重力热管壁温与传热特性的实验分析

郭 浩, 尤天伢, 纪献兵,2*, 徐进良,2

(1.华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室， 北京 102206; 2.华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室， 北京 102206)

重力热管(gravity heat pipe，GHP)是一种高效的两相传热元件。由于其内部不含毛细芯，蒸汽在冷凝为液体后依靠重力回流至蒸发段，因此GHP具有结构简单、易于维护和工作稳定的特点，广泛应用于太阳能集热器[1]、能量回收[2]和电子设备冷却领域[3]。

GHP虽然结构简单，但内部的两相流动和相变传热过程非常复杂，因此相关学者在GHP传热机理分析和性能提升方面进行了大量的研究工作。Cotter[4]于1965年提出了较为完整的重力热管理论，为热管的设计应用提供了参考。影响重力热管传热的因素包括充液比、内壁面特性和工质类型等。Noie等[5]以水为工质对重力热管在冲液比为15%、22%和30%，倾角5°～90°的条件下进行了实验，发现冷凝传热系数随着冲液比的增加而增大，并且在15°～60°的倾角范围内热管具有最佳的传热性能。同时Alammar等[6]通过电火花技术对热管内壁进行处理，提高了表面粗糙度，结果热管总热阻降低了13%～42%。

与充液比和内壁面处理相对应，工质也是影响重力热管性能的重要因素。Jöuhara等[7]研究了乙醇-水共沸物混合热管，并与纯水热管性能进行了对比，发现使用共沸工质降低了蒸发器的运行温度。Adnan等[8]使用由乙醇、丁醇、丙醇等构成的杂醇替代水作为工质，发现与使用水为工质的热管相比，以杂醇为工质可使整体热阻降低35.96%。随着纳米技术的发展，也有学者将纳米流体应用到重力热管中。吴晗等[9]发现与水相比，多壁碳纳米管-水纳米流体可有效改善重力热管的热性能，在质量分数为2%时传热系数比普通水重力热管最大提高40%。但也有相关实验证明纳米流体并不能提高GHP的传热效果[10]。因此选择一种稳定、高效的工质是热管制造过程中的重要环节。

重力热管在运行过程中将会受到加热功率、工质物性等多种因素的影响。现以乙醇、蒸馏水和FC-72为工质，以铜质热管为对象，测量GHP在不同功率时的壁温变化，并以此为基础综合分析了工质物性参数对重力热管启动、壁温波动和传热性能的影响。

1为计算机；2为数据采集器；3为调压器；4为功率计；5为热管主体；6为冷却套筒；7为低温恒温水槽

1 实验系统与实验方法

实验系统如图1所示，其主要由重力热管、加热系统、冷却水循环系统和数据采集系统构成。重力热管由紫铜管制成，其总长度L=700 mm，管内径di=14.8 mm，外径do=19 mm，其中加热段Le=250 mm，绝热段La=200 mm，冷凝段长为250 mm，有效冷凝长度Lc=200 mm。加热系统主要由电热丝、调压器和功率显示器组成。冷却系统包括低温恒温水槽、质量流量计、冷却水套和连接管路，冷却水温度Tcool可通过低温恒温水槽进行设定而流量恒定为100 kg/h。数据采集系统包括安捷伦34970A型采集器，Omega K型热电偶丝和计算机。为测量热管的轴向温度分布，沿蒸发段至冷凝段布置了11个测量截面，其中，蒸发段4个，绝热段2个，冷凝段5个，记每个截面位置为i=1～11。为精确测定热管的壁温分布，同一截面布置了3个热电偶测点：iA、iB、iC，如图1(b)所示。

为降低不凝性气体的影响，首先对热管抽真空，之后注入工质。制作完成的重力热管安装于旋转架，并包裹保温棉。定义热管轴线与水平方向夹角为倾斜角度θ，充液比为工质体积与蒸发段容积之比。定义以乙醇、FC-72和蒸馏水为工质的重力热管分别为Ethanol-GHP、FC-72-GHP和Water-GHP。根据Naresh等[11]的实验结果，GHP的最佳充液比为50%，与Paramatthanuwat等[12]所得结论相同，而Jafari等[13]报道了重力热管内部工质的最佳充液率为35%。因此本次实验中结合上述最佳冲液比参考范围并在进行冲液比影响实验对比后选取冲液比为46%。

2 数据处理

为精确表示GHP截面温度，以同一截面3个热电偶的平均温度作为此截面温度，即

Ti=(TiA+TiB+TiC)/3

(1)

式(1)中：TiA、TiB和TiC为i截面处3个热电偶温度；Ti为截面i处平均温度，i=1～11；蒸发段、绝热段和冷凝段温度为各段热电偶的平均值，即

(2)

(3)

(4)

GHP的传热性能可通过传热系数进行评价，其中传热系数包括蒸发段传热系数和冷凝段传热系数。在计算传热系数时，由于GHP和环境间存在热传递，因此相关研究人员给出了不同的计算式[14-16]。由于实验中重力热管保温层保温效果较好，热损失在最高输入功率时小于3%，因此以Jouhara等[16]提出的计算方法为标准，将加热功率作为GHP的传热功率，相应的蒸发段和冷凝段的传热系数表达式为

(5)

(6)

式中：Q为加热功率；Ae、Ac分别为蒸发段和冷凝段面积，Ae=πdoLe，Ac=πdoLc。

实验中热电偶的不确定度为0.3 ℃，环境温度为20 ℃，根据误差传递原理可计算蒸发传热系数和冷凝传热系数的不确定度为4.6%和5.3%。

3 实验结果与讨论

工质的表面张力σl、汽化潜热hfg和导热系数λl等物性参数可通过影响热管内部工质的相变和循环过程，进而影响热管性能：例如表面张力大小主要影响蒸发和凝结过程，而汽化潜热表征着单位质量工质相变所吸收的热量。表1所示为25 ℃时3种工质的物性参数。可发现，乙醇和FC-72的表面张力分别为水的30.4%和13.9%，汽化潜热分别为水的37.7%和3.6%。所以乙醇和FC-72对管壁的润湿性较好，而由于水的汽化潜热较大，因此在蒸发量相同时可吸收更多的热量。

表1 物性参数

3.1 小功率时GHP的启动过程

图2(a)所示为FC-72-GHP在倾角θ=90°、冷却水温度Tcool=25 ℃、加热功率Q=10 W时的启动曲线。从中可发现，重力热管在受热初期蒸发段温度升高较快。随着加热的进行，当达到工质的饱和温度时，蒸发段内开始产生蒸汽，壁温逐渐稳定。在GHP冷凝段，冷凝后的液体在重力作用下回流至加热段，从而对蒸发段管壁进行润湿并吸收热量进行再循环。在完成启动后，热管各段温度逐渐稳定，内部压力值也逐步稳定。

与图2(a)显示的FC-72-GHP平稳启动不同，Water-GHP在Q=10 W时的启动曲线呈现出大幅波动，温度波动幅值最大为3.2 ℃，如图2(b)所示。此时Water-GHP处于非稳定的核态沸腾换热阶段，这种现象在重力热管中称之为“泉涌”或“间歇沸腾”[17]。其原因在于水的表面张力较大，因此气泡直径较大。在蒸发段中，当聚集的气泡尺寸达到与管内径大小相当时则造成上部液体随气泡一同上移，导致“泉涌”现象发生。同时由于加热功率较小，温度较低，虽然能够激发壁面上核态沸腾的产生，但在“泉涌”发生的同时，蒸发段壁面温度降低[18]，壁面核化点失活，同时冷凝工质回流至蒸发段时，对蒸发段有较好的冷却效果，工质需要再次进入热量积累阶段，从而出现了大周期的温度波动。

图2(c)显示的Ethanol-GHP在小功率启动过程中同样出现了温度波动，但同Water-GHP相比，温度波动幅值降低而频率增加，其原因在于乙醇本身表面张力和汽化潜热较小，所以产生的气泡脱离直径较小而频率较高，因此相应的壁温波动频率也较高，所以工质不同，壁温的波动也会呈现出不同的趋势。

图2 GHP启动曲线

3.2 壁温波动与工质和运行参数的关系

为详细地对GHP运行中的温度波动进行分析，在θ=90°、Tcool=25 ℃时，对Water-GHP、Ethanol-GHP和FC-72-GHP在不同加热功率时的温度波动进行了对比。从图3(a)中可看出，对于Water-GHP，随加热功率的增加，温度波动的频率增加。而当工质为乙醇时，其在功率为40 W时即可达到稳定，如图3(b)所示。对于FC-72-GHP，热管壁温在运行过程中无波动现象出现，因此运行平稳，如图3(c)所示。

Water-GHP内温度波动产生的原因在3.1节中已讨论，所以在此不作详细说明。而随加热功率的上升，壁温波动频率增加的原因在于内部单位时间产生气泡数量的增加，并且当冷凝液回流至蒸发段时，工质达到饱和温度的时间降低，所以温度波动频率随加热功率的上升而增加。而在Ethanol-GHP中，乙醇表面张力和汽化潜热高于FC-72而低于水，在加热功率较小时，产生的气泡在合并后可将蒸发段的上部液体推入绝热段从而产生壁温波动，而随着加热功率的升高，工质相变剧烈程度提高，液池内不断产生气泡，内部气液两相的间歇流动被抑制，并且由于内部气液两相作用气泡很容易发生碎裂从而避免了“泉涌”现象，因此在Ethanol-GHP中存在壁温波动的最大功率较小。

图3 GHP T2B点温度随加热功率变化曲线

除加热功率外，冷却水温度Tcool、倾斜角度θ等因素也可能影响GHP的壁温波动。由于FC-72-GHP具有良好的壁温稳定性，而Water-GHP存在壁温波动的功率范围较广，不便于统计分析。因此以Ethanol-GHP为对象进一步研究了壁温波动存在时的最大功率Qmax与Tcool以及θ的关系。结果如图4所示。可发现，Qmax受Tcool影响较大。当Tcool=5 ℃，而θ=15°、30°、60°时，Ethanol-GHP蒸发段在Q=80 W的工况下依旧存在壁温波动，而当Tcool升高至25 ℃时，在上述4种倾斜角度中，Qmax=40 W。因此随着Tcool的下降Qmax呈上升趋势。其原因在于，当Tcool降低时，热管内压力降低，促进了蒸发段内气泡的溢出，且随着温度的降低乙醇的表面张力增加，气泡尺寸有所提高，因此存在波动的功率范围较广。在研究θ对Qmax的影响时发现，当θ由90°降低至60°时，Qmax增加，当θ由60°继续减小时Qmax无明显变化。这是由于θ由90°逐渐减小时，液体工质与蒸汽逐渐分层，在蒸发段内气泡容易在壁面附着、破裂造成壁面温度波动，而当θ由60°继续降低时，这种效果对壁温波动的影响降低，因此Qmax无明显变化。反之，当倾角由60°向上增加时，气泡所受浮升力增大，气泡容易从壁面脱离，从而降低了温度波动。

图4 Ethanol-GHP壁温存在波动时的最大功率

图5 GHP轴向温度分布

3.3 GHP轴向温度分布

图5所示为Ethanol-GHP、Water-GHP和FC-72-GHP热管的轴向温度分布曲线，为精确表示热管轴向的温度分布情况，取每个测量截面3个温度点(TA、TB和TC)的平均值作为此轴向位置的温度。

在不同加热功率下，GHP内部的相变程度不同，因此轴向温度分布将有所差异。如图5(a)所示，当Q较小时，Ethanol-GHP和Water-GHP的温度分布差别较小，说明此时两种热管的传热性能相近，但当Q=100 W时，3种热管的轴向温度分布差异开始增大，Q=180 W时，温度分布差别明显。如图5(c)所示，FC-72-GHP、Ethanol-GHP和Water-GHP蒸发段的平均温度分别在60、50、40 ℃左右。此时，3种热管中Water-GHP整体温度均匀性最好，蒸发端和冷凝端的温差最小，换热效果最优，Ethanol-GHP次之，FC-72-GHP的换热效果最差。

同时还可发现Q=40 W时FC-72-GHP蒸发段轴向温度不均匀性较大，其蒸发段底部温度T1B约为34.0 ℃，而上部T3B温度则为39.3 ℃，温差较大。当Q=100 W时FC-72-GHP蒸发段温度分布逐渐均匀，而Q=180 W时，FC-72-GHP蒸发段恢复良好的温度分布均匀性。而Ethanol-GHP和Water-GHP在小功率或大功率运行时两种热管的蒸发段温度均匀性均良好。因此温度沿蒸发段轴向方向的温度分布情况与内部工质类型以及热流密度相关。

GHP蒸发段所接收的热量主要由工质的相变吸收，所以上述现象可以从蒸发段的相变模式中加以解释。Jafari等[15]认为根据充液比的不同，蒸发段内具有底部液池沸腾和上部薄膜蒸发的组合传热模式。因此FC-72-GHP在小功率运行时，由于蒸发段底部液池产生的气泡较小，沸腾较为稳定。而在蒸发段上部，冷凝段回流的薄液膜在此受热蒸发，对管壁有降温效果，但是由于FC-72自身相变潜热较小，因此导致受壁面温度较高，从而在蒸发段两端形成较大温差。当FC-72-GHP加热功率升高时，蒸发段内的工质相变程度增加，液池降低，从冷凝段回流的液体量增加，同时蒸发段底部产生的蒸汽可能携带部分液体至蒸发段上部，补充上部液体的供给，因此蒸发段轴向的温度均匀性增加。当工质改为乙醇和水时，由于其具有较高的汽化潜热，加热功率较小时，上部液膜蒸发能有效降低管壁温度，因此蒸发段上部温度稍低，随着加热功率的增加，内部工质相变和气液两相混合程度增加，因此蒸发段轴向温度分布更加均匀。

3.4 GHP蒸发和冷凝段传热系数

图6显示了3种不同工质GHP在θ=90°、Tcool=25 ℃时，蒸发段传热系数He，冷凝段传热系数Hc随加热功率的变化曲线。从图6中可看出，加热功率相同时，工质对He和Hc的影响较大。

图6 θ=90°、Tcool=25 ℃时GHP蒸发段和冷凝段传热系数

当Q<100 W时，Ethanol-GHP的He最大，在Ethanol-GHP中当Q=60 W时，He=1 325 W/(m2K)，而Water-GHP和FC-72-GHP的蒸发传热系数为818 W/(m2K)和616 W/(m2K)。而当加热功率大于100 W时，Water-GHP蒸发段和冷凝段的传热系数在3种热管中均表现最佳。这是由于在加热功率较小时由于乙醇相对于水具有较小的饱和温度，受到热源加热后容易汽化，同时与FC-72相比，乙醇的汽化潜热较高，因此传热系数较大。而在加热功率较大时由于水具备3种工质中最大的蒸发潜热和导热系数，因此少量水的相变即能够带走大量的热量，所以Water-GHP蒸发段传热系数较大。在冷凝段中，当蒸汽凝结为液膜时，后续蒸汽向冷凝壁面的散热需穿透冷凝液膜，在25 ℃时，FC-72、乙醇和水的液体导热系数分别为0.066、0.164、0.606 W/(mK)。因此当工质为乙醇和FC-72时，此时液膜导热系数较低，因此会造成热管冷凝段热阻较高，传热性能较差。上述结果最终导致图6(b)所示的Water-GHP在3种热管中具备较大的冷凝段传热系数，例如当Q=220 W时Water-GHP冷凝传热系数为4 608.0 W/(m2K)，分别为Ethanol-GHP、FC-72-GHP冷凝传热系数的2.67和5.94倍。因此在对蒸发段和冷凝段进行强化传热处理时，可依据工质类型选择性的处理热阻较大位置。

4 结论

实验分别以水、乙醇和FC-72为工质，研究了重力热管的启动、温度波动、温度分布及传热性能，结论如下。

(1)充有乙醇和FC-72的重力热管启动稳定性较好，尤其是FC-72-GHP可在Q=10 W时平稳启动；而Water-GHP在θ=90°、Q=10 W启动时温度波动较大，幅值最大为3.2 ℃。

(2)GHP蒸发段的温度分布和波动与加热功率、工质类型等因素相关。当工质为水时，温度波动存在的功率范围较大。以乙醇为工质时，壁温波动存在时的最大加热功率随冷却水温度的降低而增加。FC-72-GHP壁温曲线平稳，而蒸发段的轴向温度分布随加热功率的增加而逐渐均匀。

(3)在蒸发段，当加热功率较小时，由于乙醇较水易汽化吸热，且潜热与FC-72相比较大，此时Ethanol-GHP的蒸发传热系数较大。在冷凝段内，冷凝液膜的热阻是影响冷凝的重要因素，由于水具有较大的导热系数，因此Water-GHP的冷凝段传热效果较好，Q=220 W时Water-GHP的冷凝传热系数为Ethanol-GHP、FC-72-GHP的2.67和5.94倍。