（环境工程专业论文）脉动热管传热特性实验研究.pdf

北京交通大硕+ 学位论文中文摘要 中文摘要 脉动热管作为一种新型的独特的热管，被认为是解决微小空间高热流密度的 散热方式中一种很有前途的传热元件。脉动热管不是单纯的相变传热，而是集显 热传热和相变传热一体，涉及多物理学科的复杂汽液两相流系统，目前其机理依 然不十分清晰。 本文主要研究了脉动热管的振荡机理和传热规律，考察了几种重要因素对传 热性能的影响，对振荡规律做了初步分析。 可视化实验方面，首先建立了脉动热管顶加热实验台，通过可视化的实验， 观察顶加热情况下管内工质的主要流型为塞状流，与同工况下底加热相比并未出 现环状流；顶加热热管加热段中分布较多长泰勒汽泡，底加热加热段分布较多更 利于壁面新汽泡的产生的小气泡，致使顶加热工况下启动时间长。其次进行了管 径粗细交替脉动热管的可视化实验，认为在达到稳定运行以后，粗细交替脉动热 管有利于循环流的维持。 此外，对紫铜环路型和非环路型脉动热管在水冷条件下的运行与传热状况进 行了研究，分析了结构参数和运行参数对脉动热管传热性能的影响，分析传热性 能随充液率、加热功率、工质、倾角、弯数因素的影响。本实验条件下实验结果 表明：在正常脉动工作范围内，充液率越小，热阻越小；以蒸馏水、无水乙醇、 丙酮为工质，丙酮的热阻最小，可低至0 2 5 k w ，启动时间最短约1 0 0 s 左右；在 所有工况下，垂直底加热热阻最低；闭合回路有利于脉动热管循环流动的形成， 传热性能较非闭合回路好。 关键词：脉动热管；顶加热；传热性能；影响因素；热阻 分类号：t k l 2 4 北京交通大学硕士堂堡笙窒 垒里璺里坠竺! 二_ 。一 a bs t r a c t p u l s a t i n gh e a tp i p e ( p h p ) i san e wt y p eo fh e a tp i p e s ，e s p e c i a l l ys u i t e df o rt h e n l i c r o e l e 咖1 1 i c sc o o l i n go fh i g hh e a tf l u x d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a lh e a tp i p e s ，h e a t t 舳s f e ro fp h pi n c l u d e sl a t e n th e a ta n ds e n s i b l eh e a t t h et w o p h a s es y s t e mw h i c h e m b o d i e sm u l t i d i s c i p l i n a r yp h y s i c si ss oc o m p l i c a t e dt h a tt h ei n v e s t i g a t i o n o np h p si s s t i l la tap r i m a r ys t a g e o s c i l l a t i o nm e c h a i l js ma n dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fp u l s a t i n gh e a tp i p ea r e s n j d i e di nt h i sp a p e r e f f e c t so fs o m ef a c t o r si n f l u e n c i n go nt h ep e r f o r m a n c eo fp h p s a r ei n v e s t i g a t e d a n dt h eo s c i l l a t i o nr e g u l a r i t yi sa n a l y z e dp r e l i m i n a r i l y i i lt l l ev i s u a l i z e de x p e r i m e n t a l ，t o ph e a tm o d ev i s u a l i z i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mw a s e s t a b l i s h e df i r s t l y t h em a i nf l o wm o d ei nt o ph e a tm o d ei sb u l kf l o wi n s t e a do fa n n u l a r f l o ww h i c ha p p e a r si nb o t t o mh e a tm o d e i nt o ph e a tm o d e t h e r ea r em a n yt a y l o rt y p e b u b b l e sd i s t r i b u t i n gi ne v a p o r a t o rs e c t i o nw h i l ei nb o t t o mh e a t i n g m o d et h e r ea r em a n y g l o b et y p eb u b b l e sd i s t r i b u t i n gi ne v a p o r a t o r s e c t i o n i ti se a s i e rt og e n e r a t en e w b u b b l e so n 吐i ew a l la r o u n ds m a l lg l o b eb u b b l e si ne v a p o r a t o rs e c t i o n i tm a k e st h e s t a r t u pm u c hh a r d e rf o rt o ph e a tm o d e f o r t h ee x p e r i m e n t a lo fu l l e v e nt u n e rd i a m e t e r p h p ，i ti se a s i e rt om a i n t a i na n n u l a rf l o wa tt h es t a b l es t a t e t h e r u n n i n ga n dh e a tt r a n s f e ro fc o p p e rl o o p e da n du l l l o o p e dp h p su n d e r w a t e r c o o l i n gc o n d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d e f f e c t so ff i l l i n gr a t i o ，i n p u tp o w e r , w o r k i n gf l u i d ， 协c l i n ea n g l ea n dt u r n so nh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t si i l d i c a t et h a tf o rt h ew o r k a b l ef i l l i n gr a t i ot h e r m a lr e s i s t a n c e i n c r e a s e sw i t h f i l l i n gr a t i o w h e nu s i n gw a t e r ，e t h a n o la n da c e t o n ea sw o r k i n gf l u i d ，t h e t h e r m a l r e s i s t a l l c eo fp h pw i t ha c e t o n ei st h el o w e s t , t h es t a r t u pt i m eo fp h p w i t ha c e t o n ei s m es h o r t e s t t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo fp h p i nv e r t i c a lb o t t o mh e a ti st h el o w e s tf o ra l l i n c l i n ea n g l e s a n dt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fl o o p e dp h p i sb e t t e rt h a nu n 。l o o p e d p h ps i n c ei ti se a s e rt of o r mc i r c u l a t i o nf l o wi nl o o p e dp 肿 k e y w o r d s ：p u l s a t i n g h e a tp i p e ；t o ph e a tm o d e ；h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ；a f f e c t i n g f a c t o r s ；t h e r m a lr e s i s t a n c e c l a s s n 0 ：t k l 2 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：沙哒年，2 月印日 签字日期：砂西 年f 月z 。日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：耆承 ，d 帅 签字日期：加谗年，2 - 月2 , 0 日 7 5 致谢 时光飞逝，转眼之间研究生生活已近尾声，在我的论文成型之际，要特别感 谢： 首先由衷地感谢我的导师贾力教授。贾老师渊博的学识、丰富的科研经验以 及严谨的治学态度使我受益匪浅，他脚踏实地的工作作风、认真负责的工作态度、 诚实坦荡的做人原则是我们学习的典范。 杨立新老师对我的论文提出了很多宝贵的意见和建立，并且给予了很大的帮 助，对此我表示由衷的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘鹏飞、何海婷、邵琳、殷龙等同学对我的 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我亲爱的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后诚挚地感谢在百忙中评阅本论文的诸位专家。 绪论 1 绪论 2 0 世纪9 0 年代初，a k a c h i 利用毛细管中由于表面张力作用自然形成液柱和汽 塞的原理发明了一种新型的热管，命名为脉动热管( p u l s a t i n gh e a tp i p eo ro s o l l a t i n g h e a tp i p e ，p h po ro h p ) ，或自激振荡热管( s e l f - e x c i t e do s c i l l a t i n gh e a tp i p e ， s e o h p ) 。脉动热管不需要采用机械振动装置，是一种利用相变产生汽泡和凝结过 程推动工质振荡流动而实现高效传热的元件。 脉动热管是热管家族中最新也是最独特的一种热管，被视为目前解决微小空 间高热流密度的散热方案中一种很有希望和前途的传热元件，因此得到了国内外 科学界和工程界的高度关注。虽然脉动热管的结构比普通热管简单，其内部无毛 细芯结构，但其运行和传热特性与传统热管有很大不同，内部机理远比普通热管 复杂，涉及多学科、多参数的汽液两相流，实验和理论研究目前尚处于初级阶段。 本章介绍了脉动热管的工作原理和结构特点以及应用背景，详细阐述了脉动 热管理论分析和实验研究的现状以及存在的问题，并通过实例列举了脉动热管的 工程应用。 1 1 脉动热管简介 脉动热管( p u l s a t i n gh e a tp i p e ，简称p h p ) 又称振荡热管、弯曲毛细管热管、 自激振荡流热管等，是由日本的a k a c h i 于2 0 世纪9 0 年代初提出的【l 】。它是热管 家族中最新也是最独特的一种热管，被视为目前解决微小空间高热流密度的散热 方案中一种很有希望和前途的传热元件，因此得到了许多国家科学界和工程界的 高度关注。 一般来讲，当毛细管的内径足够小时，液塞和汽塞才能在管路中同时存在， 即，叱 i 乙， ( 2 - 2 ) 式中：弓为液塞的温度。 局部点a 的壁温为： 母嚣 ( 2 - 3 ) 式中：q 。加为内壁热流密度， f i l m 为薄液膜传热系数。 2 加热段金属壁面被液塞冲刷( 如图2 - 2 ) 1 6 脉动热管运行机理初步分析 图2 2 加热段热管壁面被液塞冲刷 f i g2 - 2l o c a lw a l ls u r f a c ei m m e r s e di nt h el i q u i ds l u gh e a t i n gs e c t i o n 局部点a 处的管壁温度为： t w = t + 石q w , t ( 2 - 4 ) 耐是液体对流换热系数，因为弓 t ，口砌 删，所以对固定金属壁面 的某个点a ，被液体冲刷时显示较高的温度值，而当该点被汽塞冲刷时，显示较低 的温度值。当热管工作时，局部点问隙地被汽塞或液塞冲刷，所以局部点温度时 而上升，时而下降，形成有规律的脉动，这就是脉动热管产生热力型脉动的原因。 在冷凝段，也会产生类似的热力型脉动现象，但由于热量是由汽液介质传递 给外界环境，产生的过程与加热段相反，即当局部点被液塞冲刷时，显示较低温 度，而被汽塞冲刷时，显示较高温度。由于金属壁面间隙地被汽塞和液塞冲刷， 形成了冷凝段的热力型脉动现象。 2 2 弹簧一质量一阻尼系统模型法 h b m a 2 7 】等提出了类似弹簧一质量一阻尼的振荡模型。与传统热管相似， 脉动热管分为蒸发段，冷却段，绝热段。热量加到蒸发段，通过管壁传递给工质， 饱和液体蒸发为饱和汽体。 1 7 北京交通人学硕士学伉论文 2 2l 驱动力 5 翌黑”2“t j m n 吨感i s c c t l o nl_ kl h 2 3 物理模犁 f i g2 - 3p u l s a t i n gh 髑tp i p e m o d e l 驰创力是山阳段2 _ f i 芹碾供t 硼足燕芨段荆l 件黼段明m 覆卅c l a p c y r o n 乃栏偎足： n = p o e 。( 2 - 5 ) 址= n p 一 倍a ， 式巾：只tn 分别为加热段，冷却段的爪力，p o 为参考j j 、力。 利用泰勒腱丌并l 忽略高阶无穷小得到下武，并将理想气体状态方程带入得 到阻下三成 e 等一笔铲 弘， v p = p c le 等一1 = n 等 = lp ”一| = n 盐熹孑 ；nvthr=。ii：只vthlxj：里盟(2-8)tt 月r n v t ：v r ! ! 兰 则： 1 一 ( 2 - 9 ) n ，为冷却段的气体密度tv t 为蒸发段和冷却段的温筹，山于汽液塞的振荡，两 段温差会随着汽液塞振荡而变化。假设温差的振荡墩决于系统的自然频率，则两 段温差可以由下式表示： r = ! ! * - ；兰三u + ! - ! ：s - i 尘叠 s i n ( m t ) ( 2 - 1 0 ) 脉动热管运行机理初步分析 则两段压差和驱动力可以表示为： 卸：竽f 螋+ 蝼 s i n ( 缈f ) 1 ( 2 - 11)2 2 z l l、 ，j 易= 酬= 竽( 生等+ 生笋 咖( 叫 ) ( 2 - 1 2 ) 2 2 2 摩擦阻力 摩摞力：液蓉在运动时受剑壁回摩摞力作用，1 段设流动为层流，摩搽力i 贞为 f = - 8 n # 2 等鲁( 2 - 1 3 ) 化简后得： f = - 8 # 2 鱼d t ( 2 - 1 4 ) 式中：矽为充液率；p ，d 为通道横截面的周长和水力直径；l 为热管所选单管 长序。 2 2 3 汽塞变形产生的力 最后的一种力为由汽塞变形产生的力， 则任意时刻f 的压力为： ，l ，r t ，2 商 假设脉动热管内的汽塞为理想气体。 式中朋，为汽塞质量，r 为汽体常数，当热量加入后， 因此汽塞的体积减小，因此经过f 后汽塞的压力为： mr t p v , r + a r2 而- - - v - - - ( 2 - 1 5 ) 加热段的压力将增大， ( 2 1 6 ) 由于x 相对与汽塞长度非常小，用( 2 1 6 ) 一( 2 1 5 ) 得到： 瓴：华工( 2 - 1 7 ) 上。 与其他的力相似，蒸汽变形产生的力与压力的变化以及管道的横截面积有关。 1 9 北京交通人学硕士学位论文 2 2 4 合力 由牛顿第二定律得知： f = m 雾， 脚雾+ 8 粥矽2 三妄么( 妄) + 尘芋x = 丝笋( 式中：m = ( 厶岛+ l 岛) 么，国= 2 2 5 结果与讨论 ( 2 1 8 ) 可化简为： 式中：c = 8 铂班象彳， 七：a p r t l 2 d 2 xcd xk b d r 2md rmm + 一+ 一x = 一 毕 s i n ( 缈r ) 2 l 、 ，j ， ( 2 1 8 ) b：兰垒笨鱼竺f，!tm监+!型竖sin(缈f)12 2 zl l 、 “ ( 2 1 9 ) 采用m a t h e m a t i c 计算工质为无水乙醇充液率分别为3 3 3 ，5 0 ，7 0 ；工质 为蒸馏水充液率为5 0 的工况。l = o 2 3 m ；t s a t = ( 5 0 + 2 7 3 1 5 ) k ；d = 0 0 0 2 m ；a t m 自= 0 k ；k 2 1k 脉动热管运行机理初步分析 x ( i ) - ，、 n n | 1 【l | 1 l1” 0 i i “ n d i v v ￥日vv 廿l l矿 ) l i1 、 t i i 幢( s ) 图2 _ 4 无水乙醇3 3 3 充液率工质位移一时间图 f i g 2 - 4d i s p l a c e m e n t - t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r5 0 f i l l i n gr a t i o v ( 瑚柚s ) 1 0 0 5 0 5 d 0 0 一卫d 0 t ：i l x e ( s ) 图2 5 无水乙醇3 3 3 充液率速度一时间图 f i g 2 5s p e e d t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r5 0 f i l l i n gr a t i o x ( m ) 七i - e ( 5 ) 图2 6 无水乙醇5 0 充液率工质位移一时间图 f i g 2 6d i s p l a c e m e n t - t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r5 0 f i l l i n gr a t i o 2 l 北京交通人学硕士学位论文 v ( a r i a s ) 丘， 2 0 - 2 0 - - 4 0 0 0 6 0 t ：i t 1 瞧【5 ) 图2 - 7 无水乙醇5 0 充液率工质速度一时间图 f i g 2 7s p e e d t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r5 0 f i l l i n gr a t i o x ( m 皿) t 柚e ( s ) c 图2 8 无水乙醇7 0 充液率工质位移一时间图 f i g 2 8d i s p l a c e m e n t - t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r7 0 f i l l i n gr a t i o v ( m i s ) 3 0 z 0 0 0 1 0 0 0 1 0 一2 0 一3 0 ，j l f。l|f1jaa | i | ；| f l7 v w v | |7 3 n l o1 v , i m e ( s ) 图2 9 无水乙醇7 0 充液率j r 质速度一时间图 f i g 2 9s p e e d t i m ef i g u r ef o re t h a n o lf o r7 0 f i l l i n gr a t i o 脉动热管运行机理初步分析 图2 10 蒸馏水5 0 9 6 充液率工质位移一时间图 f i g 2 - l0d i s p l a c e m e n t - t i m ef i g u r ef o rw a t e rf o r5 0 f i l l i n gr a t i o v ( m s ) 2 0 0 0 i 0 0 0 - 1 0 0 0 - 2 0 0 0 二n n n n n a n n vu 。v v w v 。v | j 8 l 9 图2 11 蒸馏水5 0 充液率工质速度时间图 f i g 2 - 11s p e e d - t i m ef i g u r ef o rw a t e rf o r5 0 f i l l i n gr a t i o 由图2 - 4 至2 - 1 1 可得，采用这种模型，充液率对脉动热管内工质振荡的频率影 响不大，对振幅的影响较大，3 3 3 充液率下振幅最大，随着充液率的增大振幅减 小，分析原因，当充液率较小时，管内工质少，在表面张力作用下的液塞少，且 液塞较短，加热段冷却段两段压差推动液塞振动所需阻力小，相同驱动力下充液 率小的管内工质振幅较大。同时由各图中液塞的速度图可以得到：3 3 3 充液率下 管内液塞运行速度最大，随着充液率增大，液塞运行的速度降低。比较图2 - 6 ，2 - 7 和2 1 0 ，2 1 l 可以得到采用无水乙醇和蒸馏水为工质时，前者频率较大，液塞运 行速度较大。 2 3 本章小结 1 、分析了脉动热管运行的基本动力，加热段的热负荷是工作流体能量的来源， 使加热段有较高的压力和温度，为工作流体的运动提供驱动力，而冷凝段的冷却 北京交通大学硕士学位论文 起到加剧运行的作用。 2 、分析了热力型振荡产生的原因。在加热段，液塞冲刷壁面时温度较高，汽 塞冲刷壁面时温度较低，冷凝段相反，汽液塞间歇的冲刷壁面，表现为测温点温 度的振荡。 3 、采用弹簧一质量一阻尼系统模型分析脉动热管管内液塞受力，液塞受到两端 温差产生的驱动力，摩擦阻力，汽塞变形产生的力，得到无水乙醇为工质，不同 充液率下液塞的位移以及速度随时间变化的结果，并比较了无水乙醇和蒸馏水为 工质液塞的位移以及速度随时间变化。 2 4 脉动热管实验台及运行 脉动热管实验台及运行 脉动热管内工质的流动状况决定了其运行机理和传热特性，清楚了解管内的 流动状况是深入进行理论分析和建立数学模型的基础，可视化实验非常必型2 8 】f 2 9 】。 本文可视化实验的研究主要集中在顶加热状况下及变管脉动热管管内工质流动现 象，通过与均匀管径以及底加热流型比较，分析变管径变化及顶加热对脉动热管 传热性能的影响。 可视化实验虽然能够有助于理解脉动热管的运行和传热机理，认识它的运行 特征，但各方面与实际运用的差距还是较大的；因为金属、非金属的热阻和表面 状况差别较大，对换热情况可能产生较大的影响，为了解实际运用的脉动热管的 传热特点和性能，作者继可视化之后开展了铜管实验。 脉动热管运行时，可以根据传热时的热阻估算其传热性能，通常，脉动热管 的整体热阻定义为： r = 【r e r ) q ( 3 - 1 、 、， 其中，r e 为加热段测温点的各点温度的平均值，z 为冷却段壁面测温点的各点温 度的平均值，q 为扣除掉散热损失后的加热功率。其中加热段和冷却段的各点温 度取自运行相对稳定后的一段时间内的平均值。 3 1 脉动热管管径的确定 根据脉动热管的运行机理，脉动热管的管径远小于传统热管的管径，且需要 满足以下两点： 1 、管径需足够小，使得在表面张力的作用下，管内形成液塞和汽塞的分布； 2 、管径不能过小，否则克服毛细力的压头就要明显升高，从而影响振荡效果。 脉动热管的管径需要满足以下关系式【3 0 1 ： n 7 扔g ( 一一岛) 严纠名3 ( 岛一乓) 】 屯 常用工作介质对应的最大管径如下： 2 5 北京交通大学硕士学位论文 本实验中考虑到选用的工作介质为蒸馏水、乙醇和丙酮，选用制成脉动热管 的毛细管的内径为1 6 - - 2 o m m 。 3 2 工质的选择 脉动热管依靠工质的轴向振荡和相变来实现热量的传递，因此工质的各种物理 性质对于热管的工作特性具有重要的影响。根据以往学者的实验研究3 1 1 ，脉动热 管中使用的工质需要满足表3 2 所示几点要求。根据表3 2 的原则，本实验选用 无水乙醇和蒸馏水，丙酮作为工质，它们的物性参数如表3 3 所示。 脉动热管实验台及运行 表3 2 脉动热管选用t 质的物性要求 t a b l e3 - 2p h y s i c sp a r a m e t e ro fw o r k i n gf l u i df o rp h p 参数要求理由 ( 等) 删高 动力粘度低 潜热小 表面张力小 保证加热段温度z 产生小的变化，加热 段气泡内的压力巴，有较大的变化，有 助于推动管内气泡的运动；对冷凝段同 样适用 产生的剪切力较小 脉动热管内是两相流动，从而决定了工 质的潜热对热管的传热性能有很大的 影响。热量的传递主要是靠流体显热的 传递，相应的潜热较小更有利于气泡的 生成和破碎 影响运动接触角产生的附加的压力降 表3 3 工质在1 0 1 3 k p a 沸点温度下的物性 t a b l e3 - 3p h y s i c sp a r a m e t e ro fw o r k i n gf l u i da t101 3 k p a 3 3 实验件及实验装置 针对脉动热管的可视化实验以及紫铜管脉动热管，设计了两种玻璃管脉动热管 以及三种紫铜管脉动热管。玻璃管脉动热管用来观察脉动热管管内工质的流动状 况。为了更接近实际应用，采用紫铜脉动热管，获得不同影响因素对脉动热管传 热性能的影响。 2 7 北京叟姬人学颂l 学札略立 实骑忭实物网 圈 nl 隰 z j 舀：j 巍j 器心| 斟3 - l 耐滞破硝脉动热管实物矧 f i g3 i p h p m a d e b yg l a s s 脉动热管实验台及逆行 幽3 - 2 紫铜脉动热管实物蚓 f i g3 - 2p h p s m a d eb yc o p p e r 脉动热管实验台整体结构设计罔如图3 3 所示，主要由脉动热管、抽气充液装 置、框架、加热系统、冷却系统、温度测量和采集系统组成。 幽3 - 3 脉动热管丈验台生物幽 f i g3 3e x p e f i m e n t a ls e t u po f p h p 脉动热管j ：部没有允装液、抽真空装嚣，抽真窄后充入工作流体。抽2l 充液 装置：抽气充液装置包括三通、真空泉( 】l s ) 、真空压力表、充液装置( 容积为 2 0 m l 一次性钊筒) 等。脉动热管顶部的水平管r 留有两个端几，左端接蔓通，三 通的另两端分别接允液装置和抽气装置，另个接真空压力表。脉动热管的密封 性能l 以维持在04 m p a 。 钢制框架：支撑整个系统。在底部的支撑结构与罐卣支撑结构可以调节改变 倾斜角。 加热装置：奉实验系统的加热方，为r 乜加热方式，将加热电阻始均匀缠绕以： 脉动热管的加热段通过渊节白藕变压器改变加热屯压得到不同的加热功率。在 热管的加热段段和绝热段的外围包有保温棉以减少热量损失。热管的实际： f | | 热功 率为电加热功率减士散热损失。总的散热损失通过估算保温层外的对流换热量得 到。在本文的实骑范内，再个l 况下的热量损失均小超过加热功率的l o 。冷却 系统：包括冷却水精、4 温水浴。冷却水由恒温水浴提供，冷却水的温度设定在 1 4 。 北京交通大学硕士学位论文 温度测量系统：采用标定的镍铬镍硅热电偶， 温度采集系统：a g i l e n t3 4 9 7 0 a 数字电压表进行温度测量。 图3 4 顶加热的可视化实验台 f i g 3 - 4s c h e m a t i co fp h pv i s u a le x p e r i m e n t a ls e t u pf o rt o ph e a tm o d e l 图3 5 变管径脉动热管的可视化实验台 f i g 3 5s c h e m a t i co fp h pv i s u a le x p e r i m e n t a ls e t u pf o ra l t e r a b l ed i a m e t e rh e a tp i p e 奉 赴 奉长 乜 k 脉动热管实验台及运行 图3 - 6 紫铜脉动热管热电偶纵向布置示意图 f i g 3 - 6s c h e m a t i co fc o p p e rp h p 图3 7 紫铜脉动热管热电偶横向布置示意图 f i g 3 7s c h e m a t i co fc o p p e rp h ：p 3 4 实验步骤及实验内容 3 4 1 实验步骤 l 、测量脉动热管容积。由于脉动热管的加工精度不够，所以实际容积与计算 出的管内容积有一定的误差。为了获得真实的管内容积，将管抽真空，通过充液 北京交通人学硕士学位论文 装置充满工质，将热管所能容纳的工质体积作为脉动热管的容积。容积准确，才 能在后面的实验中更好、更准确地确定充液率。 2 、抽真空。本实验脉动热管上部设计有两个口，一端与抽真空充液用三通阀 相连，另一端与压力表连接。关闭左侧与一次性注液用针筒相连的阀门，打开竖 直方向的两个阀门，打开真空泵电源开关开始抽真空。抽真空后将各连接口密封， 保持管内真空度2 4 小时不变。 3 、充液。将工质注入一次性注液用针筒，打开左侧和下侧的阀门，将工质缓 慢注入管内，完成充液。充液率为充入管内工质的体积与管总容积之比。 4 、打开冷却水循环系统，将冷却水温度稳定在1 4 。 5 、打开计算机和数据模块稳压电源，启动测试软件，运行脉动热管实验数 据采集系统。 6 、打开直流稳压电源，调节电压，达到实验要求的发热功率所对应的电压值： 7 、启动数据采集系统的自动采集功能，开始自动记录脉动热管在加热冷却 过程的瞬态温度。 3 4 2 实验内容 l 、通过可视化实验，观察项加热情况中管内工质的流动；比较采用不同的加 热方式，顶加热和底加热管内流型的差别，纪录脉动热管运行过程中各管的温度、 换热量等参数的变化情况。 2 、比较采用粗细交替管径管内运行状况，记录各管温度，换热量等参数的变 化，进而得出管径的变化对脉动热管传热性能的影响。 3 、记录紫铜脉动热管壁面温度波动情况，分析脉动热管壁面壁面温度波动的 原因，波动曲线的特征及意义。 4 、对紫铜脉动热管进行分析，在水冷的条件下，分别改变充液率，工质，倾 斜角，以及分别采用闭合回路和非闭合回路，测量脉动热管的热阻、加热段和冷 却段的温差；记录以上各种情况下热管管壁温度波动情况，以了解其内部的运行 过程和传热情况。 3 5 脉动热管的运行 壁面温度波动的特征： 1 、加热段与冷却段壁面温度波动曲线上周期较长的反相半波造成这种反相 波动的原因是热管运行的徘徊与停顿。徘徊是指工质小幅度的轻微振荡。在此期 3 2 脉动热管实验台及运行 间，必然导致加热段温度持续上升，冷却段温度持续下降；当热管重新快速运行 时，温度就产生相反的变化，这样就形成了两个反相的半波因此，这种反相半 波的多少与持续时间的长短在一定程度上表征了脉动热管运行的好坏。需要说明 的是，并非只有反相半波才是热管运行徘徊与停顿的结果。加热段或冷却段壁面 温度波动曲线的一些波幅和周期较大的波动，也同样主要是由工质运行的徘徊与 停顿所引起的只是由于各种复杂因素，如外界扰动、热管内部运行的复杂性等， 使两条曲线的对应位置没有表现出明显的反相特征。 加热端 一冷却端 1 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 01 9 0 0 t i m e s 图3 8 加热段冷却段温度曲线反相j 卜波 f i 9 3 - 8a n t i - p h a s eh a l f w a v e sd i f f e r e n to nt h ec n i v 髓o f t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n so f h e a t i n gs e c t i o n a n dc o n d e n s a t i o ns e c t i o n 2 、加热段的测温点和冷却段的测温点的温度波动曲线还有为数不多的同相半 波。加热段之间或冷却段之间的同相波动在一定程度上反应了流动的连续性。某 些时刻，加热段和冷却段的温度波幅稍大，是因为加热段与冷却段中的工质具有 一定的温差。流过绝热段的工质相对稳定，波幅较小。 1 0 0 ，一堡墅誉 p 、 詈 葛 缸 旨 0 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 0 t i m e s 图3 9 加热段冷却段温度曲线同相半波 f i 9 3 9t h es a m ep h a s eh a l f w a v e so nt h ec u r v e so f t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o n so f h e a t i n gs e c t i o na n d 3 3 伯的加m 0 po-jpi昌卜 加加m o 北京交通大学硕士学位论文 c o n d e n s a t i o ns e c t i o n 3 、无规则温度波动。造成无规则温度波动的最主要原因是脉动热管的本质特 征，即管内流动为非均匀非连续的脉冲流动，传热是无规律的非稳态传热。这就 造成了任一时刻流经测温点的液塞、液膜和汽塞的温度都是不同的，并且随时间 的变化无规律可循。另外，汽液塞流经时的传热情况不同，加之外界的微小扰动， 共同形成了这种杂乱无章的波动状态。对于流动单向性较强的情况，即流动有一 定规律性、均匀性的情况，这种杂乱无规则的波动也同样存在，只是由于其总体 上流动有一定的均匀性，波动的周期和波幅会较小。因此，这种波动的周期和波 幅在一定程度上可以反映单向性的强弱，而这与脉动热管总体运行的情况有很大 关系。 由于脉动热管的加热段和冷却段的温度波动能更清晰地反映脉动热管的运行 状况，实验分析中取加热段和冷却段的温度波动来分析管内工质的流动状态。 0 2 0 04 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 0 t i m e s 图3 1 0 加热段冷却段启动阶跃 f i g3 - 1 0s t a r t - u ps t e po f h e a t i n gs e c t i o na n dc o n d e n s a t i o ns e c t i o n 脉动热管在吸收显热后温度有明显的阶越，从加热段和冷却段可以看出，从 启动到稳定运行过程中不是平滑的过渡，加热段温度在达到大约9 0 后突降到 6 0 c ，紧随其后的是振动阶段，温度阶跃是3 0 。c ，而对应的冷却段有大约3 8 。c 升 高到大约5 8 ，意味着热量由加热段传递到冷却段。 3 6 本章小结 1 、介绍了脉动热管管径的确定，脉动热管的管径远小于传统热管的管径，且 需要满足：0 7 歹厕 d 1 8 3 z 露而；工质的选择，脉动热 柏加约o o 1 i l pm-i；pioa目m_ 脉动热管实验台及运行 管选用工质的物性要求是：i 等l 高，动力粘度低，潜热小，表面张力小； d 埘 2 、本文实验的实验件分别采用玻璃脉动热管观察管内工质的流动以及紫铜脉 动热管来研究传热特性；脉动热管实验台主要由脉动热管、抽气充液装置、框架、 加热系统、冷却系统、温度测量和采集系统组成： 3 、在脉动热管运行中观察到壁面温度曲线出现反相、同相半波以及无规则的 温度波动。加热段之间或冷却段之间的反相波动的原因是热管运行的徘徊与停顿； 加热段之间或冷却段之间的同相波动在一定程度上反应了流动的连续性；造成无 规则温度波动的最主要原因是脉动热管的本质特征，即管内流动为非均匀非连续 的脉冲流动，传热是无规律的非稳态传热。 3 5 脉动热管实验分析 4 1 可视化实验分析 4 脉动热管实验分析 脉动热管管内工作流体的流动形式非常复杂旧”，川，主要的流动形式有：液塞 一汽摩的摩状流，嚣状流i 环状流并存的混合流，以及环状流，管内的流动形式 受很多冈袭影响，而流型的不同也影响脉动热管的传热性能。通过实骑观察对管 内的f 要流型作简要介绍。在稳定远行阶段，本实验室前人在底加热实验巾，系 统分析了管内的流1 9 有以下几种： 1 l 1 | ：1 丙 、r 一、v 一 塞状流混合流环状流 幽4 - 1 脉动热竹管内的土罂流型 f i 9 4 1f l o wp a t t e r n s t a k i n g p l a c e i np h p l 、塞状流 在加热功率较低和充液率较人的条件下，管内的流动形式主要为枣状流，在 这种条件下，很难寅现管内整体的单向流动，管内汽、液塞的运动更多的是在某 位置往复随机振荡，= j f = 伴有较长时间的停滞，而停滞的过程正足能量累秘的过 程， j j h 热段的汽、液塞能最累积到一定程度后，推动上部的汽、液塞产生朝某 方向剧烈的运动。流型为液塞汽寒流时，热毋的传递主要依赖于液塞一汽塞 在加热段和冷却段之问的脉动流动，显热传递居j 。主导地位，蒸发段和冷凝段的 雎差为工质的脉动提供了驱动力。 汽泡按尺寸大小分为：离散汽泡、小汽泡、汽塞、长汽塞，如图42 所示。 -il f _，；ljalj*_渊匿 一引刚蚴隘嚣f r燃聪r酬旷p l u 匮阍 l 北京变通人学硕十学位论文 离散汽泡小汽泡汽塞长汽塞 幽4 - 2 管内汽塞的主要形式 f i g4 - 2 t y p e so f v a p o r - p l u g i np h p ( i ) 离敞汽泡 离敞汽泡的h 寸远小于脉动热管的管径，管内壁面和质叶 残霄f 的c 体如n 2 为核态沸腾提供汽化核心，由于离散汽泄的尺寸非常小，离”加热段的汽泡存向 冷凝段运动的过程中迅速冷凝变小，大j f ；分的离散汽泡在还未到达顶部的u 型弯 符处就已经完金冷凝消失，离散汽泡多存在于向上流动的管叶1 。影响加热段核态 沸腾的l 捌索搬多，包括脉动热管的儿何j t 寸、加热段管内表而状况、加热冷却打 式等等。 ( 2 ) 汽塞、长汽塞 汽塞的直径接近j 一管道内径，但其长度通常大于管道内径，如图4 - 2 所示。相 邻汽继之间通过液桥相连。汽塞与管壁之问有一层薄液膜，无论r 赝流动方向是 向上还是向下，液膜中流体的流动方向始终与汽摩的运动方向相反。这1 j 宏观的 大尺度管内的流动规律相符。长汽塞的长度- 口以和脉动热管高度相比，难以稳定 存在，因为壁面液流易l 成液桥，将长汽塞分裂成尺寸较小的短汽塞。 ( 3 1 小汽泡 介于汽鏖和离散汽泡之间，还存在一种球j 移的汽泡，其直径接近于管道内径， 产生主要有以下几种途径：i ) 离敞汽泡的聚合；2 ) 汽塞冷凝变短：3 ) 汽塞的破 碎。 在稳定的塞状流中，离散汽泡、小汽泡、汽塞和长汽塞共同存在，月由于核 态沸腾、蒸发、冷凝、聚合和破碎的复杂作用，相互转化。离散汽泡和小汽泡尺 寸小，易冷凝消失，也可能聚合变大；长汽塞不稳定，易分裂，因此，在塞状流 中汽塞是工质汽相的主要存在形态。 m、豳嘲型唰群国荆卫懋纛铡盏 ；女目i，一窿懿酗麟置 2 、塞状流与环状流 在适当的充液率f ，随着加热功率的增大，管内的流型从塞状流逐渐过渡到 环状流，管内出现塞状流和环状流共存的流型，在环状流的管内，流动阻力减小。 振荡的幅度变大，停滞时间变短，与纯粹的液塞一汽寒流相比，十h 变传热份额增 加，单向流动趋势增强，传热性能得以提升。 3 、环状流 随着加热功率的增大，管内环状流的成分越来越多，单向循环速度越来越快， 反向停滞时间越米越短，j 移成稳定的单向循环流，传热性能显著提j l 。环状流居 j 。绝对主导时，蒜汽在管道内高速流动，在蒸汽的冲击下，即使在u 型冷却段也 很难形成液塞。只有在玲却段顶部水平管，于其长度保证了蒸汽的充分冷凝， 形成液塞随即液塞被汽流冲l 加热段，蒸发成蒸汽，在管道内高速流动经过 卣管和u 型管束，又回| 顶部水平管冷凝成液塞，如此循环，由于加热段和冷凝 段是连通的，可以保证加热段的回液。在这种运行方式下，热量传递中显热所占 的比例很小，传热量已逼近传热极限，如果继续增加传热