軸向槽道熱管的加工制作及傳熱性能研究

孫浩森張從菊楊開敏毛煜東

(1.山東建筑大學(xué) 學(xué)報(bào)編輯部，山東 濟(jì)南250101； 2.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

熱管是一種高效、可靠的熱傳輸元件，現(xiàn)已得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。 自熱管內(nèi)流動(dòng)和傳熱分析的理論方法提出后，熱管的研究和設(shè)計(jì)進(jìn)入了快速發(fā)展期，尤其是在實(shí)際應(yīng)用場合中，熱管的結(jié)構(gòu)形式呈現(xiàn)多樣化[2]。 熱管結(jié)構(gòu)形式的更替源于液體回流動(dòng)力源的演變，由最初的重力回流和簡單毛細(xì)芯輔助回流變?yōu)楦鞣N結(jié)構(gòu)形式提供回流的驅(qū)動(dòng)力。 隨著科技的進(jìn)步，熱管的研究方法和方式也豐富起來，最初的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究存在一定的局限性，在引入可視化技術(shù)和數(shù)值模擬仿真技術(shù)后[3-7]，在熱管內(nèi)流動(dòng)和傳熱的機(jī)理認(rèn)識(shí)和研究方法等方面都得到了較大拓展。

在眾多熱管形式中，槽道熱管依靠管內(nèi)軸向的微槽道提供毛細(xì)力，而且槽道的開鑿相對(duì)于傳統(tǒng)的毛細(xì)芯簡單，運(yùn)行穩(wěn)定性也更為可靠，使其在航空航天及電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間[5-13]。 與傳統(tǒng)熱管研究相同，針對(duì)于槽道熱管的實(shí)驗(yàn)研究主要是通過測(cè)試熱管的當(dāng)量傳熱系數(shù)、熱阻以及最大傳熱能力等參數(shù)來表征熱管的傳熱性能[3]。 理論研究工作通常關(guān)注不同槽道形狀對(duì)工質(zhì)蒸發(fā)和冷凝過程的影響，以及氣液表面張力和氣液流動(dòng)阻力等參數(shù)對(duì)熱管性能的影響[4-6]，但是在建模過程中，對(duì)問題進(jìn)行了一定程度的簡化和抽象。 同時(shí)受實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的局限，測(cè)量得到的物理量也較為有限，所以，對(duì)其內(nèi)傳熱傳質(zhì)機(jī)理和流動(dòng)過程的特征掌握不是很充分。 數(shù)值模擬方法具有能夠提供全息物理場的特點(diǎn)，用來研究該問題，可以取得較好的效果[5]。 因此，部分學(xué)者使用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)值模擬或兩者相結(jié)合的方法對(duì)異形熱管的原理及性能展開研究，提出了基于新工質(zhì)、新材料和新結(jié)構(gòu)的各種新型熱管[12]。

目前，國內(nèi)外研究的槽道熱管以較為規(guī)則的矩形、三角形和梯形截面為多[3-4，8]，而對(duì)于制作相對(duì)困難但換熱性能更為優(yōu)異的“Ω”形熱管研究較少[5，14]。 有學(xué)者對(duì)不同槽道形狀的熱管進(jìn)行了對(duì)比研究，并對(duì)具有“Ω”形槽道的微型熱管進(jìn)行了理論建模，用于預(yù)測(cè)熱管的熱阻以及最大傳熱能力，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者結(jié)果相符較好[14-17]。

因此，文章針對(duì)“Ω”形槽道熱管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專門的加工平臺(tái)，制作了鋁氨熱管，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了“Ω”形軸向槽道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，研究了該形熱管的傳熱性能。

1 軸向槽道熱管的加工制作

文章研究的“Ω”形軸向槽道熱管擬應(yīng)用于航空航天或者電子散熱領(lǐng)域，工作溫度屬于-20～50 ℃的低溫?zé)峁芊秶?，材料也?yīng)盡量的輕。 因此，熱管的管殼材料采用6063 鋁合金，工作介質(zhì)為氨(NH3)，其純度達(dá)到99.9999%。 管材橫截面結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 熱管截面參數(shù)圖/ mm

由于工質(zhì)在常溫下極易氣化，在灌裝的過程中極有可能會(huì)出現(xiàn)氣液共存的現(xiàn)象，因此將氨容器放置在罐裝系統(tǒng)的最高點(diǎn)并倒置，保證容器下游的管道內(nèi)始終為液體氨。 灌裝系統(tǒng)如圖2 所示，為了確保在液氨流量計(jì)內(nèi)流通的是液態(tài)流體，在流量計(jì)入口前部又增設(shè)了恒溫裝置，使得流經(jīng)流量計(jì)的液態(tài)氨狀態(tài)穩(wěn)定，計(jì)量更為準(zhǔn)確。

圖2 熱管灌裝系統(tǒng)示意圖

常見熱管的封裝方式有夾緊和焊接，如銅質(zhì)殼體熱管多采用夾緊式封裝，不銹鋼的采用焊接的方式。 文章研究的熱管殼體為鋁合金，其硬度較大，無法進(jìn)行夾緊封裝；其內(nèi)工質(zhì)屬于易爆物質(zhì)，也不能簡單地采用焊接方式。 提出的解決方案為:將鋁合金外殼與直徑較小的鋁管進(jìn)行焊接，通過鋁管完成工質(zhì)灌注后，再對(duì)其進(jìn)行封裝。

由于鋁質(zhì)地較軟，對(duì)其進(jìn)行夾緊較為容易，但僅僅依靠夾緊來實(shí)現(xiàn)封裝無法滿足運(yùn)行后管內(nèi)高壓帶來的安全要求，所以需要對(duì)其進(jìn)行焊接。 為了避免焊接過程中產(chǎn)生的高溫造成熱管夾口變軟，引起內(nèi)部高壓氣體泄漏甚至爆炸的危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了一套專用夾持系統(tǒng)。 在灌裝結(jié)束后，使用厚度較大的兩組鉗口對(duì)鋁管進(jìn)行夾緊，然后切斷熱管與灌裝系統(tǒng)的連接，并打開外側(cè)的鉗口對(duì)斷口處進(jìn)行焊接。 此時(shí)保持內(nèi)側(cè)鉗口夾緊防止泄漏，較厚的鉗口能夠較多地吸收焊接產(chǎn)生的熱量，起到隔離兩側(cè)鋁管的作用，使得另一側(cè)熱管的溫度不會(huì)有顯著升高。 制作加工完成的成品如圖3 中所示。

圖3 熱管實(shí)物圖

2 傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究方法

采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示，由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。 所用的熱管長度為1.0 m，沿?zé)峁茌S向在加熱段、絕熱段以及冷凝段每段內(nèi)均勻布置熱電偶，共17 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

實(shí)驗(yàn)中，采用特制的聚酰亞胺加熱片產(chǎn)生的熱流作為熱源，通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源電壓來改變輸入的熱流量，其功率精度誤差為±2.5 W。 為了能較大范圍地測(cè)量熱管的工作性能，冷卻方式采用液體冷卻，以高性能恒溫水浴提供的恒溫導(dǎo)熱油作為冷源，最低溫度可以到達(dá)-35 ℃，冷源溫度溫控精度為±0.01 ℃。 冷卻水套進(jìn)出口油溫通過放置于進(jìn)出口管內(nèi)的銅—康銅熱電偶測(cè)量， 其溫度誤差為±0.25 ℃，冷卻流體流量使用測(cè)量誤差為5%的流量計(jì)測(cè)量。 熱管壁面的溫度分布采用相同的熱電偶進(jìn)行測(cè)量，溫度數(shù)據(jù)采集通過Fluke 數(shù)據(jù)采集儀實(shí)現(xiàn)。

3 熱管傳熱性能分析

熱管內(nèi)發(fā)生的物理過程包含工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝過程、工質(zhì)氣態(tài)和液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)，此外還有熱管管壁的導(dǎo)熱傳熱。 因此，要表征熱管傳熱性能的優(yōu)劣可以從局部著手，如討論熱管的蒸發(fā)換熱系數(shù)或者冷凝換熱系數(shù)等，也可以從整體出發(fā)，討論熱管的總換熱系數(shù)、總熱阻，以及將熱管看作是實(shí)心金屬棒，分析導(dǎo)熱熱阻等以研究其整體傳熱性能。

3.1 熱管的熱負(fù)荷響應(yīng)特性

熱管狀態(tài)對(duì)熱負(fù)荷變化的響應(yīng)速度是熱管的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。 文章對(duì)啟動(dòng)和關(guān)閉過程中熱管的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究。 分別在兩種冷源溫度下，將熱管加熱10 min，隨后停止加熱，再運(yùn)行10 min，記錄熱管各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖5所示。 分析數(shù)據(jù)可知:在不同冷源溫度(Tc)下，熱管的啟動(dòng)和關(guān)閉特性基本一致；啟動(dòng)時(shí)，溫升主要發(fā)生在起初的一段時(shí)間，熱管內(nèi)的工質(zhì)氨溫度和壓力均快速升高，之后變化緩慢，在較短的時(shí)間內(nèi)(約為4 min)趨于穩(wěn)定；停止加熱后，熱管也在較短的時(shí)間內(nèi)(3～6 min)內(nèi)到達(dá)了與冷源一樣的溫度，且其溫度變化規(guī)律與啟動(dòng)過程相似，方向相反。 在同一冷源溫度下，升高功率，熱管啟動(dòng)溫升和關(guān)閉降溫均較快，但到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間更長，同時(shí)，各段溫度相應(yīng)較高，這也體現(xiàn)了熱管能快速響應(yīng)熱負(fù)荷的特性；在不同冷源溫度、相同負(fù)荷條件下，冷源溫度較高時(shí)，熱管啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間略長。

3.2 熱管溫度分布

熱管表面溫度是實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的最主要參數(shù)，最能直接反映熱管的傳熱性能。 充液率FR(Filling Rate)表示工質(zhì)的充注量，其定義為實(shí)際充注工質(zhì)量與將管內(nèi)壁槽道全部充滿液體而其余區(qū)域?yàn)檎魵鈺r(shí)所需工質(zhì)量之比。 熱管豎直放置時(shí)， 充液率為1.0時(shí)，在不同工作溫度Tw(0、4、8、12、16、20 ℃)下的軸向溫度分布曲線如圖6(a)所示；保持熱管的工作溫度不變，不同功率下熱管軸向溫度分布曲線如圖6(b)～(d)所示。

在不同工況下，絕熱段溫度較為均勻，這是受熱管的運(yùn)行原理影響，同時(shí)良好的保溫措施也是影響因素之一。 由圖6(b)～(d)可知，熱管冷熱段的溫差隨著加熱功率的增加而升高。 熱管加熱段溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在加熱段測(cè)點(diǎn)3 位置附近，即圖6(b)中“＋”所示測(cè)點(diǎn)。 熱管內(nèi)蒸汽被加熱后沿著管內(nèi)空腔向冷凝段運(yùn)動(dòng)過程中被加熱，溫度不斷上升，同時(shí)，溫升程度隨著功率的增加而增加。 熱管溫度最低點(diǎn)出現(xiàn)在冷凝段與絕熱段相交的測(cè)點(diǎn)12，分析可能是該位置是冷卻油入口，冷卻效果較理想。 在較高功率下或者繼續(xù)加大功率，局部較大熱流密度使該點(diǎn)附近液氨汽化量比其他位置多，甚至有可能出現(xiàn)槽道內(nèi)干涸，出現(xiàn)隨著加熱功率的增加溫度迅速升高或者冷熱段溫差過大的現(xiàn)象，此時(shí)的功率即為熱管最大傳熱功率。

圖5 不同功率下熱管溫度瞬態(tài)變化圖(FR＝1.0)

圖6 不同功率下熱管軸向溫度分布曲線圖(FR＝1.0)

3.3 熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

在熱管結(jié)構(gòu)相同的情況下，除了工質(zhì)的物性參數(shù)之外，工質(zhì)的充注量也是影響熱管性能的重要參數(shù)。 如將整根熱管看作是一根實(shí)心的金屬棒，認(rèn)為熱量通過導(dǎo)熱的方式在金屬棒兩端之間進(jìn)行傳遞，根據(jù)其上發(fā)生的傳熱量與兩段溫差計(jì)算得到熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，其隨著功率的變化曲線如圖7 所示。充液率為0.8、1.0 和1.4 的熱管在不同工作溫度下的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)分別如圖7(a)～(c)所示；相同工作溫度下，不同充液率熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)如圖7(d)所示。 熱管的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)在不同工況下的變化規(guī)律為:在同一工作溫度下，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率和充液率的升高呈上升趨勢(shì)；加熱功率相同時(shí)，隨工作溫度的升高而增大。 圖7(d)中充液率為1.0 的曲線有波動(dòng)是由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不確定性引起的，在合理范圍之內(nèi)。

圖7 熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨著功率的變化曲線圖

3.4 熱管總熱阻

熱管的總熱阻借鑒了金屬棒的物性參數(shù)，由熱管冷熱兩端的溫差以及傳熱量計(jì)算得到，能夠比較形象地反映出熱管的傳熱能力大小。 充液率為1.4的熱管在不同傾角下，熱阻隨加熱功率的變化如圖8 所示。 在實(shí)驗(yàn)所給的加熱功率和冷源溫度范圍內(nèi)，熱管熱阻變化較小，在0.11 ～0.17 K/W 范圍內(nèi)波動(dòng)，并且隨著功率的增加熱管的熱阻逐漸變小，變化的趨勢(shì)也不斷減小，最終趨于不變。 由圖中可以看出，角度對(duì)熱管的換熱有一定影響，熱阻最小的工況出現(xiàn)在傾角為60°時(shí)。 由圖6 中熱管軸向溫度分布曲線可知，熱管在絕熱段幾乎為均溫，即該段的熱阻為0，因此，熱管的總熱阻由蒸發(fā)段和冷凝段熱阻組成。 在不同的傾角下，熱管蒸發(fā)段和冷凝段各自液膜的形成和排除具有不同的規(guī)律，因此，各自的傳熱系數(shù)變化呈不同規(guī)律，兩者的綜合作用造成在60°傾角時(shí)熱阻最小。

圖8 不同傾角下熱管總熱阻隨著功率的變化曲線圖

3.5 最大傳熱能力

在熱管的實(shí)際應(yīng)用中，除了上述直接反映熱管傳熱效率的參數(shù)外，熱管的最大傳熱能力也是在選擇熱管時(shí)重點(diǎn)參考的指標(biāo)之一。 最大傳熱能力是在規(guī)定了冷熱兩端溫差≤2 ℃的條件下測(cè)量得到的。不同工作溫度下，熱管最大傳熱能力的變化如圖9所示。 可以看出，熱管的最佳工作溫度為20 ℃，充液率為0.8、1.0 和1.4 時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大傳熱能力分別為67、80 和82.4 W。 該溫度下達(dá)到熱管的最大傳熱能力，因?yàn)閷?duì)于熱管的工質(zhì)而言，隨著溫度的上升，冷熱兩端能夠提供驅(qū)動(dòng)蒸汽流動(dòng)的動(dòng)力增加，兩端間的傳熱量增加，但同時(shí)逆向流動(dòng)的氣液間的阻力以及槽道對(duì)兩者的阻力也會(huì)增加，并且隨著溫度的升高，工質(zhì)的傳輸因素減小，在多個(gè)因素的作用下傳熱能力達(dá)到了最大值。 熱管的最大傳熱能力隨著充液率的增加而增加，但在充液率＞1.0 之后，充液率的增加對(duì)傳熱能力的提升作用并不明顯。

圖9 不同充液率熱管最大傳熱能力隨溫度的變化圖

4 結(jié)論

文章以“Ω”形軸向槽道熱管為研究對(duì)象，針對(duì)殼體硬度大、工質(zhì)易氣化和有爆炸危險(xiǎn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了加工制作平臺(tái)，并對(duì)熱管成品進(jìn)行了傳熱性能測(cè)試的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得到了熱管軸向溫度分布、當(dāng)量換熱系數(shù)當(dāng)量熱阻以及最大傳熱能力等。 主要結(jié)論如下:

(1) 熱管具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)熱性，在不同的加熱功率和冷源溫度下均能較快地啟動(dòng)或者關(guān)閉。

(2) 在相同工作溫度下，熱管的冷熱端溫差隨著加熱功率的增加而升高；熱管最高溫度和最低溫度分別出現(xiàn)在加熱段尾部和冷凝段第一個(gè)點(diǎn)。

(3) 在同一工作溫度下，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率和充液率的升高呈上升趨勢(shì)；加熱功率相同時(shí)，隨工作溫度的升高而增大。 熱管的總熱阻隨著功率的升高而減小且變化幅度逐漸減小，熱管傾角為60°時(shí)，熱阻最小。

(4) 隨著充液率的增加熱管的最大傳熱能力增加，但是增幅越來越小，在充液率＞1.0 后，充液率的增加對(duì)傳熱能力的提升作用不明顯。