重力热管两相传热行为可视化实验研究

夏波 姚慧聪 杨重阳 朱跃钊

南京工业大学机械与动力工程学院

0 引言

重力热管是一种高效的两相传热设备，具有超高的导热性、优良的等温性及结构紧凑的特点，在太阳能热利用、余热回收等领域得到了广泛应用[1-3]。热管通过内部工质的蒸发和冷凝相变过程进行传热，其传热传质机理极为复杂。研究重力热管内工质的相变和两相流动特性，对热管的结构优化和性能改善有重要意义[4-5]。在不同工况下，热管内部工质表现出不同的沸腾和流动行为，间歇沸腾是重力热管传热中比较常见的一种运行机制[6-7]。H.Kuncoro 等[8]通过对热虹吸管进行实验研究，发现了间歇沸腾的两种运行机制，在底部产生很高的过热度，加速气泡膨胀导致间歇沸腾。没有过热度产生，但是壁面和液体的温度达到了临界值，自发排出导致间歇沸腾。

可视化实验可直观地展示热管内部两相流，是揭示其传热机制的一种有效手段。Jinbo Chen[9]通过可视化手段研究无循环封闭系统的间歇沸腾特性，结果表明间歇沸腾可分为沸腾、喷发、再填充三个阶段，沸腾流型可以分为气泡流，段塞流，搅动流及环状流四类，并分析每种流型的温度波动，间歇沸腾的周期和强度随着输入功率的增加而减小，随着冷却剂的储存量及温度的减小而减小。M.SHIRAISHI[10]拍摄不同倾角下管内的流动现象，当倾角90°时，表现为环状流，蒸发器上部会出现局部干涸甚至永久干涸。而在倾角小时则表现为层状流，且在层状流时，蒸发器会出现干涸，此时传热效率变大。

本文基于玻璃-金属封接技术，构建了可视化重力热管，搭建其两相流特性实验平台，考察热流密度、加热高度、冷却水温度、充液量对热管传热行为的影响，获得热管流型与传热特性的关联，将进一步丰富重力热管两相流传热机理。

1 实验过程

1.1 测试系统

搭建的重力热管传热性能可视化实验平台如图1所示。热管由金属端盖和高硼硅玻璃管（φ20×2×500 mm）组成，采用可伐合金封接。选用蒸馏水作为热管相变工质，采用抽真空法生成热管。

图1 热虹吸管传热性能实验平台

重力热管传热性能可视化实验系统主要包括加热系统，冷凝系统，数据采集系统及拍摄系统。镍铬丝穿过陶瓷管紧密缠绕在蒸发段，使其达到加热均匀的目的，通过改变镍铬丝的缠绕高度进行调整加热高度，采用直流电源改变输出电流进行调节加热功率。冷凝段通过缠绕致密的铜管，铜管内的冷却水通过蠕动泵驱动循环，其温度采用恒温浴槽调控。热管壁面温度与冷却水的温度通过T 型热电偶监测，使用多路温度巡检仪和计算机进行记录温度数据。拍摄系统通过高速摄像机拍摄热管稳定运行状态下内部工质相变行为及两相流动机制。实验测试装置的具体型号与参数如表1 所示。

表1 测试装置的参数

1.2 测试条件

实验设定冷凝段长度200 mm，通过蠕动泵控制冷却水流速300 ml/min。具体的实验测试条件如表2所示。为了保证实验数据的准确性，在每次实验开始前，对蠕动泵进行流量标定，确保冷却水流速的误差在0.1%以内。对所有的热电偶进行了校准和标定，保证所有的热电偶的误差均在±0.1℃以内。取热管稳定运行后20 min 的数据做平均值。

表2 实验测试条件

重力热管的性能的评价方法可采用系统总热阻，计算公式如下式所示：

式中：Te是蒸发段平均温度；Tc是冷凝段的平均温度；Qin是系统的输入功率。

2 结果与分析

2.1 充液量对两相流型的影响

图2 和图3 分别是充液50 mm 重力热管内部的相变行为和相对应的温度曲线图。从图2 可以看出，随着热流密度的增加，重力热管的传热模式首先从对流传热转变为间歇沸腾传热，进而转变为过渡沸腾传热，最后达到核态沸腾。当热管在低热流密度工况下加热时，液池底部产生气泡并迅速增长，气泡生长携带部分工质向上运动，蒸汽空间变小，气泡在蒸汽空间的挤压下炸裂，工质在气泡炸裂的驱动力下升至热管顶端，然后在重力的作用下回流至至蒸发段，引起液池的剧烈波动，形成一个间歇沸腾周期。由图3 可得，热管各位置的温度同样出现周期性的波动，并且随着热流密度的增加，温度波动幅度减小，但频率增加。这是由于气泡的生长吸收大量的能量，因此蒸发段温度降低，而被气泡携带上升的工质引起绝热段和冷凝段温度上升，工质回流至蒸发段后，绝热段和冷凝段的温度降低，蒸发段继续吸收热量，温度上升，形成一个温度波动周期。当进一步增加热流密时，间歇沸腾气泡产生的位置上移，气泡上升过程中携带的工质减少，并且气泡生成的频率加快，强度减小，导致间歇周期缩短，温度波动幅度减小。继续增加热流密度，气泡在脱离液池时所携带的工质量很少，形成一个与内壁等大的圆形液膜，在蒸汽压的作用下向上运动，气泡产生的频率会随着热流密度的增加而增加。此时对应的热管壁面温度逐渐趋于稳定。在热流密度31.8 kW/m2，液池连续不断地生成气泡，冷凝段没有出现工质携带现象，热管进入核态沸腾阶段，整体的温度稳定，基本没有波动。

图2 充液50 mm 重力热管的相变行为

图3 充液50 mm 重力热管的温度曲线图

从图4～5 所示的充液90 mm 相变图中可以看出，在热流密度7.96 kW/m2时，重力热管从对流换热转向间歇沸腾，在10.94 kW/m2时，重力热管进入过渡沸腾阶段，此时液池像间歇沸腾时产生气泡并迅速增长，但工质并未随着气泡的生长向上运动，而是在管壁形成环状液膜向液池回流，因此气泡在生长至某一高度后，仅剩一层圆形液膜向上运动。继续增加热流密度，大气泡消失，气泡在脱离液池后形成圆形液膜，且生成气泡的速度增加，蒸发段的温度波动幅度减小，频率增加。重力热管在热流密度16.91 kW/m2时进入核态沸腾阶段，沸腾剧烈，温度稳定。

图4 充液90 mm 重力热管的相变行为

图5 充液90 mm 重力热管的温度曲线图

图6～7 所示的充液140 mm 重力热管的两相流型图更加复杂，在间歇沸腾阶段，气泡迅速增长并携带部分工质上升至热管最顶端，工质回流至蒸发段，引起液池的剧烈波动，液池生成许多气泡，液池在气泡的冲击下不停震荡，因此温度波动非常剧烈且复杂。继续增加热流密度，间歇沸腾大气泡生成的位置向下移动，且生长所携带的工质更多，回流对液池的扰动更加剧烈，生成非常多的小气泡。在热流密度7.96 kW/m2时，液池生成气泡并迅速生长，但气泡强度减弱，携带的工质在管壁形成环状液膜回流至液池，气泡在蒸汽空间的压力下炸裂，而此时液池的上部生成许多小气泡，扰动剧烈，在此流型既有间歇式的温度波动，又有稳定的温度输出。在11.37 kW/m2时，重力热管进入核态沸腾阶段。

对比3 根重力热管，充液高度越高，核态沸腾阶段液池因为气泡扰动上升的高度越高，因为气泡在上升过程中生长，充液高度越高，气泡在脱离液池时的尺寸越大，液池上升的高度越高。

图6 充液140 mm 重力热管的相变行为

图7 充液140 mm 重力热管的温度曲线图

2.2 充液量对传热性能的影响

图8 是加热高度与充液高度相同时，不同充液高度重力热管在冷却水温度58 ℃时的热阻，从图中可以看出，热阻随着充液高度的增加而减小。在热流密度较低时，热重力热管内部的两相流模式是对流换热，随着热流密度的增加，两相流模式逐渐转变为间歇沸腾及核态沸腾，蒸汽生成的速度加快，热传导的能力增强，所以热阻会随着热流密度的增加而减小。从上文热管的内部工质相变行为可知，在过渡沸腾阶段，充液50 mm 和90 mm 的重力热管会生成圆形液膜，充液140 mm 的重力热管生成许多小气泡，增强对液池的扰动且可以生产更多的蒸汽，提高了热管的导热能力。在核态沸腾期间，充液高度越高，沸腾越剧烈，传热效果越好，且充液高度越高，生成蒸汽量越多，冷凝传到的热量越多，整体热传导能力越强。

图8 加热高度与充液高度相同时重力热管的热阻

2.3 冷却水温度对传热性能的影响

为了考察冷却水温度对传热性能的影响，在充液高度为50 mm，加热高度为50 mm 的测试条件下，对热管进行不同冷却水温度18～58 ℃的实验测试，计算热阻如图9 所示。由图可知，在低热流密度下加热，冷却水温度对热管的传热热阻影响显著，冷却水温度越高，热阻越小。随着热流密度的增加，传热热阻变化趋于平缓，最后基本保持不变。并且在高热流密度下，冷却水温度对传热热阻的影响变得越来越小。图10 所示加热功率为65 W 时的壁面温度分布，冷却水温度对壁温的影响非常大，随着冷却水温度的增加，热管的整体温度都在升高。冷却水温度越高，在上述温度范围内，水的传热因子越高，热阻越低。

图9 充液50 mm 重力热管在不同冷却水温度下的热阻

图10 输入功率65 W 时的壁面温度

2.4 加热高度对传热性能的影响

图11 是在冷却水58 ℃下，充液50 mm 重力热管在加热高度50 mm、70 mm、90 mm 下的热阻，如图所示，热阻随着加热高度的增加而减小。根据热阻的定义，热阻与蒸发段冷凝段的温差及输入功率有关，在相同的输入功率下，蒸发段与冷凝段之间的温差越小，热阻越小。重力热管的加热高度不同时，在相同的输入功率下热流密度随着加热高度的增加而减小，蒸发段的温度随着加热高度的增加而减小，冷凝段的温度会受蒸汽温度及冷却水温度的影响，在相同的冷却水温度下，加热高度越高，冷凝段蒸汽与冷却水之间的温差越小，传导的热量随着温差的减小而减少，冷凝段与蒸发段的温差越小，所以在3 个加热高度下，加热高度越高，重力热管的热阻越小。

图11 充液50 mm 重力热管在不同加热高度下的热阻

3 结论

1）通过可视化手段揭示不同充液量的重力热管在间歇沸腾，过渡沸腾及核态沸腾时的相变行为，并结合温度曲线图，分析不同流型对温度波动的影响。在相同冷却水温度、热流密度下，充液高度越高，沸腾更加剧烈，传热能力更强。

2）在同一加热高度下，热阻会随着热流密度的增加而减小，且冷却水温度越高，热阻越小。

3）加热高度对热虹吸管的传热性能影响也很大，在同一冷却水温度下，加热高度越高，热阻越小。