新型三维脉动热管的性能

王亚雄，丁祥云（内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古 包头 014010）

研究开发

新型三维脉动热管的性能

王亚雄，丁祥云
（内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古 包头 014010）

把传统脉动热管冷却段改进成双螺旋结构，形成新型三维脉动热管，并建立实验平台，考察了以丙酮为工质，在充液率54%、冷却水温度22℃的条件下，不同加热功率（20～700W）、不同倾斜角度（0°、50°、90°）对新型三维脉动热管的启动以及传热性能的影响，通过加热段以及冷却段管壁温度变化判断脉动热管启动运行特性，通过总热阻评价热管传热效果。实验结果表明，脉动热管在 0°、50°和 90°倾斜角度下均可以启动，但90°倾斜角时更有利于新型脉动热管的启动和稳定运行。90°倾斜角时，脉动热管在加热功率40W时启动，100W达到稳定运行状态，700W时到达传热极限，脉动热管的总热阻呈现先减小后增大的趋势，总热阻最小可达0.117℃/W。脉动热管在90°和50°倾斜角度下传热总热阻没有明显差异，但在0°倾斜角时，极易达到传热极限且在整个过程中热阻要比50°和90°倾斜角条件下高很多，加热功率180W达传热极限。

脉动热管；热阻；传热；气化；传递；倾斜角

20世纪90年代初，脉动热管（oscillating heat pipe，OHP）由日本学者AKACHI等［1］最早提出，也称为振荡热管（pulsating heat pipe，PHP）。加热段和冷却段之间的压力差是脉动热管的驱动力［2］。

脉动热管作为超薄平面传热元件，可广泛用于中高温太阳能集热、电子元器件散热、大平面热量雷达面、大功率动力电池冷却或恒温加热、LED照明或显示、电磁体冷却等用途。脉动热管加热或冷却装置具有体积小、结构简单、传热效率高、可靠性高、制造成本低等优点，受到越来越多的重视［3-4］。如今，如何提高脉动热管的传性能是学者们的研究热点，其中影响脉动热管传热性能的因素有脉动热管的工质、充液率、加热方式、冷却方式、脉动热管的结构等［5-10］。

脉动热管的结构对脉动热管的传热性能影响很大，TSENG等［11］对变径脉动热管的传热性能进行研究，脉动热管在水平放置的情况下，变径脉动热管比传统脉动热管的启动功率要小，而且热阻也小一些。王宇等［12］对传统回路型脉动热管和多通路并联回路型脉动热管的传热性能进行对比，结构表明多通路并联回路型的脉动热管总热阻较小。曹小林等［13］采用平板型脉动热管，将大小一致的正方形通道界面改进成通道截面为深度一致、宽度不同的矩形，按照大小相间排列。研究结果得出，截面改变后的脉动热管和改进前脉动热管外界条件相同时，改进后的传热性能比改进前的好。孔方明等［14］针对一种双面三角形通道平板脉动热管进行了实验研究，该热管具有很好的传热性能。SHANG等［15］对传统脉动热管管路结构进行改进，把管径改成相邻管径不同或是一根管路直径不等，并对改进后的脉动热管的传热特性进行研究，得出结论改进后热管在一定的工作条件下传热性能提高了。CHIANG等［16］对不对称排列的微细通道闭合回路脉动热管进行实验。结果表明，不对称排列微细通道闭合回路脉动热管在低弯道数、较低充液率、高的操作温度以及蒸发区和冷凝区较高的温度差下，能够达到一个更好的振荡效果。KWON等［17］对单弯双重直径脉动热管进行试验，观察双重直径对流型和传热性能的影响。结果表明，双重直径脉动热管促进循环流动，且减小脉动热管的热阻。HEMADRI等［18］在以铝或者是钢为材质的基板上加工蛇形槽道，并将其嵌入基板槽道中，称之为脉动热管扩热板。试验研究表明，脉动热管扩热板的传热优势要在特定的条件下才能表现出来，它的有效导热系数范围为400～2300W/（m·K）。

本项目在查阅国内外大量文献和实践应用基础上，提出新型三维脉动热管实验装置。本文主要研究以丙酮为工质，充液率54%，冷却水温度22℃时，在不同倾斜角度（0°，50°，90°）不同加热功率（20～700W）的条件下对新型三维脉动热管的启动和稳定运行性能，以及对传热性能的影响。

1　实验装置

新型三维脉动热管的实验装置如图1所示，主要由脉动热管主体、加热系统、冷却循环系统和数据采集系统四部分组成。脉动热管主体是由外径3mm、厚度0.3mm的紫铜管弯曲而成，总长770mm，加热段长 350mm，绝热段长 390mm，冷却段长30mm，管道间距为30mm，共4弯。冷却段管道缠绕在外径25mm、厚度2.5mm的铜管上，形成双螺旋结构，如图2所示。通过DL-4020低温冷却液循环泵向外径25mm的铜管管道里通冷水进行冷却，控温精度为±0.5℃，通过电子流量计对冷却水流量进行测量。把两块电木加工成所需形状，对冷却段起到固定、保温的作用，并且使脉动热管管道与2.5mm 铜管管道接触良好。在脉动热管管道与2.5mm铜管管道接触处涂上导热胶，保证冷却段脉动热管与2.5mm铜管管道接触良好，并在电木外面包裹保温棉进行保温。

加热段由直流电源、铜板和加热膜组成，直流电源电压及电流的测量精度分别为±0.1V和±0.01 A。加热段的加热方式是把加热膜贴在铜板上对脉动热管加热段进行加热，脉动热管绝热段与加热段通过两块木板固定，木板之间填满保温棉进行保温，见图 3。数据采集系统由电脑、热电偶和 Agilent 34972A数据采集器组成，在脉动热管加热段、绝热段、冷却段的管壁上一共布置18个热电偶，采用直径为0.25mm的T形热电偶对各测温点进行测量，热电偶的测量误差为±0.15℃，热电偶分布如图4所示。实验所用的工质为丙酮，充液率54%，选取倾斜角度0°、50°、90°，冷却水温度22℃，对脉动热管的启动、稳定运行性能和传热性能进行实验研究。加热功率范围为20～700W。

反应脉动热管传热性能的热阻的定义公式见式（1）～式（3）。

图1　新型三维脉动热管热性能实验系统

图2　新型三维脉动热管冷却段双螺旋结构

图3　脉动热管侧视剖面图

根据系统热平衡分析，实验装置加热段和冷却段之间的热量损失不超过6.9%。

图4　新型三维脉动热管尺寸以及热电偶分布图（单位：mm）1～20—测温点

2　实验结果分析

为了减少实验误差与实验的随机性，同组实验重复两次，图5为充液率54%、倾角90°、冷却水温22℃时，两次重复试验计算得出的两组热阻随加热功率的变化图，对两组数据进行拟合如下。实验数据重复性良好。

下面对新型三维脉动热管的启动过程和影响其启动和稳定运行性能的因素进行分析，并对影响其传热性能的因素进行分析。

2.1启动运行过程

图6～图9为新型三维脉动热管在倾斜角为90°、充液率54%、冷却水温22°时冷却段和加热段管壁温度变化情况。由于脉动热管的启动过程很复杂，目前对脉动热管的启动没有严格的定义，一般认为脉动热管冷却段和加热段温度突变并形成一系列温度波动时即为脉动热管启动。

图5　两组重复实验热阻变化

图6为加热功率20W时脉动热管加热段和冷却段温度变化曲线。由图6可见，热量不断的输入脉动热管加热段，加热段的温度不断升高，中间出现温度突变，却没有连续振荡，这是一个能量积累的过程。

如图7所示，加热功率40W时，能量积累到一定值后瞬间爆发，脉动热管壁温出现明显波动，说明其管道内部开始有振荡产生，伴随着工质在管道内迅速上升，使得管道冷却段温度骤升，加热段温度骤减，加热段与冷却段温差变小，工质振荡幅度明显增大，并连续振荡。此时，脉动热管启动。由图7可见，虽然脉动热管加热段和冷却段温度开始上下波动，但并没有成规律性振荡。

如图8所示，加热功率100W时，脉动热管冷热端温度振荡幅度规律，壁温出现整体大幅度波动，振荡频率变大，说明在短时间内对应的热管位置上有大量的工质快速通过，与该位置上温差很大的工质流到该位置上，造成局部温度突变。温差与启动阶段相比变小，并且各测温点间的振幅和振频相近且稳定，此时进入脉动热管的稳定期。

如图9所示，脉动热管冷热端温差增大，加热段壁温振幅变小，传热性能变差，此时到达脉动热管传热极限。

脉动热管管壁温度的波动主要是因为气态工质和液态工质流过管壁时会呈现出不同的传热特性，在同一个测温点的温度变化既与气塞和液塞的分布情况有关，又与热管内气液态工质的振荡情况和相变有关。管道内丙酮发生相变时，会发生气泡的产生、长大、合并、缩小和破碎的过程。当气泡数量迅速增多时，管道内的压力会上升，对应的饱和温度也会升高。影响脉动热管壁温度波动的多种因素的不稳定性使得热管壁温变化特性不同。由图6～图9可见，冷却段的温度波动要比加热段的温度波动大，这是因为工质由加热段流到冷却段，冷却段温度较低，工质在冷却段冷凝放热，较高的换热温差是冷却段温度波动较大的原因。

2.2不同倾斜角度对脉动热管运行特性的影响

2.2.1不同倾斜角度对脉动热管启动性能的影响

图6、图10和图11分别为倾斜角度90°、 50° 和 0°时脉动热管启动时壁温波动图。在倾斜角度为0°和50°时，加热功率加到60W时，脉动热管开始启动，倾斜角度为90°时，加热功率40W时启动运行，由此可见，倾斜角度为90°时更有利于新型三维脉动热管的启动运行。同时由图可以看出，倾斜角度越大，加热段启动运行温度越低，温差也越小。

图6　加热功率20W时冷热端壁温变化

图7　加热功率40W时冷热端壁温变化

图8　加热功率100W时冷热端壁温变化

图9　加热功率700W时冷热端壁温变化

2.2.2不同倾斜角度对脉动热管稳定运行性能的影响

图7、图12和图13分别为倾斜角度90°、50° 和 0°时脉动热管稳定运行时壁温变化情况。由以上三图可见，虽然新型三维脉动热管能够在 0°倾斜角度下启动运行，但在稳定运行时期，温差相对于50°和90°时要大很多，而且振荡状态没有那么稳定。脉动热管在倾斜角度0°和50°时，加热功率120W进入稳定运行状态，而倾斜角度为90°时，加热功率100W即进入稳定运行状态。

图10　加热功率60W、倾斜角50°时冷热端壁温变化

图11　加热功率60W、倾斜角0°时冷热端壁温变化

图12　加热功率120W、倾斜角50°时冷热端壁温变化

2.3不同倾斜角度对脉动热管传热性能的影响

图14为新型三维脉动热管在充液率54%、冷却水温度22℃时不同倾斜角度0°、50°和90°下，传热总热阻随加热功率的变化情况。由图14可见，加热功率加到150W之前，脉动热管的传热热阻随加热功率的增大呈显著减小的趋势，150W 之后，传热热阻减小趋势趋于平缓。在大加热功率时，脉动热管的振荡特征主要是小幅度大频率振荡。在一定的加热功率100W之后，50°和90°的传热热阻大小差别就不那么明显了，这主要是因为通道内影响工质流动的主要因素是表面张力，只要脉动热管内有充足的热驱动力，冷却段和加热段的压力差够大，管道内的气液工质就能够克服表面张力作用，完成其在管道内的流动，完成冷却段和加热段的热量输送过程。

图13　加热功率120W、倾斜角0°时冷热端壁温变化

图14　不同倾斜角度下热阻随加热功率的变化

重力对新型三维脉动热管的传热性能影响很大，不可以忽视。这是因为脉动热管的工作原理是管道内由于吸收热量而变成气态的工质来到冷却段，并在冷却段释放热量，遇冷凝结成液态工质，液态工质是依靠重力作用回流到加热段，如此反复，实现脉动热管的振荡并形成工质循环流动。当脉动热管倾斜角度为90°时，重力作用促进了脉动热管内工质的循环流动；当倾斜角度为50℃时，则是重力在脉动热管所在的平面上的分力促进了脉动热管内工质循环流动。由以上分析，倾斜角度越小，重力的分力也就越小，工质的回流就越弱，传热热阻就会变大，传热极限就会变低。因此，在倾斜角度为 0°时，没有重力对工质的回流起促进作用，传热热阻要大很多，在加热功率180W时，脉动热管就达到传热极限。而50°和90°倾角下，加热功率到700W时达到传热极限［6］。

4　结　论

用丙酮作为工质，分析了54%充液率、22℃冷却水温度下不同加热功率、不同倾斜角度下的新型三维脉动热管启动和稳定运行特性以及传热性能，得出如下结论。

（1）新型三维脉动热管能够正常启动，在90°倾斜角时，传热性能良好，传热热阻最低可达0.117℃/W，加热功率700W时，达到传热极限。

（2）新型三维脉动热管在倾斜角度 0°、50° 和90°时均能启动并稳定运行，其中90°时脉动热管更易启动，也更容易达到稳定状态，而 0°倾斜角时，稳定运行时加热段和冷却段之间的温差要比50°和90°时的温差大很多。

（3）新型三维脉动的传热热阻在不同倾斜角下均随加热功率的增大而减小，50°和90°时，脉动热管的传热性能没有明显差异，传热性能良好，但在倾斜角度为0°时，脉动热管更易达到传热极限，加热功率180W热阻就开始呈增大的趋势，达到传热极限。

符号说明

Te—— 加热段各测温点平均温度，℃

Tc—— 冷却段各测温点平均温度，℃

Q—— 加热功率值，W

［1］AKACHI H，POLASEK F，STULC P.Pulsating heat pipes［C］//5th International Heat Pipe Symposium，Melbourne，Australia，1996：208-217.

［2］SAHA N，DAS P K，SHAMA P K. Influence of process variables on the hydrodynamics and performance of a single loop pulsating heat pipe［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，74：238-250.

［3］DILAWAR M，PATTAMATTA A.A parametric study of oscillatory two-phase flows in a single turn pulsating heat pipe using a non-isothermal vapor model［J］.Applied Thermal Engineering，2013，54：1328-1338.

［4］CUI X Y，ZHU Y，LI Z H，et al.Combination study of operation characteristics and heat transfer mechanism for pulsating heat pipe［J］. Applied Thermal Engineering，2014，65：394-402.

［5］林梓荣，汪双凤，张伟保，等.功能热流体强化脉动热管的热输送特性［J］.化工学报，2009，60（6）：1373-1379.

［6］史维秀，潘利生，李惟毅. 倾角及冷却工况对多通路并联回路板式脉动热管传热性能的影响［J］. 化工学报，2014，65（2）：532-537.

［7］HAN H，CUI X Y，ZHU Y，et al.A comparative study of the behavior of working fluids and their properties on the performance of pulsating heat pipes （PHP）［J］.International Journal of Thermal Sciences，2014，82：138-147.

［8］KARTHIKEYAN V K，RAMACHANDRAN K，PILLAI B C，et al. Effect of nanofluids on thermal performance of closed loop pulsating heat pipe［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，54：171-178.

［9］王迅，李达，李云昭.甲醇水溶液脉动热管的传热特性［J］. 化工进展，2014，33（12）：3170-3175.

［10］张明，苏新军，韩魏，等. 氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性［J］. 化工进展，2015，34（8）：2951-2954.

［11］TSENG C Y，YANG K S，CHIEN K H，et al.Investigation of the performance of pulsating heat pipe subject to uniform/alternating tube diameters［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2014，54：85-92.

［12］王宇，李惟毅. 多通道并联回路型脉动热管运行特性的试验研究［J］. 动力工程学报，2011，31（4）：273-278.

［13］曹小林，周晋，晏刚. 脉动热管的结构改进及其传热特性的实验研究［J］. 工程热物理学报，2004，25（5）：807-809.

［14］孔方明，夏侯国伟，谢明付.平板脉动热管传热性能的实验研究［J］.广东化工，2014，41（6）：145-147.

［15］SHANG F M，LIUD Y，XIAN H Z，et al.Experiments on enhanced heat transfer of self-exciting mode oscillating-flow heat pipe with non-uniform structure［J］.International Journal of Food Engineering，2010，6（2）：1-10.

［16］CHIANG C M，CHIEN K H，CHEN H M，et al.Theoretical study of oscillatory phenomena in a horizontal closed-loop pulsating heat pipe with asymmetrical arrayed minichannel［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer，2012，39：923-930.

［17］KWON G H，KIM S J.Operational characteristics of pulsating heat pipes with a dual-diameter tube［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，75：184-195.

［18］HEMADRI V A，GUPTA A，KHANDEKAR S.Thermal radiators with embedded pulsating heat pipes：Infra-red thermography and simulations ［J］.Applied Thermal Engineering，2011，31：1332-1346.

Performance study for new type of three-dimensional pulsating heat pipe

WANG Yaxiong，DING Xiangyun
（School of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Science & Technology，Baotou 014010，Inner Mongolia，China）

A new three dimensional pulsating heat pipe was formed by improving traditional pulsating heat pipe cooling segment into a double helix structure. An experimental platform of a new three-dimensional pulsating heat pipe was established. In this paper，the influence for the start performance and heat transfer performance of the new type of three-dimensional pulsating heat pipe at various heating powers （20W to 700W）and various inclination angles（0°，50°，90°）were investigated. Acetone was used as working fluid with 54% fill ratio. The temperature of cooling water was 22℃. The start running features of pulsating heat pipe by temperature changes at heating period and cooling period were judged. Heat transfer effect of heat pipe by total thermal resistance was evaluated. Experimental results showed that the pulsating heat pipe could start up at 0°，50°and 90°. It was more conducive for the new type ofpulsating heat pipe to start up and operate stably at 90°. At angle 90°，pulsating heat pipe started up at heat power 40W. Stable operation status at 100W as well as heat transfer limit at 700W were achieved. The tendency of the thermal resistance decreased first and then increased. The minimum heat resistance could reach 0.117℃/W. There was no significant difference for the heat resistance of pulsating heat pipe between the angle 90°and 50°.But at angle 0°，in the whole progress，it was easy to achieve heat transfer limit and the thermal resistance was much higher than that of 50°and 90°.Heat limit at 180W was achieved.

pulsating heat pipe；thermal resistance；heat transfer；gasification；transport；inclination angle

TK 124

A

1000-6613（2016）08-2367-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.10

2015-12-28；修改稿日期：2016-01-24。

内蒙古自治区煤炭洁净化与综合利用工程技术研究中心项目（CX2015-16）。

及联系人：王亚雄（1964—），男，博士，教授，主要研究微型热管及相变装置、纳米多孔材料内的相变传热与传质。E-mail yaxiongw@hotmail.com。