脉动热管传热性能优化实验研究进展

肖念何; 吴梁玉

【期刊名称】《《建筑热能通风空调》》 【年(卷),期】2019(038)010 【总页数】6页(P41-46)

【关键词】脉动热管; 传热性能; 强化传热; 气液相变 【作 者】肖念何; 吴梁玉

【作者单位】东南大学能源与环境学院; 扬州大学电气与能源动力工程学院 【正文语种】中 文 0 引言

脉动热管是20世纪90年代由日本的Akachi[1]最早提出的，相比传统热管，脉动热管的优点具体表现为[2-3]：结构简单，体积小。当量导热系数大，传热性能好。形状可任意选取，环境适应性好。脉动热管在电子器件冷却和生物医学快速冷却及低温储存等领域应用前景广阔。

脉动热管的发展及应用取决于脉动热管的传热性能，研究表明，管径，充液率，工质，倾角和弯头数等因素主要影响脉动热管传热性能[4-7]，热阻是评价脉动热管传热性能的重要指标，公式为：

式中：Te为蒸发段平均温度；Tc为冷凝段平均温度；Q为加热功率。

本文综述脉动热管传热性能优化的实验研究，分析管路结构改进，使用新型工质和内表面修饰三种优化策略，重点论述脉动热管强化换热机制，最后探究脉动热管传热性能优化的发展趋势。 1 管路结构改进 1.1 非均匀通道型

均匀通道脉动热管在某些状态下难以运行，如水平方向放置等。非均通道脉动热管相比均匀通道的脉动热管多了一个毛细驱动力，这个毛细驱动力能够驱使工质的流动，从而提升脉动热管的传热性能。这是因为液膜在不同截面处的表面张力不同，即产生了一个附加的毛细驱动力。

式中：σ为表面张力系数，N/m；R1、R2分别为不同截面下管径的曲率半径，m。工质在不同管径的通道中所受到的流动阻力也不同，流动阻力的差别也会促使管内工质向流阻小的方向流动。因此，合理利用非均匀通道结构，会给脉动热管内气液两相循环流动注入新的驱动力。

Chien等[8]首次提出非均匀通道结构，设计制造了16通道2 mm×2 mm均匀通道平板脉动热管和16通道2 mm×2 mm和2 mm×1 mm交替出现的非均匀通道脉动热管，在水平角度下，均匀通道脉动热管能有效运行，而非均匀脉动热管无法运行。Tseng等[9]研究了非均匀通道结构对脉动热管的影响，发现其能够加速脉动热管的启动和降低脉动热管的运行时的热阻。Liu等[10]制作了大小管径相间的脉动热管与普通管径一致的脉动热管并形成对比，如图1所示。可视化实验表明，稳定的环状流更易在大小管径相间的脉动热管内部形成，有利于液体工质回流到蒸发端，其对应的热阻也是最低的（如图2），大小管径相间的结构能够提升脉动热管的传热性能。Jang等[11]将通道不均匀率φasy(w1/w2)和通道宽高比φasp引入对非均匀通道脉动热管的研究，如图3所示，实验发现，加热功率为6

W和12 W时，4.0的φasy和2.5的φasp的脉动热管具有最优传热性能，加热功率为18 W时，脉动热管传热性能最优对应的φasy和φasp分别为1.5和2.5。 图1 大小管径相间脉动热管[10] 图2 大小管径相间脉动热管热阻图[10] 图3 不均匀通道示意图[11] 1.2 三维型分布通道

王亚雄等[12]将传统脉动热管改进成一种三维脉动热管，将冷凝段改进成为双螺旋结构，如图4所示，这种三维脉动热管在0°、50°和90°均可以启动，且倾角为90°和50°时，热阻差异不大，总热阻最小可低至0.117 K/W。Hathaway等[13]也设计出一种弯头不均匀式脉动热管，如图5所示，蒸发段有14个完整弯头，而冷凝段有14个完整弯头外加6个局部弯头，这种脉动热管在负90°（蒸发端在上，冷凝端在下）下也能运行，表明弯头不均匀式脉动热管能够降低对重力的敏感性，并且发现，虽然低功率下这种脉动热管在负90°下的传热性能比正90°时的差，但在高功率下，这种脉动热管正负90°下具有的传热性能相当，这一实验结果对逆重力脉动热管的研究意义重大。

图4 新型三维脉动热管冷却段双螺旋结构[12] 图5 弯头不均匀式脉动热管[13]

Jie Qu等[14]设计了一种三维多层脉动热管，如图6所示，层数从1到5，通过五种层数的三维多层脉动热管进行测试，结果表明4层结构的三维多层脉动热管在相同运行参数下相比于其他四种三维多层脉动热管更易启动以及具有更小的热阻，并且相较于具有相同弯头数的二维脉动热管（如图7），在水平角度高加热功率下，具有更低的热阻。 图6 三维多层脉动热管[14] 图7 二维脉动热管[14]

2 改进型工质

工质的沸点，比热容，气化潜热，动力粘度，(d p/d T)sat和表面张力等热物性参数均影响脉动热管的传热性能。以往研究者主要针对不同的纯工质进行研究[15]，发现纯工质热物性存在局限性，降低了脉动热管在某些运行参数下的适应性与可靠性。崔晓钰[16]等研究发现，低功率下，动力粘度是主要影响因素。中等功率下，动力粘度、比热容和汽化潜热共同影响其传热性能。高功率下，动力粘度的影响作用弱化。研究者因此通过混合工质，制备纳米流体和使用微胶囊流体等来改善工质的热物性，从而提升脉动热管的可靠性及适应性。 2.1 自湿润流体

自湿润流体指具有自发润湿高温端特性的非共沸混合溶液，组成混合溶液的各组分的沸点不同。以多碳醇水溶液为例，如图8所示，受到加热时，低沸点多碳醇组分先沸腾，先沸腾的组分在气液界面造成组分浓度梯度，所以A处液体中水的浓度大于B处，从而引起表面张力梯度，再加上由于温度梯度，即A处液体的温度大于B处，又引起另一表面张力梯度，这双重表面张力梯度驱使液体工质自发地向高温区流动[17]，这能避免高温区发生烧干现象，强化沸腾传热。 图8 多组分流体传热机理图

ABE等[18]通过示踪粒子来分析质量分数为1.5%的丁醇水溶液与20%的乙醇水溶液在加热条件下的流动现象，两种溶液中都出现了液体自发地向高温区流动的现象，并且丁醇水溶液内流体流动速度是乙醇水溶液的20倍以上。由此可知，自湿润流体能自发流向壁面气泡成核点，阻碍烧干现象的发生。CECERE等[19]通过CCD也发现非共沸流体受到加热时，液体自发从冷侧流向热侧，这和单组分流体内的流动方向相反。自湿润流体在加热时自发流向高温区的特性能够有效强化沸腾传热。 崔晓钰等[20-23]实验研究以水-甲醇、水-乙醇、水-丙酮和戊醇-丙酮的非共沸流体作为脉动热管工质时脉动热管的传热性能，并与其对应的纯工质脉动热管进行比

较，实验结果表明，非共沸流体工质对脉动热管传热性能的强化随加热功率的升高而减小，随充液率的增大而减小，小充液率下，混合工质相比纯工质脉动热管更不易烧干。张超[24]通过可视化实验发现，相比纯工质脉动热管，非共沸混合工质在启动时，底部产生的气泡会在不同组分交界面聚集，蒸发段压力迅速增大，加速启动过程，启动后管内更易形成单向循环的环状流，能有效减缓烧干现象的产生，不互溶混合工质能促使定向循环工作模式产生，阻碍烧干，互溶混合工质在低加热功率下，热阻较小，高加热功率下，易出现烧干现象。

自湿润流体的传热机理复杂，现阶段自湿润流体的研究多为对宏观传热现象解读，缺乏微观机理分析，因此对其进一步研究意义重大。 2.2 纳米流体

将少量纳米颗粒（金属粒子、氧化物粒子、氮氧化物等）添加到常规工质（水、乙醇和丙酮等）中得到稳定的纳米颗粒悬浮液-纳米流体。流体中的纳米颗粒会提高流体的导热系数[25-26]，有利于启动初期工质的迅速吸热，并且纳米颗粒能够增加液塞内的汽化核心，加速脉动热管的启动。

Ma等[27]发现以体积分数为1%的金刚石/水纳米流体作为工质能减小脉动热管的热阻。冯剑超等[28]实验对比了以体积分数为1%的TiO2/H2O和CuO/H2O纳米流体及水作为工质的脉动热管传热性能，相同充液率下，两种纳米流体脉动热管相比水工质脉动热管，启动功率和时间、工作温度以及热阻均有所降低，工质静止时，纳米颗粒会发生沉淀，工质的运动又能使沉淀的纳米颗粒再次悬浮，温度越高，纳米颗粒的悬浮性越差，越易沉积。Shang等[29]对比研究了Cu/H2O纳米流体脉动热管和水脉动热管的传热性能，实验表明，低、中加热功率下，纳米流体脉动热管的传热性能好，高功率下，反之，这可能与纳米颗粒在高温下悬浮性变差易沉淀有关。因此，纳米流体的使用须考虑其悬浮稳定性，针对这一问题，杨雪飞等[19]提出一种制备改性纳米流体的技术，将二氧化硅纳米颗粒表面改性，然后将其

添加到水中，在50℃的环境温度中静置12小时，可得到悬浮性稳定的改性纳米流体，改性纳米流体能够连续静置12个月不出现任何沉淀。 2.3 相变微胶囊流体

微胶囊颗粒就是将固体、液体或气体封存在一种微型胶囊内形成的。微胶囊流体是由微胶囊颗粒和基液组成的一种新型两相混合流体，微胶囊流体内部的固-液相变会吸收和释放大量潜热，会增大流体的表观比热，再加上相变颗粒对流动传热的影响，相比普通纯工质，微胶囊流体的传热性能更强。

汪双凤等[30]研究了以微胶囊流体作为工质的脉动热管传热性能，实验结果表明，微胶囊流体脉动热管相比水和乙醇为工质的脉动热管具有更宽的工作范围，高充液率下，启动性能更好，蒸发端温度及整体热阻更低。其原因是流体内的微胶囊颗粒有利于汽化核心的形成以及流体在管内的振荡运动，并且流体的表观比热和汽化潜热都比较大。目前为微胶囊流体应用于脉动热管的研究较少，有待学者进一步探究。 3 通道内表面改进 3.1 微结构改造

传统热管工质的循环依赖于毛细芯结构的毛细抽吸力，毛细芯结构主要包括烧结式和沟槽式两类，将毛细芯结构引入脉动热管，会给脉动热管内工质的运行注入新的动力。

Wookyoung Kim等[31]利用微型加工技术制备了内表面具有凹壑结构的硅基脉动热管，如图9所示实验结果表明，内表面具有凹壑结构的脉动热管相比内表面光滑的脉动热管启动时所需的最小加热功率和启动时的热阻分别降低了50%和57%。Jian Qu等[32]将微槽结构引入脉动热管内表面，如图10所示，内表面微槽结构的加入，使得脉动热管启动功率（温度）和蒸发段的平均温度都有所降低，传热性能得到提升。Jian Qu等[33]设计制造了通道底部覆盖烧结多孔铜芯结构的平板脉动热管，如图11所示，实验结果表明，与光滑通道的平板脉动热管相比，

这种烧结芯结构能够显著减小脉动热管的启动温度和启动时间，且这种脉动热管具有更小的温度脉动幅度和更好的均温性，然而，烧干现象在这种脉动热管内却会提早出现，原因是多孔结构引起蒸发段工质剧烈核态沸腾所产生的气膜覆盖了烧结多孔层，阻碍了液体工质回流到热端。为了扩大烧结毛细芯脉动热管的运行范围，需要重新设计制造烧结毛细芯结构。 图9 凹壑结构[31] 图10 微槽结构[32]

图11 平板脉动热管烧结毛细芯槽道[33] 3.2 亲/疏水性改性

接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气—液界面的切线与固-液交界线之间的夹角θ，θ是润湿程度的量度。若θ＜90°，则固体表面是亲水性的，即液体较易润湿固体，其角越小，表示润湿性越好。若θ＞90°，则固体表面是疏水性的，即液体不容易润湿固体，容易在表面上移动。一般利用碱性辅助表面氧化技术，通过控制氢氧化钠和过硫酸铵溶液与铜表面反应浓度的变化，制备具有不同浸润程度表面脉动热管。

Ji等[34-35]在热管的内表面涂覆一层亲水CuO层制得亲水表面，使得脉动热管的传热性能显著提高，并且发现超疏水表面会使得脉动热管传热恶化。郝婷婷[36]通过可视化实验观察发现，具有超亲水和亲水内表面的脉动热管内部工质的脉动运动的剧烈程度大于紫铜脉动热管，相比紫铜脉动热管传热性能分别提高了5%～15%和15%～25%，而疏水脉动热管在整个运行过程中气液塞没有出现脉动，传热性能骤减。随着脉动热管内表面浸润度的增强，工质脉动频率及幅度郑大,脉动热管热阻降低，传热性能得到强化。

然而，传热学中，珠状凝结的传热系数比膜状凝结高出一个数量级[37]。液滴在疏水表面易运动，阻力小。Khandekar等[38]研究发现脉动热管应该选择滞后角小

的表面（润湿性越好，滞后角越大），以此降低工质所受的毛细阻力。Rothstein[39]发现超疏水表面能降低工质的流动阻力。

基于亲水表面和疏水表面的对脉动热管运行的不同影响，郝婷婷等[40]实验研究了完全超疏水和蒸发段为超亲水，绝热、冷凝段为超疏水表面的组合表面的脉动热管，与紫铜脉动热管相比，具有组合表面的脉动热管内工质脉动振幅增加，具有完全超疏水脉动热管出现烧干现象，气液塞振荡运动振幅显著减小。 4 结语

脉动热管由于其独特的运行原理和其结构简单体积小，传热性能强和适用范围广的优点，呈现出巨大的应用潜力，得到国内外学者广泛关注，但目前针对脉动热管传热性能优化的实验研究还不够深入，亟需开展以下工作以进一步提升脉动热管的传热性能。

1）根据脉动热管内气液两相流动与传热现象的可视化观测结果，并结合理论分析，翼图揭示脉动热管内气液相变传热的微观机理。

2）针对不同倾角条件下脉动热管传热性能开展深入研究，特别是探究小倾角甚至是负角度下脉动热管的运行机制。

3）在熟悉多种脉动热管优化策略的基础上，探寻多种优化策略共存机制，发展脉动热管耦合强化传热方法。 参考文献

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