脉动热管工作效果的宏观因素分析

姜利连

（芜湖发电有限责任公司241009）

摘要：本文结合脉动热管的实际研究现状，分析了影响脉动热管工作效果的的各种宏观的因素，并简单分析了脉动热管的发展现状，以供参考。

关键词：脉动热管；工作效果；影响因素

1、引言

非可视实验研究目的在于追求高的传热性能，一般采用金属--液态工质为工质对，大多考察某个或几个因素作用在振荡热管上对传热性能产生的效应。脉动热管经过了十多年的实验研究和理论探索，总的说来对其核心问题即运行和传热的机理规律仍没有一个清晰的认识和充分的了解，仍需要进一步深入的研究。

2、影响脉动热管工作效果的宏观因素

2.1环路数目及运行方式的影响

环路数目的增加增大了装置内部的扰动。如果环路数目低于一个关键值，此时将有可能产生停滞现象。这种情况下加热端所有U型弯头内存在气体而其余部分为液体，最终导致装置的干涸。

如果总的传热量确定的话，增加环路数目导致每个环路传输的热流密度的减少，因此对于给定热负荷的装置存在一个最佳的环路数目。脉动热管在重力运行方式下能正常运行，而在水平方式和逆重力方式下很多研究者都发现不能运行。Akachil、Charoensawan和Khandekar倾向支持环路数目足够多，提供足够大的内部扰动和不均匀度，利于运行的观点。Charoensawan等发现当对于闭式多回路脉动热管，环路数目达到16这一临界值时才有可能在水平方式下运行，他们认为：弯头数目的增加使得脉动热管内的挠动增强，才使得脉动热管有可能在水平方式下运行，这一临界值与工质的物性、热管尺寸及热流密度等有关系。Akachi却提出在环路数目达到40后，脉动热管可以在逆重力方式下运行，但却没有进行实验验证这一临界值。而Akachi等研究证实了环路数目达到80个时脉动热管可以任何加热方式下运行，并且其热阻相近。根据Charoensawan、Khandekar和Groll的研究证实了临界值的存在，认为临界值与介质、管径、加热热流密度有关。当环路数目小于临界值，水平和顶端加热时运行较差；底端加热，垂直放置的工况下传热量最大。

2.2热流密度的影响

实际的热流密度影响以下情况：

（1）内部气泡动力学，大小和聚合、分解的形状；

（2）振动和流动不稳定性的级别；

（3）弹状流向半环状流和环状流的流型转换。

脉动热管本质上比较适合高热流密度下运行。既然输入的热量提供脉动力，低于一定的热量时，将不会产生脉动效应，装置不能很好的循环运行。对于闭合回路型脉动热管，在足够高的热流密度情况下得到了一个方向唯一的脉动循环流动，除此之外流动也可以从脉动的弹状流向环状流转变。在脉动热管形成脉动效应而稳定循环运行的情况下，热管管壁温度间隔交替升高和下降。热流密度的进一步增加将导致一些由传热极限引起的干涸现象的发生，这些现象到目前为止还没有得到很好的确定和研究。

2.3充液介质物性的影响

充液介质物性包括表面张力、比热容、汽化潜热、动力粘度、密度、饱和状态下压力随温度的变化率等，它们同装置的几何特性一起共同影响以下脉动热管的诸多特性：

（1）总的热量传递中显热和潜热传递所占的比例；

（2）装置内部不同流型的可能性，例如弹状流和环状流之间的相互转换；

（3）平均流动速度和总的压降；

（4）气泡的产生、裂解和聚合等。

Schneider分析认为应该存在一个最佳的汽化潜热值。由于加热端气泡的生成和长大速率与汽化潜热值成反比，如果潜热值太小，那么气泡生成得过快，把液塞都压到冷却端，导致传热恶化，该问题可以通过增加充液率来改善；如果潜热值太大，那么气泡生成和长大的速度减慢，压力脉冲也相应减小，从而影响脉动的频率和幅度。

2.4不凝结气体的影响

脉动热管内部的工作空间很小，如果脉动热管在抽真空灌入工作液体进行封装时，没有达到足够的真空度，使得脉动热管内残存了较多甚至相对大量的空气或其它不凝性气体，它们占据的体积相对而言将非常可观。由于这些不凝性气体不参与流动和相变传热过程，在脉动热管启动后，它们被产生的蒸汽推到冷却端并在此堵塞，严重影响冷却端的冷凝和流动过程，同时气体的导热系数很低，从而使得该端的热阻大大上升，导致整个脉动热管性能急剧下降。曲伟等通过实验研究发现，如果不凝性气体的含量较多则热阻明显较大，加热端和冷却端的平均温度之差相应较大。杨蔚原等通过压强模型的建立生动形象地表明了不凝性气体可使气塞的压缩性减小进而影响脉动热管的运行，同时不凝性气体将减慢气液冷凝和蒸发的速度。

2.5断面形状的影响

Schneider等和Khandekar等发现方形截面的脉动热管的性能不如圆形断面的脉动热管好。曹小林发现三角形断面的脉动热管好于方形断面的脉动热管。曹小林通过对脉动热管结构改进前后的实验研究对比发现：改进型脉动热管液体在加热端蒸发成蒸汽，体积急剧增大，由于通道大小相间，气体将选择粗通道高速上升，到冷却端部分冷凝成为液体，并在惯性力的作用下冲击顶部的液体，使之沿细通道向下回流，从而形成稳定的循环流动，使加热端得到充分的供液，达到减小传热热阻和提高传热极限的目的。通过对改进前后的两种装置在充液率为50%、倾斜角度为90º时的传热热阻随加热量的变化进行了对比发现：因为合理的匹配了通道中的流动阻力，在相同的热流密度下改进后热管的热阻要低于改进前脉动热管，而其单位面积的传热极限却高于改进前脉动热管，改进后热管的传热效果要优于改进前脉动热管。此脉动热管改进后的结构，提高了其传热能力，实现了脉动热管的连续单向循环流动，并因此使传热极限提高了14%。

3、对现行发展的综述分析

我国目前开发制作的热管散热器，是利用现有钢制散热器为外壳，其成型、焊接工艺简陋落后，难以保持真空。因此，热管散热器热工性能指标不高，制造成本增加，使用可靠性差，不宜取代集中供暖系统的常规供暖散热器。一种新技术成果的应用开发，需要考虑新技术的技术特征、使用条件和现有的工艺水平，而且应进行严格全面的科学实验和分析，力戒仅仅通过一些实验现象，得出片面的结论，以减少开发研究和技术决策中的盲目性，保证应用开发的健康进行。

4、结语

热管作为一种有效的传热元件，应用前景广阔，但不是万能。一般当导热是主要矛盾时，采用热管技术可能是合理而有效的。即使如此，也还要顾及开发条件和技术经济性，应该将热管与其它传热方案进行科学而全面的对比论证。

参考文献：

[1]胡继孙，陈恩，侯春枝，江用胜，钟根仔.车载雷达液体冷却系统设计.流体械.2006，34（8）：80-83.

[2]曲伟，范春利，马同泽.脉动热管的接触角滞后和毛细滞后阻力[J].工程热物学报.2003（2）：301-303.