）所示，其测温最大相对误差为0.5%。

2　实验结果与分析

2.1管内工质准稳定运行状态与分布特征

充分认识脉动热管运行过程中管内复杂的气液两相运行、分布及演化规律是深入揭示其脉动工作特性及传热机理的基础[3,18]。实验结果表明，从蒸发段受热开始，脉动热管会经历一个蒸发段温度不断上升和管内工质无规律运行的启动阶段[19]，然后热管蒸发段温度便趋于稳定或有规律的脉动，这时热管内工质也进入准稳定运行状态。图2给出了不同热负荷下脉动热管内气液两相准稳定运行状态时的可视化实验图像。由图可知：随着热负荷的升高管内气液两相准稳定运行状态主要呈现出3类模式：①单管小幅脉动；②管间大幅脉动；③整管定向循环。由于每个U形回路单元内的气液两相行为在各自运行模式下皆相似，所以本文对每个运行模式各选取冷凝段某一倒U形管路内的气液两相行为作为代表来进行分析。当脉动热管热负荷较小时（Q=20～40 W），脉动热管内气液两相工质往往呈现单管小幅脉动，如图2（a）所示。此时，脉动热管冷热两端的驱动压差小，气液两相工质只在管内做局部的小幅脉动，单管冷热两端和相邻两平行管内的工质不会出现交换。随着热负荷的提高（Q=50～110 W），脉动热管冷热两端的驱动压差增大并最终推动工质克服流动阻力由蒸发段流入冷凝段乃至相邻管内，而后又激发相邻管内工质产生反向的压力差将工质推回，如此循环往复。这时，管内工质呈现出管间大幅脉动，如图2（b）所示。随着热负荷的进一步升高，管间工质大幅度脉动的范围会逐步扩大到多个U形回路单元，直至最终达到整管定向循环模式（Q=120～200 W），如图2（c）所示。在整管定向循环模式下，管内工质沿一固定的方向循环运行，但由于管内工质及压力分布的不均匀性，循环的速度并不稳定，高低循环速度可随机性地间歇出现。

图2　脉动热管内工质的准稳定运行模式Fig. 2　Quasi-steady operation states of working fluids in pulsating heat pipe

此外，气液两相流型及其分布也是两相工质运行过程中的重要特征。由图2可知，脉动热管冷凝段内出现的气液两相流型主要有泡状流和塞状流，而这些流型的细节特征（气泡/气塞的个数、长度等）在不同运行模式下又各具特点。因此，为了定量描述不同运行模式下管内气液两相流型特征，特引入气泡/气塞长度百分比Pi来进行表征

式中，nt是参与统计的气泡/气塞的总量，ni则是指在总气泡/气塞数量中处于某一量纲1长度L/Di范围内的气泡/气塞数量，其中L为气泡/气塞的长度[图2（c）]。据此，对脉动热管3种准稳定运行模式热负荷范围内所有实验工况中的冷凝段量纲1气泡/气塞长度分布进行统计分析（统计时间长度为10 s），如图3所示。在单管小幅脉动模式下（Q=20～40 W），由于气液两相仅作小幅局部脉动，气泡/气塞的形状及相对位置都较为稳定。此时，蒸发段核态沸腾不断产生离散气泡（L/Di<1）且不易相互聚并，使其在总气泡/气塞数量中所占比例最高[图3 （a）]。随着管内工质进入管间大幅脉动模式，蒸发段的核态沸腾强度与工质脉动剧烈程度提高，使得离散气泡逐渐聚并，长气塞（L/Di>70）不断被“撕断”，造成管内中、短气塞（1≤L/Di≤70）成分增多而离散气泡和长气塞的比例相对减少[图3（b）]。当管内工质进入整管定向循环模式，管内工质在蒸发段和冷凝段间快速循环输运，过程中离散气泡聚并、长气塞“撕断”及冷凝缩短等现象频繁发生，导致中、短气塞（1≤L/Di≤70）份额持续增大，离散气泡和长气塞的比例继续减少[图3（c）]。

图3　不同准稳定运行模式下量纲1气泡/气塞长度分布Fig. 3　Distribution of bubbles / plugs length under different quasi-steady operation states■　1≥L/Di; □　1

2.2冷凝段管壁温度分布特征及传热特性

脉动热管主要依靠管内工质在冷热两端的能质输运来实现热量传递，因此管内工质的流动状态与热管的传热性能密切相关。为此，图4给出了不同准稳定运行模式下冷凝段的典型红外热图像。由图可知，准稳定运行模式的不同导致冷热两端的能质输运强度产生差异，使得脉动热管冷凝段红外热图像（即冷凝段管壁温度分布）各具特征。需要说明的是，本文实验工况下脉动热管石英玻璃管壁具有一定热惰性（其导热傅里叶数Fo = 8.2 × 10-2～9.4×10-2），因此，图4所示的冷凝段红外热图像（冷凝段管壁温度分布）反映的是管内工质脉动流动传热所产生的一种平均结果。为了分析图4给出的冷凝段管壁温度的空间分布特征，分别采用如图1所示的6#、7#竖直管段壁面的纵向温度分布曲线（6#、7#竖直管段壁面沿纵向共有360条水平像素线，每条线上有7个像素点，取这7个像素点温度的平均值作为该水平线所在纵向位置的壁温值）和冷凝段区域水平线l1～l4上的横向温度分布曲线（每条水平线共有286个像素点）进行定量表征，如图5、图6所示。由图可知，单管小幅脉动模式下，冷热工质仅依靠局部脉动在冷凝段根部发生微弱的能质交换，而在其他部分基本依靠自身的导热实现能量传递，因此除了根部局部区域之外的冷凝段垂直管段温度呈现自下而上的线性减小趋势，如图4（a）和图5（a）所示。而从水平方向上看，冷凝段根部区域的管壁温度会由于管内工质脉动方向的不同而出现高低变化，如图4（a）和图6（a）所示。而在管间大幅度脉动模式下，管中或管间的冷热端工质实现了交换，工质可以通过大幅度的脉动将蒸发段的热量输运至冷凝段散失，冷凝段根部高温区域的面积增大，整段的温度水平升高，如图4（b）和图5（b）所示。同时，管中或管间的工质脉动幅度的不同导致各平行管在不同水平高度上的温度高低变化（工质向上脉动幅度较大的管壁温度较高，反之较低），如图4（b）和图6（b）所示。随着管内工质进入整管单向循环模式，各垂直平行管段分别交替成为工质的“上升管”和“下降管”，管壁温度也随之出现高低的交替变换，如图4（c）、图5（c）和图6（c）所示。同时，由图4（c）和图5（c）可知，由于此时管内工质实现了高效的潜热吸热/放热和显热输运，因此“上升管”和“下降管”具有较小的纵向温差。

图4　不同准稳定运行模式下的冷凝段红外热图像Fig. 4　Infrared thermograph of condenser under different quasi-steady operation states

图5　不同准稳定运行模式下冷凝段纵向温度分布Fig. 5　Vertical temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

图6　不同准稳定运行模式下冷凝段横向温度分布Fig. 6　Horizontal temperature distribution of condenser under different quasi-steady operation states

为了分析脉动热管换热性能与热负荷、工质运行模式及冷凝段壁温分布间的内在关系，特采用整体热阻R对脉动热管换热性能进行表征

图7　热阻与热负荷、运行模式及冷凝段红外热图像之间的关系Fig. 7　Relationship among heat resistance，heat load，operation mode and infrared thermograph of condenserⅠ—small pulsation in single tube; Ⅱ—big pulsation among tubes;Ⅲ—unidirectional circulation

式中，Te和Tc分别为蒸发段和冷凝段的温度平均值（为图1（b）所示的蒸发段T1～T55个温度测点的温度平均值，为冷凝段管壁红外热图像上所有像素点温度的平均值）。如图7所示，单管小幅脉动模式下，热管基本依靠管体和管内工质导热实现冷热端热量交换，传热性能差，热阻高且其随热负荷升高而减小的幅度较小；管间大幅度脉动明显改善了工质在冷热两端的能质输运能力，而且随着热负荷的升高，工质管间大幅度脉动的范围逐步扩大，使得该运行模式下脉动热管传热性能的改善程度最为明显（热阻下降幅度最大）；当管内工质进入整管定向循环状态之后，管内工质具备了高水平的能质输运能力，热阻进一步减小并随着热负荷的增大而趋于稳定。这主要是由于循环工质的能量携带量受到充液量的限制，热管传热能力逐渐趋于定值。更值得注意的是，工质运行状态转变引起脉动热管冷凝段表面的温度分布呈现出不同的特征，从而使脉动热管冷凝段管壁的红外热图像成为辨识脉动热管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。

3　结　论

（1）随着热负荷的升高，脉动热管内工质准稳定运行状态依次呈现单管小幅脉动、管间大幅脉动和整管单向循环3种模式，且热管传热性能逐渐提高。

（2）准稳定运行状态下，脉动热管冷凝段内的气液两相流型主要包括泡状流和塞状流，并且随着热负荷的升高，冷凝段内离散气泡所占的份额逐渐减小。

（3）不同准稳定运行状态下工质能质输运强度的差异导致脉动热管冷凝段壁温分布呈现出不同特征，由此，冷凝段表面红外热图像可成为辨识脉动热管内工质运行状态和判断热管传热性能优劣的重要依据。

值得注意的是，由于实验中热管本体热惰性的影响，本文并未建立脉动热管管壁表面温度脉动与管内气液两相脉动流动间的实时联系，而此联系的建立将为揭示脉动热管内工质脉动流动与传热的耦合机理具有重要意义，因此尚需对此问题开展进一步的深入研究。

符号说明

D——管径，mm

Fo——导热傅里叶数

L——气泡/气塞长度，mm

li——冷凝段横向温度分布取样线(i=1,2,…)

n——气泡/气塞个数

Pi——气泡/气塞长度百分比，%

Q——热负荷，W

R——热阻，K·W-1

T——温度，℃

T——平均温度，℃

Ti——蒸发段温度测点代号(i=1,2,…)

ΔT ——温差，℃

Δt ——时间间隔，s

下角标

c ——冷凝段

e ——蒸发段

i ——内部

o ——外部

t ——总共

References

[1] AKACHI H，POLASET F. Pulsating heat pipe[C]//5th International Heat Pipes Symposium. Melbourne，Australia，1996: 208-217.

[2] GROLL M，KHANDEKAR S. Pulsating heat pipe: progress and prospects[C]//International Conference on Energy and the Environment. Shanghai，China，2003: 723-730.

[3] ZHANG Y W，FAGHRI A. Advances and unsolved issues in pulsating heat pipes [J]. Heat Transf. Eng.，2008，29 (1): 20-44.

[4] TONG B Y，WONG T N，OOI K T. Closed-loop pulsating heat pipe [J]. Appl. Therm. Eng.，2001，21(18): 1845-1862.

[5] XU J L，LI Y X，WONG T N. High speed flow visualization of a closed loop pulsating heat pipe [J]. Int. J. Heat Mass Transf.，2005，48 (16): 3338-3351.

[6] KHANDEKAR S，GROLL M. An insight into thermo- hydrodynamic coupling in closed loop pulsating heat pipes [J]. Int. J. Therm. Sci.，2004，43(1): 13-20.

[7] KHANDEKAR S，GAUTAM A P，SHARMA P K. Multiple quasi-steady states in a closed loop pulsating heat pipe [J]. Int. J. Therm. Sci.，2009，48(3): 685-694.

[8] YANG H H，KHANDEKAR S，GROLL M. Performance characteristics of pulsating heat pipes as integral thermal spreaders [J]. Int. J. Therm. Sci.，2009，48(4): 815-824.

[9] 屈健，吴慧英. 微型硅基振荡热管传热特性 [J]. 化工学报，2011，62(11): 766-771. DOI: 10.3969/j.issn. 0438-1157.2011.11.010. QU J，WU H Y. Thermal performance of micro pulsating heat pipe [J]. CIESC Journal，2011，62(11): 766-771. DOI: 10.3969/j.issn. 0438-1157.2011.11.010.

[10] QU J，WU H Y，WANG Q. Experimental investigation of siliconbased micro-pulsating heat pipe for cooling electronics [J]. Nanoscale Microscale Thermophys. Eng.，2012，16(1): 37-49.

[11] QU J，WU H Y，CHENG P. Start-up，heat transfer and flow characteristics of silicon-based micro pulsating heat pipes [J]. Int. J. Heat Mass Transf.，2012，55(21/22): 6109-6120.

[12] 黄军，黄彦平，马建，等. 红外热像仪在纵向涡强化传热研究中的应用 [J]. 工程热物理学报，2009，30(4): 665-667. DOI: 10.3321/j.issn:0253-231X.2009.04.033. HUANG J，HUANG Y P，MA J，et al. Application of thermal infrared imager in heat transfer enhancement of longitudinal vortex [J]. J. Eng. Thermophys.，2009，30(4): 665-667. DOI: 10.3321/j.issn:0253-231X. 2009.04.033.

[13] 兰忠，朱霞，彭本利，等. 滴状冷凝过程液滴自由表面温度场分析[J]. 物理学报，2012，61(15): 150508. DOI: 10.7498/ aps.61.150508. LAN Z，ZHU X，PENG B L，et al. The analysis of droplet surface temperature field during dropwise condensation process [J]. Acta Phys. Sin.，2012，61(15): 150508. DOI: 10.7498/aps.61.150508.

[14] LI H Z，HMJAK P. Quantification of liquid refrigerant distribution in parallel flow microchannel heat exchanger using infrared thermography[J]. Appl. Therm. Eng.，2015，78: 410-418.

[15] KARADENIZ Z H，KUMLUTAS D，ÖZER Ö. Experimental visualization of the flow characteristics of the outflow of a split air conditioner indoor unit by meshed infrared thermography and stereo particle image velocimetry [J]. Exp. Therm. Fluid Sci.，2013，44: 334-344.

[16] KARTHIKEYAN V K，KHANDEKAR S，PILLAI B C，et al. Infrared thermography of a pulsating heat pipe: flow regimes and multiple steady states [J]. Appl. Therm. Eng.，2014，62(2): 470-480.

[17] HEMADRI V A，GUPTA A，KHANDEKAR S. Thermal radiators with embedded pulsating heat pipes: Infrared thermography and simulations [J]. Appl. Therm. Eng.，2011，31(6/7): 1332-1346.

[18] KHANDEKAR S，SCHNEIDER M，SCHAFER P，et al. Thermofluid dynamic study of flat-plate closed-loop pulsating heat pipes [J]. Microscale Thermophys. Eng.，2002，6(4): 303-318.

[19] 刘向东，陈永平，张程宾，等. 闭式脉动热管启动性能的实验研究[J]. 宇航学报，2011，32(10): 2300-2304. DOI: 10.3873/j.issn. 1000-1328.2011.10.032. LIU X D，CHEN Y P，ZHANG C B，et al. Experimental study on start-up performance of closed loop pulsating heat pipe [J]. J. Astro.，2011，32(10): 2300-2304. DOI: 10.3873/j.issn.1000-1328.2011.10. 032.

Analysis of operation and heat transfer characteristics in pulsating heat pipe based on infrared thermal imaging technology

LIU Xiangdong1，WANG Chao1，CHEN Yongping1,2
(1School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，Jiangsu, China;2Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China)

Abstract:By combination of infrared thermal imaging technique and high-speed visualization method，the surface temperature distribution of condenser in a pulsating heat pipe (PHP) and operating state of working fluid inside the PHP are obtained and the relationship between them and heat transfer performance of the PHP is analyzed. The results indicate that the working fluid sequentially exhibits three quasi-steady operation modes with the increasing heat load viz. small pulsation in single pipe，large pulsation among different pipes and unidirectional circulation. In addition，in the condenser the dominated flow patterns are dispersed bubbles and vapor plugs，and the proportion of the dispersed bubbles decreases with increasing heat load. The difference in strength of heat and fluid flow in the PHP leads to the different characteristics of temperature distribution in the condenser，implying that the infrared thermal image of condenser is an important evidence to the evaluation of working fluid operation and heat transfer performance of the PHP.

Key words:pulsating heat pipe; operation states; infrared thermal imaging; gas-liquid flow; heat transfer

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151338

中图分类号：TK 124

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）04—1129—07

基金项目：国家自然科学基金项目（51406175）；江苏省自然科学基金项目（BK20140488）；江苏省高校自然科学研究项目（14KJB470009）。

Corresponding author:Prof. CHEN Yongping，chenyp@yzu.edu.cn