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      多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管的傳熱特性

      2015-08-22 11:09:18王野紀(jì)獻(xiàn)兵鄭曉歡徐進(jìn)良
      化工學(xué)報 2015年6期
      關(guān)鍵詞:溫性熱阻冷凝器

      王野,紀(jì)獻(xiàn)兵,鄭曉歡,徐進(jìn)良

      (華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

      引 言

      隨著集成化技術(shù)的快速發(fā)展,電子元件等高熱通量器件的散熱問題逐漸成為制約其行業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。環(huán)路熱管(loop heat pipe, LHP)作為一種高效的兩相傳熱裝置,由于具有傳熱效率高、傳熱溫差小、可長距離傳熱等優(yōu)點(diǎn),受到了越來越多的關(guān)注。目前,環(huán)路熱管在航空航天、電子冷卻等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

      環(huán)路熱管的運(yùn)行受諸多因素的影響。作為其中的核心部件,毛細(xì)芯的特性參數(shù)直接影響到LHP的傳熱性能。因此針對LHP的性能優(yōu)化主要集中在對毛細(xì)芯的改進(jìn)上。目前,已有多種結(jié)構(gòu)和材料的毛細(xì)芯投入應(yīng)用,如絲網(wǎng)[4-6]、泡沫金屬[7]、聚乙烯[8]、陶瓷芯[9]、金屬粉末燒結(jié)[10-13]等。然而上述毛細(xì)芯多數(shù)屬于單一尺度結(jié)構(gòu),若孔徑過大會導(dǎo)致毛細(xì)驅(qū)動力不足,孔徑過小則會導(dǎo)致蒸汽溢出阻力過大,很難協(xié)調(diào)蒸汽溢出和液體吸入的矛盾關(guān)系。而多尺度毛細(xì)芯在同一表面上具有不同尺度的孔徑,較小孔徑用于液體吸入,較大孔徑用于蒸汽溢出,在解決毛細(xì)芯對于孔徑尺度的不同需求方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)勢,正逐漸被應(yīng)用到LHP中[14-16]。另外,為滿足工質(zhì)高效蒸發(fā)和抑制熱泄漏對毛細(xì)芯熱導(dǎo)的不同需求,復(fù)合毛細(xì)芯成為毛細(xì)芯發(fā)展的新趨勢,其制作工藝有雙金屬燒結(jié)[17-18]和添加造孔劑[19]等。在LHP的實(shí)際應(yīng)用中,除自身結(jié)構(gòu)外,由于季節(jié)更替和工作環(huán)境的變化,LHP冷凝端所處的環(huán)境溫度、放置角度等因素同樣會影響其傳熱特性。目前,針對多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的研究工作尚未系統(tǒng)展開,對LHP的優(yōu)化機(jī)理仍在探索之中。

      針對上述問題,本文制備了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管,并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式條件下,對其傳熱特性進(jìn)行了測試。

      1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與毛細(xì)芯的制備

      1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

      如圖1所示,本文所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由環(huán)路熱管、電加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成。環(huán)路熱管由蒸發(fā)腔、補(bǔ)償腔、冷凝器、蒸汽管路和液體管路等部分組成。蒸發(fā)腔與補(bǔ)償腔制成一體,直徑分別為?93 mm和?13 mm。蒸發(fā)腔厚度為10 mm。所有管道均由?8×0.5 mm的銅管制成,蒸汽管路和液體管路分別長300 mm和220 mm。

      采用加熱膜片作為模擬熱源,輸出功率由調(diào)壓器和功率表共同控制,輸出范圍為0~200 W。加熱面積為5 cm2。為減小接觸熱阻,在加熱膜片和蒸發(fā)腔壁面之間涂有導(dǎo)熱硅脂。

      溫度測量采用K型熱電偶,共有13個測點(diǎn)。其中,4個測點(diǎn)Te,out、Tc,in、Tc,out、Tcc,如圖1 (a)所示,分別用于測量蒸發(fā)腔出口,冷凝器入口,冷凝器出口和補(bǔ)償腔的溫度。為降低管壁熱阻對溫度測量的影響,如圖1 (b)所示,Te,out和Tcc測點(diǎn)分別伸入蒸汽管路中心和補(bǔ)償腔內(nèi)部。其余9個測點(diǎn)用于測量蒸發(fā)腔壁面溫度,如圖1 (c)所示,其中,Tc為蒸發(fā)腔壁面中心的溫度。數(shù)據(jù)采集所用儀器為Agilent34970A。

      圖1 環(huán)路熱管系統(tǒng)圖 Fig.1 Loop heat pipe for experiment

      冷凝器的冷卻方式有兩種:①風(fēng)冷方式,在室溫下,采用一臺5 W的風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流散熱;②冰冷方式,將冷凝器放置于保持在0℃的冰水混合物中,用于模擬冷凝器所處環(huán)境溫度接近0℃時的情況(如冬季等)。此外,LHP的放置角度θ有3種:θ=0°、90°和-90°。其中,0°代表LHP水平放置,蒸發(fā)腔和冷凝器位于同一高度;90°(-90°)代表LHP豎直放置,蒸發(fā)腔低于(高于)冷凝器。實(shí)驗(yàn)所用工質(zhì)為蒸餾水,充液比(工質(zhì)體積/LHP內(nèi)部總體積)為40%。

      1.2 多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的制備

      本文所制備的多尺度復(fù)合毛細(xì)芯共分為3層,結(jié)構(gòu)如圖2所示。主毛細(xì)芯呈溝槽狀,次毛細(xì)芯和第三毛細(xì)芯呈平板狀。3層毛細(xì)芯厚度均為2 mm。

      圖2 多尺度復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu) Fig.2 Structure of modulated composite porous wick

      主毛細(xì)芯是工質(zhì)的相變區(qū)域。為減小接觸熱阻,本文將其直接燒結(jié)在蒸發(fā)腔壁面上。原料采用88 μm的枝狀銅粉,燒結(jié)成型后的主毛細(xì)芯孔隙率為47%,具有多尺度結(jié)構(gòu)。其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。從圖中可以看出,由于燒結(jié)的作用,銅粉顆粒(particle)之間不僅形成了有利于液體吸入的小孔(small pore),而且聚集成群(cluster),形成了有利于蒸汽溢出的大孔(large pore),從而有效地滿足了同一表面內(nèi)蒸汽溢出與液體吸入對于孔徑尺度的不同需求,達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。

      次毛細(xì)芯采用100 μm的球狀銅粉,利用二次燒結(jié)技術(shù),將其與主毛細(xì)芯燒結(jié)成一體??紫堵蕿?3%,具有單一尺度結(jié)構(gòu),孔隙均勻,不存在多尺度結(jié)構(gòu)所具有的大的蒸汽溢出通道,因此可防止蒸汽向補(bǔ)償腔擴(kuò)散。工質(zhì)發(fā)生相變后,蒸汽即沿著主 毛細(xì)芯的宏觀槽道流出蒸發(fā)腔。

      圖3 主毛細(xì)芯SEM圖 Fig.3 SEM image of primary wick

      第三毛細(xì)芯采用具有高吸水性的隔熱棉,將其貼附在次毛細(xì)芯上,利用自身較低的熱導(dǎo)率以及與次毛細(xì)芯之間較大的接觸熱阻,起到降低熱泄漏的作用。

      綜上,3層毛細(xì)芯分工明確,主毛細(xì)芯用于提供相變區(qū)域并強(qiáng)化傳熱,次毛細(xì)芯用于防止蒸汽向補(bǔ)償腔擴(kuò)散并提供額外的毛細(xì)動力,第三毛細(xì)芯用于阻熱。三層毛細(xì)芯有機(jī)結(jié)合,提升了LHP的傳熱性能。

      2 數(shù)據(jù)處理

      根據(jù)環(huán)路熱管的工作原理,為評價其傳熱性能,將各參數(shù)定義如下:

      (1)熱阻Rtotal為將冷凝器溫度變化所造成的影響考慮入內(nèi),綜合反映LHP與外界環(huán)境之間的散熱能力,本文將熱阻定義如下

      式中,Tc為蒸發(fā)腔壁面中心溫度;Tair為環(huán)境溫度;Q為加熱功率。文獻(xiàn)[20-21]應(yīng)用同樣公式進(jìn)行了熱阻的計算。

      (2)熱泄漏αcc當(dāng)LHP處于穩(wěn)定狀態(tài),可忽略補(bǔ)償腔和液體管路與環(huán)境之間的熱交換,熱泄漏αcc可用式(2)~式(5)[22]算出

      式中,Qcc為從蒸發(fā)腔到補(bǔ)償腔的熱泄漏量;Qvap為由工質(zhì)相變并攜帶至冷凝器中散失的熱量;mf為工質(zhì)的質(zhì)量流量;cp和r分別為工質(zhì)的比定壓熱容和汽化潛熱;Gcc為毛細(xì)芯的熱導(dǎo);Tcc為補(bǔ)償腔的溫度;Tc,out為冷凝器的出口溫度;TV為蒸發(fā)腔的飽和溫度。

      (3)均溫性系數(shù)β 本文定義均溫性系數(shù)β作為比較不同工況下蒸發(fā)腔壁面均溫性的物理量

      式中,max(Teva)為蒸發(fā)腔壁面上所有溫度的最大值;Tavg為蒸發(fā)腔壁面的平均溫度。

      3 結(jié)果分析與討論

      3.1 啟動特性

      啟動特性是衡量LHP性能的重要指標(biāo)。圖4表明LHP在θ=90°,風(fēng)冷條件下的啟動過程。當(dāng)加熱功率為20 W時(熱通量q為4 W·cm-2),蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc、蒸發(fā)腔出口溫度Te,out、冷凝器入口溫度Tc,in均呈現(xiàn)出驟升的現(xiàn)象,表明LHP已成功啟動,并發(fā)現(xiàn)該LHP啟動時間較短,啟動后運(yùn)行穩(wěn)定,無大的溫度波動。

      圖4 LHP的啟動過程 Fig.4 Start-up process of LHP

      3.2 蒸發(fā)腔壁面中心溫度

      蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc是LHP系統(tǒng)中的最高溫度,可用于表征LHP的傳熱性能。圖5顯示出放置角度θ=90°時,冷卻方式對Tc的影響??梢园l(fā)現(xiàn)冰冷方式的Tc始終小于風(fēng)冷方式。當(dāng)加熱功率Q為200 W時(熱通量q為40 W·cm-2),風(fēng)冷方式的Tc為75℃,而冰冷方式僅為64℃。其原因在于,由于冷凝強(qiáng)度的提高,冷凝器中兩相區(qū)域變短,過冷段加長,從而提高了回流液體的過冷度,補(bǔ)償腔溫度相對降低,其與蒸發(fā)腔之間的溫差提高,飽 和壓差隨之提高,促使工質(zhì)循環(huán)加快。因此,冰冷方式較風(fēng)冷方式可以顯著降低Tc,強(qiáng)化LHP傳熱 性能。

      圖5 θ=90°時冷卻方式對Tc的影響 Fig.5 Effects of cooling condition on Tcwhen θ=90°

      圖6表明在冰冷方式下,放置角度θ對Tc的影響??梢钥闯?,-90°的LHP Tc始終最高;當(dāng)Q較小時,0°的LHP Tc最低;隨著Q的提高,90°的LHP Tc逐漸成為最小值,相交點(diǎn)出現(xiàn)在Q=100 W附近(q為20 W·cm-2)。造成這種現(xiàn)象的原因在于,在初始階段,由于Q較小,參與到循環(huán)過程中的工質(zhì)較少,與0°的LHP相比,90°的LHP的多數(shù)液體工質(zhì)聚集在蒸發(fā)腔、補(bǔ)償腔以及蒸汽管路中,工質(zhì)循環(huán)阻力較大,因此Tc相對較高;而隨著Q增加,參與到循環(huán)過程中的工質(zhì)逐漸增多,因液體聚集而產(chǎn)生的阻礙作用減小,同時,重力對于工質(zhì)循環(huán)的輔助作用凸顯出來,使得工質(zhì)流動加快,蒸發(fā)高效進(jìn)行。因此,當(dāng)加熱功率不同時,放置角度對Tc的影響有所不同。

      圖6 冰冷條件下放置角度對Tc的影響 Fig.6 Effects of inclination angle on Tcat ice cooling

      3.3 熱阻

      熱阻Rtotal是衡量LHP傳熱性能的重要參數(shù),較小的熱阻表明LHP具有較好的傳熱性能。圖7表明在風(fēng)冷條件下,放置角度θ對Rtotal的影響??梢钥闯觯?種放置角度的Rtotal均隨著Q的增加而降低。當(dāng)Q較小時,0°的熱阻最?。浑S著Q的增加,90°的熱阻逐漸低于0°的熱阻;而-90°的熱阻始終最高。圖8表明當(dāng)θ=90°時,冷卻方式對Rtotal的影響??梢园l(fā)現(xiàn),相比于風(fēng)冷方式,冰冷方式可以降低熱阻,Rtotal最低為0.19 K·W-1。

      3.4 熱泄漏

      熱泄漏是影響LHP運(yùn)行的重要因素。熱泄漏不僅與毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān),還與毛細(xì)芯中工質(zhì)的分布有關(guān),毛細(xì)芯熱導(dǎo)Gcc隨其潤濕程度的增加 而減小[22]。

      圖7 風(fēng)冷條件下放置角度對Rtotal的影響 Fig.7 Effects of θon Rtotalat air cooling

      圖8 θ=90°時冷卻方式對Rtotal的影響 Fig.8 Effects of cooling condition on Rtotalwhen θ=90°

      圖9 冰冷條件下放置角度對熱泄漏的影響 Fig.9 Effects of θ on heat leak at ice cooling

      在本文中,溫度的不確定度為0.3℃。由圖9和圖10可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)用多尺度復(fù)合毛細(xì)芯可以有效降低熱泄漏,其最大值不超過0.05。經(jīng)計算,熱泄漏的相對不確定度為3.6%,因誤差造成的最大偏移為0.0018。因此,放置角度和冷卻方式對熱泄漏有顯著影響。

      圖9表明在冰冷方式下,放置角度θ對熱泄漏的影響。通過對比不同角度下的熱泄漏,發(fā)現(xiàn)θ=90°的LHP的熱泄漏始終最小。其原因在于90°的LHP蒸發(fā)腔低于冷凝器,液體集中在蒸發(fā)腔和補(bǔ)償腔中,工質(zhì)對毛細(xì)芯的潤濕效果較好,因而熱導(dǎo)Gcc較小。隨著加熱功率Q的增加,不同角度的LHP的熱泄漏表現(xiàn)出不同的變化趨勢。對于0°和-90°的LHP,其熱泄漏隨功率的增加而增加,當(dāng)Q超過40 W后(q為8 W·cm-2),熱泄漏基本趨于穩(wěn)定;而90°的LHP熱泄漏隨Q的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢,最大值出現(xiàn)在Q=100 W處(q為20 W·cm-2)。這是因?yàn)楫?dāng)Q較小時,工質(zhì)的相變面會隨著Q的增加逐漸深入到毛細(xì)芯內(nèi)部,導(dǎo)致毛細(xì)芯潤濕程度下降,3種角度的Gcc均隨之增加。而當(dāng)加熱功率進(jìn)一步增大,0°和-90°的毛細(xì)芯中工質(zhì)分布基本趨于穩(wěn)定,熱泄漏隨Q的變化較小。但對于90°的LHP,加熱功率的增加使其蒸汽管路中滯留的液體減少,工質(zhì)回流加快,毛細(xì)芯再一次被較好地潤濕;同時,熱量可以快速經(jīng)由工質(zhì)攜帶至冷凝器中釋放,從而熱泄漏呈現(xiàn)出下降的趨勢。另外,由上述分析,并綜合圖6中隨著加熱功率的增加,90°的LHP Tc逐漸低于0°的LHP的現(xiàn)象,可以發(fā)現(xiàn)熱泄漏的降低有助于提高環(huán)路熱管傳熱性能。

      圖10表明當(dāng)θ=-90°時,冷卻方式對熱泄漏的影響??梢园l(fā)現(xiàn),冰冷方式的熱泄漏始終高于風(fēng)冷方式。其原因在于,較強(qiáng)的冷凝作用導(dǎo)致回流液體的過冷度過高,蒸發(fā)腔和補(bǔ)償腔之間的溫度差(TV-Tcc)過大,由式(3)可知,熱泄漏隨之增加。因此,提高冷凝強(qiáng)度會導(dǎo)致熱泄漏的增加。

      3.5 均溫性

      圖10 θ=-90°時冷卻方式對熱泄漏的影響 Fig.10 Effects of cooling condition on heat leak at θ=-90°

      圖11 均溫性系數(shù)β隨加熱功率的變化 Fig.11 β variation with heating power

      蒸發(fā)腔壁面的均溫性對于LHP的應(yīng)用具有實(shí)際意義,較差的均溫性可能會影響發(fā)熱器件的安全 使用。圖11表明蒸發(fā)腔壁面均溫性系數(shù)β隨加熱功率Q的變化。可以發(fā)現(xiàn),隨著Q的增加,β逐漸增大,即蒸發(fā)腔壁面溫度的均勻性逐漸變差。此外,在相同角度下,冰冷方式的β小于風(fēng)冷方式。這可能是由于冰冷方式的傳熱性能較好,蒸發(fā)腔內(nèi)部的氣體積存少,液體均勻地分布在相變區(qū)域,因此其蒸發(fā)吸熱較為均勻,從而使得冰冷方式的均溫性好于風(fēng)冷方式。

      通過對比不同角度的LHP的β,可以發(fā)現(xiàn)-90°的LHP均溫性最好,0°次之,90°的均溫性較差。其原因可能是由于毛細(xì)芯中的兩相分布狀況對其熱導(dǎo)影響較大,當(dāng)蒸發(fā)腔與冷凝器的相對高度改變時,由于重力的作用,液體在毛細(xì)芯中存儲的不均勻性會隨著放置角度θ的增加而增大,使得90°的LHP的均溫性差于其他兩種角度。

      4 結(jié) 論

      本文設(shè)計了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管,并在不同的加熱功率、放置角度和冷卻方式的條件下對其進(jìn)行了傳熱性能的測試,主要結(jié)論如下:

      (1)設(shè)計了一種多尺度復(fù)合毛細(xì)芯環(huán)路熱管,有效解決了在蒸發(fā)腔不同區(qū)域?qū)τ诿?xì)芯孔徑尺度和熱導(dǎo)率的不同需求,具有較好的傳熱性能,在200 W加熱功率下(q為40 W·cm-2),蒸發(fā)腔壁面中心溫度Tc最低僅為64℃。

      (2)與風(fēng)冷方式相比,冰冷方式更能強(qiáng)化LHP的傳熱性能,降低Tc和熱阻,熱阻最低為0.19 K·W-1,同時冰冷方式也有利于均溫性的改善。

      (3)當(dāng)加熱功率Q較小時,放置角度為0°的LHP Tc和熱阻最低;隨著Q的增加,90°的LHP Tc和熱阻成為最低值。

      (4)多尺度復(fù)合毛細(xì)芯的應(yīng)用有效降低了熱泄漏。隨著Q的增加,放置角度不同的LHP熱泄漏變化趨勢不同。

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