DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.042

板式脉动热管分层启动现象及其特性

夏侯国伟¹，龙葵¹，谢明付²，孔方明³

(1. 长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙，410076；

2. 大唐华银攸县能源有限公司，湖南 株洲，412300；

3. 中国人民解放军92002部队，广东 汕头，515000)

摘要：针对目前对板式脉动热管(FPHP)启动发生的过程及启动温度、启动时间等参数定义的模糊性，研究一种并联梯形微通道板式脉动热管的启动行为，发现板式脉动热管启动时冷端呈分层启动现象，并提出与之相适应的3个启动参数即初始启动温度、完全启动温度和启动时间以描述板式脉动热管的启动过程。研究结果表明：加热功率对启动温度影响很小，对启动时间影响显著；启动时间随倾角的增大而缩短；在相同工况下，脉动热管的冷态启动非常近似，热管工质的冷态初始分布具有相似性。

关键词：脉动热管；并联微通道；启动特性；启动温度；分布

中图分类号：TK121             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0661-06

Phenomenon and characteristics of layered start up of flat pulsating heat pipe

XIAHOU Guowei¹, LONG Kui¹, XIE Mingfu², KONG Fangming³

(1. School of Energy and Dynamic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076, China;

2. Datang Huayin Youxian Power Plant, Zhuzhou 412300, China;

3. No.92002 Unit, People’s Liberation Army, Shantou 515000, China)

Abstract: Considering the ambiguity of the definition of the process and parameters when flat pulsating heat pipe (FPHP) works, the start-up process of a FPHP with parallel trapezoidal microchannel was experimentally investigated, and the starting temperature of condensing section was presented in order. The parameters of the initial temperature, complete starting temperature and starting time were put forward to describe the starting process of the FPHP. The results show that the heating power has little effect on the starting temperature and affects the starting time significantly. The starting time is shortened with the increase of the inclination angle. The cold starting of the FPHP is approximate under the same working condition and the initial distribution of cold state working medium is similar.

Key words: pulsating heat pipe; parallel microchannel; start-up characteristic; starting temperature; distributions

启动是热管工作的前提，尤其对于脉动热管，因其多用于电子产品的散热，故脉动热管^[1-2]的启动时间、温度等更加受到重视^[3]。目前，国内外学者对脉动热管的研究多集中在传热性能方面^[4-8]，对启动性能方面的研究较少，也未形成统一认识^[9]。启动研究最早从重力热管开始，研究者取冷、热端平均温度的变化曲线来分析启动过程，定性研究了诸如启动行为、启动时间、启动温度等问题^[10-12]。目前，脉动热管启动性能的研究，基本沿用了上述重力热管的研究思路，也是以单点温度，即冷、热端平均温度来分析研究启动过程^[13-14]。但可视化研究发现，当脉动热管与传统热管的结构及工质分布差异较大。脉动热管工作时，其内部工质为相间布置且长度不等的气液塞，气液塞随机产生与湮灭，而传统热管中工质则气、液分离^[15-16]。因此，重力热管启动时冷端可以瞬间获得物质与能量，表现为冷端温度整体跃升。当脉动热管启动时，由于工质的相间分布，其冷端的物质与能量传递与传统热管差异极大。显然，用传统热管启动的研究模式来研究脉动热管启动已不适应。这种方法将无法准确判断脉动热管的启动情况，包括启动的位置、次序、时间、温度等，于脉动热管启动的理解掌握不利。为更好地了解启动的物理过程，本文作者就一种并联梯形微通道板式脉动热管的启动进行实验研究，着重研究在时间、空间近似连续的情况下脉动热管的启动行为，以便更细致地了解板式脉动热管的启动特性。

1  实验对象及实验方法

实验对象为一种并联梯形槽道结构的板式脉动热管，热管截面如图1所示。热管分为热端和冷端，由底板、波浪板及两端盒体焊接而成，内部形成数条梯形槽道。槽道尖角可增大回流毛细力，波浪板表面既可增加传热面又可强化扰动。热管外形长×宽×高为210.00 mm×41.80 mm×2.88 mm，槽道个数为11，槽道当量直径为1.66 mm，蒸发、冷凝端长度分别为84.00 mm和126.00 mm，壳体采用0.40 mm不锈钢薄板，工质为去离子蒸馏水。

图1  平板脉动热管截面图

Fig. 1  Section of plate pulsating heat pipe

实验装置如图2所示，包括加热部分、冷却部分和数据采集部分。加热部分由缠绕电阻丝的加热块、可调变压器、功率表组成，输入功率可任意调节；冷却部分为一CPU散热风扇，用于强制对流散热；数据采集部分采用Keithley2700数字多用表，通过热电偶对热管壁温实时连续采集，扫描时间间隔设为0.5 s。图3所示为测点分布图，沿热管轴向每间隔20 mm布置1个测点，其中1~4点处于蒸发段，5~9点处于冷凝段，热电偶为K型。室温对脉动热管的启动有一定影响，实验过程中用1台室内空调将室温保持在20 ℃左右，并对室温进行连续采集。为减少热损失，蒸发段及加热块均用石棉包裹。热管初始真空度为9×10^-5 Pa，充液率为30%，分别在不同倾角和加热功率下进行启动性能实验。

图2  实验装置示意图

Fig. 2  Schematic diagram of experimental apparatus

图3  测点分布图

Fig. 3  Distribution of measuring points

2  实验结果及分析

2.1  脉动热管启动现象

脉动热管的启动应以冷端全部介质的热力状态阶跃为标志。冷端部分工质阶跃并不能判定脉动热管已启动。

现行研究把脉动热管启动分为典型的2类^[17]，即低加热功率下带有明显温度跳跃的启动，高加热功率下光滑连续的启动，如图4所示。刘向东等^[13]也发现了相似的现象，并将其归纳为温度飞升式启动和温度渐进式启动。权力等^[14]在对板式蛇形脉动热管研究时也发现类似图4(a)所示的冷、热端温度跳跃现象。

图4所示结果以冷、热端平均温度变化曲线为基础，进行脉动热管启动过程分析，其中t₁₂为冷端平均温度；t₁₅为热端平均温度；Δt为突变温度；T_start-up为启动时间。其研究认为，A点或t_B为启动过程的分界点，左边为启动阶段，右边为稳定运行阶段。

图4  2类蛇形管式脉动热管的启动过程

Fig. 4  Start-up process of two types SLPHP

上述方法把冷、热端皆作为整体来研究，没有涉及热管特别是热管冷端沿轴向的变化过程，从而不能了解管内工质在启动过程中的具体变化。为详细了解热管内部的启动及冷端工质热力状态的变化过程，本研究通过在热管轴向密集布置温度测点且采用快速温度扫描，得到了在时间、空间上近似连续温度。对温度进行分析发现：在启动过程中，冷端各点温度依次发生阶跃，次序方向由热端指向冷端，这种现象反映冷端的启动过程实际上是分层按序启动的，即板式脉动热管的启动过程为分层启动；脉动热管启动时热端4个测点温度近似，而冷端5个测点温度相差较大。将热端测点温度平均值与冷端各测点温度综合绘制在1张图上，可得图5所示的启动曲线。图5中：t_a为热端平均温度，t₀为环境温度，t₅~t₉对应图3中冷凝端5~9号测点温度，其后各图图例的含义相同。从图5可以看出：脉动热管启动过程中冷端各点的启动并不同时发生，而是呈现出分层启动现象，距离热端越近的部位启动越早，即测点5温度最先上升，然后冷凝段其他部分依次启动，即测点5~9的温度依次上升。

分析认为：产生这种现象的原因是脉动热管初始真空度较高，灌液后工质在室温下即处于饱和状态，管内气液塞受力自动处于平衡；在受热之初，热端工质饱和温度及饱和压力立刻上升，工质与热量向冷端流动；冷端第1个液塞吸热蒸发，并与第1个气塞混合，完成第1对气液塞的启动；期间，随着加热功率的连续输入，已启动工质的热力学状态持续提升，之后已启动工质继续对第2对气液塞传热传质使其启动，依此类推，直至第3对气液塞启动，脉动热管的启动才告完成。从以上分析可知：板式脉动热管的启动主要应考虑冷端的启动过程，该过程有起点和终点，热管的完全启动以终点的启动为标志。

2.2  脉动热管启动参数定义

启动行为的完整描述必需引入启动时间、启动温度的概念，其定义与启动的物理过程直接相关。通过实验观察到，脉动热管启动时冷端出现分层启动现象，因此，应采用2个相关的启动温度参数才能予以准确描述，即初始启动温度与完全启动温度。初始启动温度指第1层冷端温度开始跃升时所对应的热端平均温度。完全启动温度指最后一层冷端温度升至与前面各层温度接近，且平行发展时所对应的热端平均温度。启动时间是指完全启动温度所对应的时间。启动过程如图5所示，工况为30%充液率、60°倾角及30 W加热功率。图5中Ⅰ点为初始启动点，其对应的热端平均温度为25.38 ℃；Ⅱ点为完全启动点，其对应的热端平均温度为32.13 ℃；Ⅱ点对应时间为启动时间，为125 s；Ⅱ点也是启动过程结束点，之后过程为热管启动后的强化传热过程。

图5  倾角为60°、加热功率为30 W时热管启动曲线

Fig. 5  Start-up curves of heat pipe when inclination angle is 60° and heating power is 30 W

当倾角为0°、充液率为30%，加热功率为30 W时的热管启动温度曲线如图6所示。由于热管水平放置，冷端工质回流失去重力辅助作用，所以，最后2层工质无法回流，以致最后2层失效。图6中显示冷端最后2层温度没有达到或接近前面各层的温度，因此，热管未完全启动，这与最后2层加热2 h仍然不能升温的事实相符。此时，热管有初始启动温度，但没有完全启动温度。若热端温度达不到完全启动温度，则热管将不能完全启动，只有部分冷端可以传热，热管性能显著下降。图6中：t₀为空气温度；t_a为蒸发平均温度；t₅，t₆，t₇，t₈和t₉为图3中测量点温度。

由图6可知：热管的启动必需初始及完全启动温度俱全，无完全启动温度则热管没有达到完全启动，热管不能很好地工作。

图6  倾角为0°、加热功率为30 W时启动曲线

Fig. 6  Start-up curves of heat pipe when inclination angle is 0° and heating power is 30 W

2.3  加热功率对脉动热管启动的影响

加热功率为脉动热管热端的能量输入，对脉动热管的启动有一定影响，实验对其也进行了研究。图7所示为脉动热管在加热功率为60 W时的启动温度曲线。从图5和图7可以看出：尽管加热功率不同，但脉动热管启动的规律仍然相同；当加热功率为30 W时，其初始启动温度为25.38 ℃，完全启动温度为 32.13 ℃，室温为21 ℃；当加热功率为60 W时，其初始启动温度为24 ℃，完全启动温度为31.2 ℃，室温为19.8 ℃，考虑到室温的差值，两者初始启动温度和完全启动温度基本相同。因此，可以认为加热功率对脉动热管的初始启动温度和完全启动温度影响较小，但从图5和图7中Ⅱ点对应的时间轴可以看出加热功率对启动时间有影响，加热功率越大，启动时间越短。

图8所示为本实验的完整启动温度曲线，其工况为30%充液率、60°倾角及30 W加热功率。图5所示为图8启动阶段Ⅱ处的局部放大图。图8与图4(b)相似，图4(b)用t_A和t_B划分3个区，前2区被认为是启动过程，第3区为稳定运行过程。图8及其局部放大的图5明确了启动行为2个特征点，Ⅰ为初始启动点，Ⅱ为完全启动点，对启动行为描述更确切。

图7  倾角为60°、加热功率为60 W时启动曲线

Fig. 7  Start-up curves of heat pipe when inclination angle is 60° and heating power is 60 W

图8  热管运行曲线

Fig. 8  Operation curves of heat pipe

2.4  倾角对脉动热管启动的影响

热管的倾角表示偏离水平位置的角度，图9所示为在充液率为35%、加热功率为30 W的工况下，倾角对脉动热管启动性能的影响，纵坐标为冷凝端9号测点的温度，横坐标为启动时间。从图9可看出：倾角为0°时初始启动后冷凝端最后一点出现堵塞，没有实现完全启动；当倾角为90°时，启动时间最短，其他角度介乎其间。出现这种情况的主要原因是随倾角的增大，重力沿板式脉动热管轴向的分力随之增大，有助于冷凝液回流，热管热量输送能力提升，所以，倾角越大，启动时间越短。

图9  倾角对启动性能的影响

Fig. 9  Influence of inclination angle on start-up performance

图10  脉动热管启动曲线的相似性

Fig. 10  Similarity of pulsating heat pipe start-up curves

2.5  脉动热管启动的相似性

脉动热管管内工质以气液塞形式分布，气液塞的分布将形成管内工质的力平衡，从而对启动带来影响。研究中对相同倾角、加热功率及环境温度下的板式脉动热管进行了多次冷态启动试验。具体实验方法如下：当脉动热管完全启动后，立即切断加热电源并进行冷却，待热管冷却至环境温度后，再次进行加热启动，如此反复多次。

图10所示为在充液率为30%、倾角为60°及加热功率为30 W的工况下，若干冷态启动实验中任意选取的2个温度变化曲线。

从图10可以看出：不同次数的启动温度曲线非常近似，初始启动温度约为25 ℃，完全启动温度约为32 ℃，启动时间约为125 s。热管启动时管内各点工质的运动及热力学状态与工质的初始分布及力平衡相关，不同时间的启动行为相同，说明相同工况下管内气液塞力平衡及工质初始分布基本相同或相似。

3  结论

1) 脉动热管启动时冷端具有分层启动特性，且离热端越近的部位启动越早。

2) 根据分层启动特性，定义了脉动热管初始启动温度、完全启动温度和启动时间。

3) 当充液率和角度一定时，加热功率对初始启动温度和完全启动温度影响较小，但对启动时间有影响，加热功率越大，启动时间越短。

4) 启动时间随倾角的增大而缩短。

5) 在相同工况下，脉动热管的冷态启动非常近似，表明脉动热管工质的冷态初始分布具有相似性。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-05-21；修回日期：2015-07-15

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51376025)；能源高效清洁利用湖南省高校重点实验室开放基金资助项目(2015NGQ010) (Project (51376025) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015NGQ010) supported by the Open Foundation of Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Hunan Province)

通信作者：夏侯国伟，副教授，从事高效强化传热研究；E-mail：xh_gw@126.com