徐天瀟 崔曉鈺 李治華 孫慎德

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管溫度振蕩及傳熱特性研究

徐天瀟 崔曉鈺 李治華 孫慎德

(上海理工大學能源與動力工程學院 上海 200093)

通過實驗研究了水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管充液率分別為55%、62%、70%、90%下，體積比分別為13∶1、4∶1、1∶1、1∶4、1∶13時的溫度振蕩以及熱阻特性，并與水、甲醇純工質(zhì)振蕩熱管進行了對比。研究表明，混合工質(zhì)振蕩熱管的振幅較純工質(zhì)大且較為均勻；較大充液率時(62%及以上)，大多數(shù)混合工質(zhì)振蕩熱管熱阻大于兩種純工質(zhì)；中等充液率時，部分振蕩熱管出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，受黏度影響，大多數(shù)混合工質(zhì)振蕩熱管出現(xiàn)燒干現(xiàn)象時的功率較小，熱阻較純工質(zhì)大。但是，在水中加入少量甲醇(13:1)做工質(zhì)的振蕩熱管在充液率為55%下不易發(fā)生燒干，且熱阻較其他工質(zhì)低。振蕩熱管的熱阻特性受工質(zhì)黏度、氣液相平衡等因素的共同作用，在不同工況下，各因素作用效果不同。

傳熱特性；振蕩熱管；混合工質(zhì)；實驗分析

二十世紀九十年代，Akachi[1]發(fā)明了振蕩熱管，其導熱能力遠遠超過任何已知金屬[2]，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、熱響應快等優(yōu)點，為解決空冷強迫對流微小空間高熱流密度的散熱問題提供了一種極具前途的傳熱元件。其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、傳熱性能好、可隨意彎曲等優(yōu)點，在未來航空航天電子設備散熱領域具有良好的應用前景。盡管振蕩熱管的結(jié)構(gòu)非常簡單，但其運行機理復雜。振蕩熱管的運行原理可以概括為由于冷熱兩端間存在壓差以及相鄰管間存在壓力不平衡，使得工質(zhì)在加熱段和冷凝段之間振蕩流動，從而實現(xiàn)熱量的傳遞[3]。因此其涉及驅(qū)動振蕩熱管運行的熱力學、控制兩相振蕩流的流體動力學以及流動和相變過程中的傳熱傳質(zhì)學等，因此影響振蕩熱管傳熱性能的因素眾多。

振蕩熱管的研究最早僅限于純工質(zhì)。崔曉鈺等[4]對水、甲醇、乙醇、丙酮四種工質(zhì)不同工況的傳熱情況作了研究，結(jié)果表明，在加熱功率較大且保證不燒干的前提下，振蕩熱管的熱阻受充注何種液體及充液率大小影響較小。充液率較小時，熱阻增大，個別管段出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象，但溫度不會飛升，不致燒毀。R K Sarangi等[5]以水、乙醇為工質(zhì)研究了振蕩熱管啟動振蕩加熱功率、最大加熱功率和最佳充液率。實驗結(jié)果表明，啟動振蕩功率與充液率無關(guān)，最大加熱功率與充液率有關(guān)。對于相同工作溫度，最大加熱功率情況下得到的最佳充液率與工質(zhì)種類有關(guān)。Yuhsing Lin等[6]利用高清攝像機拍攝并研究了甲醇和乙醇在60%充液率，不同加熱功率下振蕩熱管的傳熱特性。研究表明，甲醇振蕩熱管在實驗功率范圍內(nèi)熱阻低于乙醇，文中指出這主要與甲醇(dp/dT)sat值大于乙醇有關(guān)。然而純工質(zhì)有其物性上的局限性，例如比熱和汽化潛熱較大的某些工質(zhì)雖然攜帶能量的能力比較大，但沸點高，不易啟振。因此將工質(zhì)混合可能為振蕩熱管的性能帶來更多不同的影響。

混合工質(zhì)在相關(guān)領域應用中所呈現(xiàn)的特性，可以為混合工質(zhì)振蕩熱管的研究提供參考。魏琪等[7]發(fā)表了水-甲醇混合工質(zhì)兩相閉式熱虹吸管傳熱特性的文章，認為混合工質(zhì)的濃度配比對熱管性能影響較大。陳東等[8]研究了動力型可分離式熱管的特性，其采用非共沸混合工質(zhì)，得到了非共沸混合工質(zhì)的變溫相變特性能夠較好匹配冷熱源溫度的波動，使熱管具有了穩(wěn)定的傳熱性能。Raffaele Savino等[9]發(fā)現(xiàn)選擇合適的兩組元溶液可提高普通熱管傳熱能力。這些領域的混合工質(zhì)都為相關(guān)設備帶來了新的特性，表現(xiàn)出了不同于純工質(zhì)的性質(zhì)。

對混合工質(zhì)振蕩熱管的研究目前比較少。褚紅蕊等[10-11]提出振蕩熱管對二元混合工質(zhì)的要求：1)二元混合工質(zhì)應滿足振蕩熱管的應用場合的工作溫度的要求，并具有適當?shù)娘柡蛪毫Α?)二元混合工質(zhì)與管材應相容，且具有良好的熱穩(wěn)定性，以免產(chǎn)生不凝性氣體。3)二元混合工質(zhì)的ODP(破壞臭氧層潛能值)應盡可能為0，GWP(溫室效應潛能值)盡可能小。

水與甲醇混合后的物性與純工質(zhì)有明顯的不同。J Will Thompson等[12]利用新型黏度計測量水-甲醇黏度，得到了混合物黏度與不同體積配比關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)水-甲醇混合工質(zhì)的黏度比兩種純工質(zhì)普遍升高。另外，水-甲醇溶液具有正偏差性[13]，相變遷移特征表現(xiàn)出顯著的濃度滑移，物性改變和特殊的相變遷移特征使得水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管可表現(xiàn)出獨特的規(guī)律。

本文討論了不同體積比的水-甲醇振蕩熱管振蕩特性及熱阻特性，并進一步分析了影響振蕩熱管特性的因素，闡述了產(chǎn)生這些特性的原因。

1 實驗裝置及方法

選擇水-甲醇體積比為13∶1，4∶1，1∶1, 1∶4，1∶13的不同工質(zhì)，用熱電偶測量充液率在90%、70%、62%、55%、35%下的振蕩熱管各測點的溫度。實驗系統(tǒng)如圖1所示。主要包括振蕩熱管、加熱裝置、冷卻裝置及數(shù)據(jù)采集裝置四部分。振蕩熱管由內(nèi)徑2.0 mm，外徑4.0 mm，總長2.1 m的毛細紫銅管制成，彎道數(shù)為5，總高度為180 mm，垂直放置；加熱裝置采用鎳鉻電加熱絲加熱，加熱功率為20～100 W，功率可調(diào)；蒸發(fā)段和絕熱段都放置在雙層真空有機玻璃保溫層中，并包裹錫箔紙減小熱輻射。冷凝段放入小型風道中央進行強制風冷。由熱電偶、Agilent34970A數(shù)據(jù)采集儀和計算機組成。數(shù)據(jù)采集儀接收熱電偶的電勢信號轉(zhuǎn)換為溫度信號，信號通過RS-232串口輸入計算機，再使用Labview程序語言平臺進行數(shù)據(jù)的顯示、處理及保存。

實驗開始階段采用真空泵對振蕩熱管抽真空，用滴管為振蕩熱管充注事先配好的工質(zhì)，打開電腦和數(shù)據(jù)采集儀，打開加熱裝置及風扇，待冷熱端溫度穩(wěn)定波動后，采集最后10 min數(shù)據(jù)，即刻增加加熱功率，進行下一個工況的實驗。

振蕩熱管尺寸和熱電偶的分布見圖2，實驗系統(tǒng)共布置20根熱電偶，其中19根測管外壁溫，1根測雙層真空有機玻璃保溫層外壁溫。19根熱電偶中，5根布置在蒸發(fā)段彎道處，取平均值作為蒸發(fā)段的壁面溫度；6根布置帶冷凝段頂部彎道處，取平均值作為冷凝段的壁面溫度；此外，為方便考察溫度沿管長方向的變化，在4號管和7號管各布置4根熱電偶。

2 水-甲醇混合工質(zhì)物性及相變特性

標準大氣壓下不同工質(zhì)的物性見表1。

由該物性表可以看出，與水相比，甲醇的沸點低，在振蕩熱管運行過程中，比較容易啟振，產(chǎn)生振蕩流動，同時，甲醇的黏度較小，運動時摩擦阻力較小。但甲醇的比熱和汽化潛熱都較小，流動時攜帶能量的能力較小。從上述對物性比較上看，甲醇與水存在互補性。同時，也必須考慮甲醇與水混合后分子間相互作用造成的物性影響。在考察水與甲醇混合后物性變化時，發(fā)現(xiàn)混合后粘性表現(xiàn)較特殊。

關(guān)于黏度特性變化見圖3，水-甲醇的黏度與不同體積配比關(guān)系圖[12]。該圖是由J Will Thompson等[12]利用新型黏度計測量水甲醇黏度，并與傳統(tǒng)的理論研究進行比較生成的。從圖中可見，水-甲醇在混合之后，混合物的黏度普遍上升，在體積比大約1∶1時達到最大，而且曲線并不對稱。結(jié)合振蕩熱管實驗時所用體積配比關(guān)系，可以看出，水-甲醇各體積配比下黏度大小關(guān)系的排序為1∶1>4∶1>1∶4>13∶1>水>1∶13>甲醇。

注：該數(shù)據(jù)是由REFPRO軟件計算輸出得來。

振蕩熱管在振蕩流動過程中，伴隨著工質(zhì)的相變。受相平衡關(guān)系的影響，氣液相中的各組分的比例也隨著相變有所改變。當壓力一定時(如圖4(a))，對于一定配比(b)的工質(zhì)氣相中甲醇含量(b2)較原溶液多，水含量較原溶液少，而液相中甲醇含量(b1)較原溶液多，水含量較原溶液少。同樣情況也存在于溫度一定的氣液相平衡圖中(如圖4(b))。這種濃度滑移說明兩種工質(zhì)相變過程中并不同步。

溶液的相變過程不同于純工質(zhì)，由于相變過程中濃度梯度的存在，相比純工質(zhì)，增加了一重傳質(zhì)阻力。而且水-甲醇溶液是非共沸溶液，變溫相變溫度區(qū)間大，在沸騰時低沸點組元甲醇與水相比相對較多地轉(zhuǎn)移到氣相中，在凝結(jié)時正好相反，在這個兩元體系中，水的汽化受到抑制，更多保留在液相中。

3 水-甲醇混合工質(zhì)的振蕩特性及其分析

在62%的充液率下水-甲醇混合工質(zhì)與水、甲醇純工質(zhì)振蕩熱管的溫度振蕩特性曲線見圖5。

對比以水為工質(zhì)的振蕩熱管和水甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管的可以發(fā)現(xiàn)，在水中加入甲醇后，溫度振蕩曲線情況有了明顯的不同。

小功率(20 W以下)時，以水為工質(zhì)的振蕩熱管振蕩曲線比較平穩(wěn)，而混合工質(zhì)振蕩熱管則存在小幅波動，這種溫度波動是由測點處氣液相工質(zhì)不斷交替更新造成的?；旌瞎べ|(zhì)中甲醇的存在降低了工質(zhì)的沸點，使得工質(zhì)易沸騰，產(chǎn)生較多的氣泡，因此測點處溫度產(chǎn)生波動。但這種波動并沒有引起冷熱段溫差的減小，這是由于此時加熱功率較低，產(chǎn)生的氣泡較小，推動力不足，因此振蕩熱管中并沒有產(chǎn)生穩(wěn)定的宏觀環(huán)流，因此冷熱段的熱量交換沒有顯著提高。

在大功率下(20 W及以上)，混合工質(zhì)和純工質(zhì)振蕩熱管都有振蕩，但與純工質(zhì)相比，混合工質(zhì)振蕩熱管存在以下兩個特點：第一，蒸發(fā)段和冷凝段的波動增加，振幅增大。這說明混合工質(zhì)振蕩熱管中的氣泡的生長狀態(tài)與純工質(zhì)有了不同。在蒸發(fā)段，工質(zhì)由液相轉(zhuǎn)化為氣相，由于氣相中甲醇組分較多，氣泡與周圍液體產(chǎn)生濃度差，抬高了周圍液體的泡點，相對于氣泡來說，氣泡周圍液體是過冷的，氣泡的生長也相比純工質(zhì)更加緩慢。而在冷凝段，工質(zhì)有氣相轉(zhuǎn)化為液相，氣泡中水較甲醇更多的冷凝，剩余氣相的露點溫度不斷降低，難于冷凝，減慢了氣泡的消減過程。其中，混合工質(zhì)對冷凝段的影響更大，甲醇的存在相對于水來說，在某種程度上相當于不凝性氣體，對傳熱的影響更大；第二，混合工質(zhì)振蕩熱管的蒸發(fā)段和冷凝段的振幅相比純工質(zhì)較均勻。特別是蒸發(fā)段沒有出現(xiàn)類似純工質(zhì)振蕩熱管的溫度偶爾飆升現(xiàn)象。由于蒸發(fā)段一般貼附在電子元器件上，蒸發(fā)段溫度平穩(wěn)波動對設備的熱沖擊較小，有利于電子元器件的安全可靠運行。

4 水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管的熱阻特性及其分析

由于振蕩熱管中初始充液時液體分布不均勻，小加熱功率(35 W以下)時振蕩不充分，雖然振蕩熱管中熱阻曲線總體趨勢一致，但具體測點數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果可重復性不好，各配比混合工質(zhì)振蕩熱管熱阻相對差異不穩(wěn)定，所以只討論35 W以上整體熱阻特性。

4.1 較高充液率下振蕩熱管熱阻特性

根據(jù)振蕩特性整理出下圖6充液率為62%的水、甲醇、水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管的熱阻特性。

如圖6所示，較大充液率下，所有工質(zhì)振蕩熱管熱阻隨加熱功率的增大而減小。比較兩種純工質(zhì)振蕩熱管熱阻曲線可知：在35 W以后，水振蕩熱管熱阻小于甲醇。這是由于水的比熱和汽化潛熱較甲醇大，攜帶能量的能力較強，冷熱端換熱更加充分，因此35 W之后，水振蕩熱管熱阻小于甲醇。

比較混合工質(zhì)和純工質(zhì)振蕩熱管熱阻曲線可以發(fā)現(xiàn)：35 W之后，由于不同工質(zhì)振蕩熱管普遍啟振，振蕩的差異對熱阻的影響減小，此時熱阻的差異主要與工質(zhì)及其流動特性有關(guān)?；旌瞎べ|(zhì)在發(fā)生相變時氣液相濃度不同，水-甲醇混合工質(zhì)具有極大正偏差性，同一組分氣液相間存在濃度差，而且在界面處濃度梯度較大，水甲醇混合工質(zhì)較純工質(zhì)發(fā)生相變時傳質(zhì)阻力較大，造成混合工質(zhì)傳熱傳質(zhì)特性不如純工質(zhì)活躍，流動動力較小；加之混合工質(zhì)普遍黏度較大，混合工質(zhì)較純工質(zhì)在振蕩熱管中流速較慢，因此混合工質(zhì)振蕩熱管傳熱性能不如純工質(zhì)理想，熱阻較大。

4.2 中等充液率下振蕩熱管熱阻特性

圖7為充液率為55%時水、甲醇和水-甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管的熱阻特性。振蕩熱管熱阻在小功率下隨加熱功率的上升而減小，除體積比為13∶1的混合工質(zhì)外，其他振蕩熱管在功率增大后出現(xiàn)了熱阻上升的現(xiàn)象，這是由于中等充液率下工質(zhì)的量較少，在大加熱功率作用下，管內(nèi)工質(zhì)氣化，缺少充足液態(tài)工質(zhì)回流蒸發(fā)段而出現(xiàn)局部燒干的原因。

圖7為充液率為55%時水、甲醇和水/甲醇混合工質(zhì)振蕩熱管的熱阻特性。振蕩熱管熱阻在小功率下隨加熱功率的上升而減小，除體積比為13∶1的混合工質(zhì)外，其他振蕩熱管在功率增大后出現(xiàn)了熱阻上升的現(xiàn)象，這是中等充液率下工質(zhì)的量較少，在大加熱功率作用下，管內(nèi)工質(zhì)氣化，缺少充足液態(tài)工質(zhì)回流蒸發(fā)段而出現(xiàn)局部燒干的原因。比熱和汽化潛熱大，攜帶能量能力強的工質(zhì)由于在同樣加熱量下吸收的熱量較多，工質(zhì)流動過程中可以在加熱段帶走較多的熱量，因此不容易局部過熱導致燒干。反之，則較容易發(fā)生燒干。

對比純工質(zhì)，甲醇振蕩熱管較水發(fā)生燒干現(xiàn)象的功率較小，熱阻較大。這是由于水的沸點、比熱和汽化潛熱較其他工質(zhì)均高，攜帶能量的能力強，蒸發(fā)段的能量及時被帶出，冷凝段液體及時回流，因此振蕩熱管冷熱段間換熱較充分，不容易發(fā)生燒干。

水/甲醇之比為13∶1的混合工質(zhì)振蕩熱管沒有發(fā)生燒干，且熱阻較低。由圖3可見，相比其他體積比的混合工質(zhì)，一方面，該配比的工質(zhì)黏度與水比較接近，并沒有明顯的黏度增大。另一方面，由于該體積比含水較大，比熱氣化潛熱較大，攜帶能量的能力比較大。另外，與純工質(zhì)相比，由于甲醇量較少，比熱和汽化潛熱與純水相差不大，而從圖4可以看出，由于濃度滑移，甲醇抑制了水的汽化作用，更多的水處于液相。由于具備了以上特性，水/甲醇13∶1的混合工質(zhì)振蕩熱管抵御燒干的能力較強，且熱阻較低?？梢?，55%充液率下在水中加入少量的甲醇，對振蕩熱管的傳熱性能產(chǎn)生了有利的影響。

其余配比的混合工質(zhì)振蕩熱管開始燒干現(xiàn)象的功率較純工質(zhì)小，且整體熱阻較高。在相變過程中，雖然甲醇的存在一定程度上抑制了水的汽化，使得更多的水保持在液態(tài)，但該配比下工質(zhì)由于受黏度和工質(zhì)攜帶能量的能力影響較大，使抑制作用影響不明顯。配比為1∶1和4∶1的工質(zhì)雖然水含量比較多，但出現(xiàn)燒干現(xiàn)象的功率最小，這是由于這兩種配比的黏度最大，工質(zhì)流速低，熱端的能量不容易被工質(zhì)攜帶出，冷端回流也較慢，因此容易發(fā)生局部燒干現(xiàn)象，導致振蕩熱管的熱阻增大。水/甲醇體積配比為1∶4和1∶13的工質(zhì)黏度略大于甲醇，因此較甲醇容易燒干，黏度與水比較接近，但仍然較水容易燒干。這是由于這幾種配比甲醇含量較大，工質(zhì)攜帶能量的能力較差，因此也較容易發(fā)生燒干現(xiàn)象。

當充液率進一步減小時，由于液體總量小，極易出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，且所有實驗配比下振蕩熱管熱阻較大，振蕩熱管傳熱性能較差，不利于實際中工程應用。

5 結(jié)論

本文分析了不同充液率，不同配比下振蕩熱管溫度振蕩特性曲線和熱阻特性曲線，并闡述了產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因，得出以下結(jié)論：

1)水甲醇混合工質(zhì)在溫度振蕩特性方面與純工質(zhì)有所不同。較小功率(10 W)下，由于甲醇沸點較低，不同于純工質(zhì)，混合工質(zhì)振蕩熱管溫度振蕩曲線有明顯波動，但這種波動未引起冷熱端溫差的減小。較大功率(20 W及以上)下，由于混合工質(zhì)黏度增大，以及受到相變時濃度滑移的影響，混合工質(zhì)振蕩熱管在冷熱端的波動增加，振幅增長，且振幅較為均勻。這樣的特性可以減少對敏感的元件的熱沖擊。

2)在較大充液率下(62%以上)，由于混合工質(zhì)在相變過程中界面處濃度梯度較大，傳質(zhì)阻力比純工質(zhì)大，且混合工質(zhì)黏度較大，因此混合工質(zhì)振蕩熱管的熱阻普遍大于純工質(zhì)，只有甲醇組分較小的13∶1混合工質(zhì)振蕩熱管熱阻與水相當。

3)在中等充液率下(55%)，大部分工質(zhì)均出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，水甲醇比為13∶1的混合工質(zhì)振蕩熱管由于黏度與水相當，且相變過程中甲醇對水的抑制作用，其抵御燒干的能力較強，而其他混合工質(zhì)由于黏度遠大于純工質(zhì)，在較小加熱功率下均出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。

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About the corresponding author

Cui Xiaoyu, female, professor and doctoral tutor, University of Shanghai for Science & Technology, +86 21-55271568, E-mail: xycui2001@yahoo.com. Research fields: refrigeration and air conditioning technology, electronic equipment thermal analysis and management, calculation of heat transfer and fluid flow, heat and mass transfer technology and efficient heat exchanger.

Experimental Investigation on Thermal Performance of Oscillating Heat Pipe with Water/Methanol Mixture as Working Fluids

Xu Tianxiao Cui Xiaoyu Li Zhihua Sun Shende

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Shanghai, 200093, China)

An experimental investigation was performed on the oscillating characteristics and thermal resistances of the oscillating heat pipe(OHP) with water/methanol mixture under varied mixing ratios(i.e. 13∶1,4∶1,1∶1,1∶4 and 1∶13) and filling ratios (i.e. 90%,70%,62% and 55%) , which is compared with the pure working medium, water and methanol. Experimental results showed that the amplitude of the OHP with mixture was larger than the pure working fluid. Generally, the thermal resistance of the OHP with the mixture working medium was mostly higher than that with pure one when the filling ratio was more than 62%.The OHP with mixture was easier to dry out than that with pure one. When the filling ratios were 55%, the thermal resistance of the OHP with mixture rises faster. Specially, the working medium with little methanol (13:1) and much water was ideal because of the high heating power when dry out in 55% filling ratio. The thermal resistance of the OHP was mainly determined by the viscosity of working medium, phase equilibrium and so on. The primary factor changes in different working conditions.

heat transfer performance; oscillating heat pipe; mixture working fluids; experimental investigation

0253- 4339(2015) 01- 0070- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.070

國家自然科學基金(51076104)和2012年度“科技創(chuàng)新行動計劃”高新技術(shù)領域項目(12dz1143800)資助。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51076104) and 2012 Project of High Tech Gield-Action Plan of Science and Technology Innovation (No. 12dz1143800).)

2014年4月14日

TB61+2； TB657.5

A

崔曉鈺，女，教授，上海理工大學博士研究生導師，+8621-55271568，E-mail：xycui2001@yahoo.com。研究方向：制冷與空調(diào)技術(shù)，電子設備熱分析與管理，計算傳熱與流體流動，強化傳熱傳質(zhì)技術(shù)及高效換熱器。