圆柱形环状脉动热管烧干特性

化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2023 年第 42 卷第 S1 期
圆柱形环状脉动热管烧干特性
惠博1，侯宏艺2，3，张涛1，车生文1
（1 兰州兰石换热设备有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2 北化研究院集团惠安公司，陕西 西安 710302；3 兰州
理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730000）
摘要：当前各个领域对高效、高均温性的散热需求日益提高，脉动热管以其传热效率优异、加热方式灵活、结构简单等优势，成为合适、有效的散热元件。

本文提出并设计了一种圆柱形环状脉动热管，并通过实验研究了圆柱形环状脉动热管的烧干特性。

实验选用无水乙醇、HFE-7200为工质，在90°倾角条件下，对30%、70%充液率的脉动热管进行了加热功率为100~200W 的实验测试；在30%充液率条件下，对30°、45°、70°安装角度的脉动热管进行了加热功率为20~100W 的实验测试，研究了圆柱形环状脉动热管在不同弯头处的烧干特性。

研究结果表明：倾角越大，圆柱形环状脉动热管在弯头处达到烧干时所需要的加热功率越大。

当工质为HFE-7200，倾角分别为30°、45°、70°时，圆柱形环状脉动热管4个弯头处发生烧干状态的功率均为100W 。

关键词：圆柱形环状脉动热管；倾角；加热功率；充液率；烧干特性
中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0033-08
Drying characteristics of cylindrical annular pulsating heat pipe
HUI Bo 1，HOU Hongyi 2，3，ZHANG Tao 1，CHE Shengwen 1
(1 Lanzhou Lanshi Heat Exchange Equipment Co., Ltd., Lanzhou 730000, Ganshu, China; 2 Huian Company of Beihua
Research Institute Group, Xi an 712000, Shaanxi, China; 3 School of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of
Technology, Lanzhou 730050, Ganshu, China)
Abstract: At present, the heat dissipation demand for high efficiency and high temperature uniformity is increasing in various fields. Pulsating heat pipe has become a suitable and effective heat dissipation element due to its excellent heat transfer efficiency, flexible heating mode, simple structure and other advantages. In this paper, a cylindrical annular pulsating heat pipe was proposed and designed, and the drying characteristics of the cylindrical annular pulsating heat pipe were studied experimentally. In the experiment, anhydrous ethanol and HFE-7200 were used as working medium. Under the condition of 90° dip angle, the heating power of 100—200W was tested for the pulsating heat pipe with 30% and 70% liquid filling rate. Under the condition of 30% liquid filling rate, the heating power of the pulsating heat pipe at 30°, 45° and 70° was measured at 20—100W. The drying characteristics of cylindrical annular pulsating heat pipe at different elbows were studied. The results showed that the higher the dip angle, the higher the drying power of the cylindrical annular pulsating heat pipe. When the working medium was HFE-7200 and the dip angles were 30°, 45° and 70°, respectively, the powers of the four elbows of the cylindrical annular pulsating heat pipe were all 100W.
研究开发
DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2022-2232
收稿日期：2022-12-01；修改稿日期：2023-06-05。

基金项目：甘肃省科技重大专项（21ZD3GA001）。

第一作者及通信作者：惠博（1991—）男，硕士，研究方向为换热器结构优化。

E-mail:******************。

引用本文：惠博, 侯宏艺, 张涛, 等. 圆柱形环状脉动热管烧干特性[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 33-40.
Citation ：HUI Bo, HOU Hongyi, ZHANG Tao, et al. Drying characteristics of cylindrical annular pulsating heat pipe[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(S1): 33-40.
·
·33
化工进展， 2023， 42（S1）Keywords: cylindrical annular pulsating heat pipe; inclination angle; heating power; liquid filling rate;
drying characteristics
由于电子行业的制造技术与散热需求不断增加，导致更多组件的密集单元释放大量热量。

正如
Karayiannis和Mahmoud[1]所强调的，预计热量水平将达到450W/cm2，温升过大、温度不均匀将导致电子系统失效。

在这方面，一些先进技术，如微通道的沸腾流[2-3]、具有新类型的旋流冷却器[4]、带有特殊喷嘴的冲击射流[5]、喷雾冷却[6]、涡流管[7]以及脉动热管[8-9]等可以进行有效的热管理。

热管技术于20世纪60年代诞生，主要通过热传导和相变介质快速传热，传统热管利用内部吸液芯进行热量交换，其导热能力超过现在已知所有金属的导热，传热性能良好。

脉动热管是一种新型高效传热元件，可以有效解决未来大功率电子器件散热问题，具有极大的潜力。

20世纪90年代，日本学者Akachi[10]提出了脉动热管（pulsating heat pipe, PHP）。

由于其自身结构特殊，脉动热管具有良好的均温性、较高的热导率和灵活的布置方式[11-13]，因此被视为吸液芯热管的替代品。

脉动热管不需要任何附加结构，仅由弯曲的铜管构成，并依靠铜自身的导热、内部工质的显热和潜热传递热量[14]。

脉动热管自被提出的三十年中，吸引了众多学者对其进行研究。

通过实验研究热管的几何参数[15]、工质的物理性能参数[16]、工作条件和操作参数[17]等各种参数对热管流动及烧干的影响，为脉动热管的性能优化提供了大量的数据支持。

在理论研究方面，通过建立理论模型，揭示了工质在管内的传热机理。

理论模型主要包括三种类型：弹簧质量阻尼系统动力模型[18]、基于控制容积的三大控制方程模型[19]及神经网络模型[20]。

一些学者利用流体力学软件对脉动热管中工质的传热和流动过程进行了较为全面的理论模拟研究。

Himel等[21]等描述闭环脉动热管对不同填充比下水和乙醇热效率的比较，对于水来说，无论是在较低的热输入还是较高的热输入条件下，较低的填充率均表现出较低的热阻，且当填充率接近30%时，传热效果最佳。

对于乙醇，在低热量输入的情况下，在传热的基础上，高填充比大于50%时性能最佳。

战洪仁等[22]研究了混沌特性对脉动热管传热性能的影响，研究结果表明：当脉动热管倾角在30°～90°范围时，随着加热功率的增加，脉动热管的总热阻逐渐减小，蒸发段传热系数增大；在较大加热功率下，倾角对脉动热
管传热性能的影响很小。

池日光等[23]提出了上部加热/底部冷却型L形脉动热管，研究了当供热量在
10～30W、冷却水温度在20～30℃、甲醇充液率为7.1%～21.2%时L形脉动热管启动与传热特性的影响。

结果表明：随着充液率的增加，该脉动热管的启动温度逐渐增大，而热阻先减小后增大，并且当加热量逐渐增加时，启动温度、启动时间及热阻均呈减小的趋势。

由于电子器件的散热环境复杂，在应用脉动热管时，每个弯管的热流分布可能不均匀，这可能导致整个脉动热管的传热性能恶化，甚至在脉动热管上的高热流下出现烧毁现象。

基于以上原因，本文研究了圆柱形环状脉动热管烧干特性，以无水乙醇、HFE-7200为工质，在不同的加热功率（20~ 200W）下，改变了圆柱形环状脉动热管三种倾角（30°、45°、70°）和两种充液率（30%、70%），研究了圆柱形环状脉动热管在不同弯头处的烧干特性。

1 实验系统及数据处理
1.1 圆柱形环状脉动热管实验装置
为了研究圆柱形环状脉动热管的烧干极限，本文设计并搭建了圆柱形环状脉动热管的实验平台，如图1所示，包括：圆柱形环状脉动热管结构装置、充注液装置、可任意旋转固定支架装置、加热装置、冷却水循环装置和数据采集及测量系统。

圆柱形环状脉动热管结构装置由内圆铜环和弯
折的八弯头环状蛇形铜管及外圆铜环共同焊接而图1　圆柱形环状脉动热管实验平台
··34
2023年10月惠博等：圆柱形环状脉动热管烧干特性
成。

如图2所示，脉动热管的加热段长度为100mm ，位于热管的下端，绝热段长度为200mm ，位于热管的中间位置，冷却段长度为100mm ，位于热管的上端。

铜管彼此平行，圆心距离每个弯头的距离均相等。

如图3脉动热管内外铜环结构示意图所示，脉动热管外径为3mm ，内径为2mm ，总长度为7m 。

冷凝块由内外铜环焊接在一起，以确保水通过后不会泄漏。

加热系统由直流稳压电源和镍铬合金加热丝组成，将具有绝缘且耐高温（600℃）的玻璃纤维高温管穿套过丝径为0.4mm 、长为6.2m 、电阻为53.4Ω的镍铬合金加热丝，并将其均匀缠绕在圆柱形环状脉动热管加热端的8个弯头上，每个弯头上均匀缠绕50圈，保证施加在每个弯头上的功率大小均相同。

冷却水循环系统由转子流量计、低温恒温槽、三个WZP-291型探头式PT100热电阻以及冷凝块共同组成。

将外径为14mm 、内径为10mm 的软管一端连接低温恒温槽出口端，另一端连接转子流量计的下端入口，流量计的上端出口与冷凝块左下进口端相连，冷凝块右上出口端用相同的软皮管与低温恒温槽的进口端相连，整体构成一个水路闭循环，同时装置中的水路管均用保温棉覆盖，保证出口端的冷却水温恒定。

转子流量计用来控制水循环系统中水流量大小，本实验中设定水流量大小为30L/h ，控制水温为15℃。

抽真空注液系统由5个KM 型膜片式焊口阀门、
2个顶针加液阀、2个四通铜管、三通铜管、鲁尔接头、加氟管、真空泵、注射器、压力传感器以及
直流稳压电源（UTP1306S ）共同组成。

数据测量及采集系统主要分为三大方面：压力、温度、加热功率。

将压力传感器装置与圆柱形环状脉动热管冷凝端弯头上的四弯头铜管进行焊接，监测压力大小可保证整个圆柱形环状脉动热管装置不存在漏气现象，使得管内处于高真空状态。

选择脉动热管前、右、后、左四个方位的弯头作为测温点，如图4所示，4个弯头的温度测量点分别用T 1、T 2、T 3和T 4表示。

热管整体装置固定于铝合金支架上，铝合金支架装置由正背板、底撑板、可旋转角支座以及立柱共同组成。

如图5所示，通过螺栓调节可旋转角支座。

实验中测量的物理量及精度如表1所示。

1.2 实验工质及工况
本实验选择无水乙醇与HFE-7200
两种工质，
图2
　脉动热管结构示意图
图3　脉动热管内外铜环结构示意图（单位：mm ）
表1　实验装置被测量物理量、工作范围及精度
测量物理量铜管表面温度管内压力加热功率冷却水流量
采用测量方式铂热电阻压力传感器直流稳压电源转子流量计
仪器型号PT100
UNF/7/16UTP1306S LZB-6工作范围-5~650℃
0.1~1MPa 0~32V ，0~6A 6~60L/h 仪器精度±0.2℃
0.5%FS ≤0.1%+10mV ，≤0.2%+3mA
4级·
·35
化工进展， 2023， 42（S1）
其中HFE-7200的热稳定性和化学稳定性较好，具
有比热小、沸点低以及较低表面张力和黏度的特点。

选用新型工质与常规工质进行对比，探究不同热物性工质在三种倾角、两种充液率下圆柱形环状脉动热管烧干特性。

在本实验中设定加热功率为20W 、40W 、60W 、100W 、120W 、140W 、160W 、180W 、200W ，充液率为30%、70%，倾斜角为30°、45°、70°，表2列出四种不同工质的热物性参数。

1.3 脉动热管关键指标
在实验中通常默认所有热阻为一个整体。

传热
热阻定义式见式(1)。

R =-T e
--T c
Q
(1)
式中，-T e 、-T c 分别为圆柱形环状脉动热管加热
端与冷凝端的平均温度，℃，其计算分别见式(2)、式(3)。

-T e =1n 1Σi =1n
T
i
(2)-T c =1n 2Σj =1n T
j
(3)
式中，n 1、n 2分别代表加热端与冷凝端热电阻的数目。

Q 为圆柱形环状脉动热管的传热量，W ，其计
算公式见式(4)。

Q =c p m
(
T 27-T 26)
(4)
式中，T 26、T 27表示冷凝块进、出口温度，℃；m
表示冷却水质量流量，kg/s 。

除了用热阻表达圆柱形环状脉动热管的传热特
性，另外还需要用加热端与冷凝端之间的温差反应圆柱形环状脉动热管传热特性。

该物理量的定义见式(5)。

ΔT =-T e --T c
(5)
圆柱形环状脉动热管在大功率加热条件下，由于管内工质会剧烈振荡，因此加热端会产生烧干现象，为了探究圆柱形环状脉动热管的烧干现象，采用极限传热能力指标进行探究。

“极限传热能力”是指当加热端发生烧干现象时加热端的所运行的加热功率。

影响圆柱形环状脉动热管传热特性的因素同样也影响极限传热能力。

通常为保证圆柱形环状脉动热管的正常运行，规定加热端功率与极限传热能力比值应小于安全系数。

1.4 实验误差
对实验结果进行系统误差分析，确保本次实验中实验仪器的精确性。

热阻的间接测量不确定度，由式(6)
计算得出。

图4
　四个弯头的温度测量点示意图
图5　可任意旋转固定支架装置
表2　工质物性参数表
物性沸点密度表面张力黏度汽化潜热热导率比热
单位℃
g/cm 3mN/m Pa·s kJ/kg
W/(m·K)J/(kg·K)
无水乙醇78.240.78521.97
1.0817920.660.163
2434.6HFE-720076
1.4213.60.611190.0555(饱和蒸汽)
1220·
·36
2023年10月惠博等：圆柱形环状脉动热管烧干特性
δR=
(6)
计算后，可得热阻的间接测量最大不确定度为3.82%。

2 高/低两种充液率对圆柱形环状脉动热管的烧干特性分析
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件。

当热流密度高于工质所能够利用显热和潜热进行热量传递的最大值时，热管将会发生烧干现象。

此时脉动热管加热段的温度曲线出现飞升式增大，管内工质几乎没有运行，较多的工质只在所处的位置附近进行轻微振荡，工质在管内通道的循环振荡失效，液塞无法从冷凝段回流至蒸发段传热，加热段的热量无法及时传至冷却端，传热性能严重恶化。

由于圆柱形环状脉动热管传热的局限性，不同的工作介质、位置振荡及传热规律不同，不同弯头内的工作介质振荡具有对称性。

而脉动热管加热端作为热量吸收端口，是热管发生烧干现象的首要地方。

基于此，本部分温度测量点选择了加热端前、右、后、左4个方向的弯头，4个弯头的温度测量点分别用T1、T2、T3和T4表示。

充液率对脉动热管传热性能的影响吸引了众多
学者对其进行研究。

Akachi等[10]经研究发现，最佳充液率应大于50%，具体的范围因不同的脉动热管而异。

Himel等[21]描述闭环脉动热管对不同填充比下水和乙醇热效率的比较，对于水来说，当填充率接近30%时，传热效果最佳。

对于乙醇，在低热量输入的情况下，在传热的基础上，高填充比大于
50%时性能最佳。

对于一个特定的脉动热管，都存在着一个最佳充液率范围，本文选用的低充液率为30%，高充液率为70%。

当倾角为90°、填充工质为无水乙醇、充液率分别为30%和70%时，圆柱形环状脉动热管四个弯头的烧干特性如图6所示。

从图6可以看出，当工质为无水乙醇、充液率为30%时，随着加热功率增加，弯头处的温度无明显的变化，在100W时温度波动幅度最小，温度波动幅度逐渐趋于稳定；当加热功率增加至160W 时，圆柱形环状脉动热管前、右、后、左4个方向（T1、T2、T3、T4）弯头的温度曲线出现急剧上升，表明此时管内无水乙醇工质几乎没有运行，加热段的热量无法及时传至冷却端，较多的无水乙醇只在所处的位置附近进行振荡，脉动热管开始烧干。

对比30%充液率，70%充液率时热管4个弯头处的温度均体现出较高的波动幅度，且两者在加热功率160W时，均表现出相同的变化趋势，此时圆柱形环状脉动热管四个弯头处的温度振荡加剧，温度曲线急速上升，出现烧干现象。

70%充液率下发生烧干现象的时间为12574s。

当倾角相同、工质相同时，充液率对圆柱形环状脉动热管的烧干特性具有较大的影响，充液率与液态的工质数目成正比。

这是因为圆柱形环状脉动热管主要的传热方式为工质的对流传热与液体工质发生的相变传热。

当充液率较低时，能够参与脉动热管内传热的工质相对比较少，当热负荷较高时，蒸发段回流的液体工质被剧烈汽化，容易发生局部
烧干失效。

由于70%充液率的脉动热管内部液态工质较多，它可以在蒸发段吸收更多的热量，形成更多的气塞到冷凝段放热。

因此，圆柱形环状脉动热管的传热能力随着充液率的升高而升高。

当充入新型工质HFE-7200、倾角为90°、充液率不同时，圆柱形环状脉动热管4个弯头处的烧图6　工质为无水乙醇，不同充液率下热管弯头处的
烧干情况
·
·37
化工进展， 2023， 42（S1）
干特性如图7所示。

从图7可以看出，充液率为30%时，随着加热功率的增加，运行时弯头温度均有较为明显的滞后现象，液相工质未及时回流，导致4个弯头温度短暂的上升，而后温度波动幅度较小，整体趋于平稳。

在70%充液率下，四弯头的温度整体变化趋势与30%充液率相似。

相比于30%充液率，70%充液率的脉动热管四弯头表现出更高的温度。

加热功率增至200W 时，加热端的4个弯头温度波动明显，此时热管开始出现烧干现象，发生烧干的时间为16345s 。

充液率较低时，管内气相占比增加，液相比例减小。

脉动热管的传热主要通过液体工质的显热传递进行，而液体吸热蒸发的潜热主要作为驱动力推动工质的循环流动和维持其振荡运动。

对比充液率70%，当充液率为30%时，工质以气相为主，而液相工质偏少，这导致在热量传递过程中，热量通过显热传递的比重很小，使得其换热能力受到一定的影响。

并且过多的气体破坏了管内气液塞分布的均匀性，也使管内的压力不平衡受到一定程度的削弱。

脉动热管加热端温度波动幅度较大，工质在加
热、冷却两端反复振荡循环减缓，此时的传热能
力相对较差，加热端的温度会迅速升高，这种情况很有可能发生烧干现象；当液体填充率较高时，圆柱形环状脉动热管冷凝端和绝热端的HFE-7200液体工质较多，阻力较大，难以推动管内工质振荡，当加热功率较高时，能及时生成气塞推动工质移动。

与传统工质相比，填充有新工质的圆柱形环状脉动热管的烧干功率更大，不容易产生烧干现象，烧干极限得到了很大的提升。

同时，HFE-7200的表面张力低于传统工质，当HFE-7200作为工质时，圆柱形环状脉动热管中振荡的毛细阻力降低，HFE-7200中的蒸汽气泡仅需很小的过热度就能生长，这促进了新型工质在热管中的运行，改善了传热，提高了圆柱形环状脉动热管的烧干极限。

3 倾角对圆柱形环状脉动热管不同位置弯头烧干的影响
当充液率为30%，工质为无水乙醇，倾角分别为30°、45°、70°时，圆柱形环状脉动热管前、右、后、左（T 1、T 2、T 3、T 4）4个方向的弯头烧干曲线如图8所示。

由图8可知，当工质为无水乙醇、充液率为30%、加热功率增加到100W 时，倾角分别为30°、45°、70°的圆柱形环状脉动热管的4个弯头都发生了烧干现象。

其中当倾角为70°时，在7000~8000s 内温度迅速增加，增速明显快于倾角为30°和45°对用时间范围内的温度上升速度。

当工质和充液率相同时，倾角对脉动热管4个弯头处的烧干现象影响比较明显。

当工质为无水乙醇时，倾角分别为30°、45°、70°时，发生烧干特性的加热功率相同。

但倾角为70°时，发生烧干现象前的弯头温度整体波动较稳定，与倾角30°和45°相比，加热功率为60W 和80W 时，在相同的时间内弯头温度也相对较低。

因此，倾角越大，圆柱形环状脉动热管在弯头处达到烧干时所需要的加热功率越大。

当充液率为30%、工质为HFE-7200时，圆柱形环状脉动热管4个弯头在不同倾角下温度烧干曲线如图9所示。

从图9可以看出，当工质为HFE-7200，相较于倾角45°和70°，倾角为30°时，加热端四弯头的温度波动较大。

倾角较小导致重力作用变小，液体回流能力减弱，HFE-7200
的低比热值导致加热段
图7　HFE-7200为工质、不同充液率下热管的
弯头烧干情况
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2023年10月惠博等：圆柱形环状脉动热管烧干特性
产生大量气塞，然而该条件下工质回流能力被削弱，回流的少部分工质也被快速汽化，形成的气塞将工质挤压在冷凝段，无法回流，从而导致传热恶化。

当圆柱形环状脉动热管的倾角较小时，设备整体启动困难，这是由于作用于工质的重力与倾角有关，倾角小，重力对其工质的作用则小，此时热管运行只能通过加热端的热量为管内气塞提供压差，进而驱动工质在管道中正常运行。

当加热功率低时，加热段气塞形成时间长，产生压力过小，管道内的工质很难从冷却端回流至加热端，圆柱形环状脉动热管难以启动。

随着倾斜角度的减小，圆柱形环状脉动热管方向的重力分力较
小，因此烧干现象的加热功率较小，传热性能较差。

同一工质的条件下，增加倾角可以改善脉动热管的烧干现象。

填充HFE-7200的脉动热管，它的比热值相对于乙醇低，能够产生较多的气泡进而迅速增加蒸发端的压力，推动工质向冷凝端回流，形成循环。

相比于倾角30°，脉动热管倾角为45°和70°时，重力的影响作用加大，工质在冷凝端受重力和上一弯道压力的作用，回流的液态工质较多，蒸发端和冷凝端换热更充分，所以相比于填充乙醇工质，在同一工况下，填充HFE-7200的脉动热管的传热性能更
优秀。

图8
　无水乙醇为工质，不同倾角下热管的弯头烧干情况
图9　HFE-7200为工质，不同倾角下热管的弯头烧干情况
·
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4 结论
本文以烧干极限理论分析为基础，主要研究了圆柱形环状脉动热管在不同工质、不同充液率、不同倾角下的烧干特性。

通过以上分析，得出以下结论。

（1）充液率对圆柱形环状脉动热管的烧干现象有很大影响。

充液率越高，圆柱形环状脉动热管的传热特性越好。

（2）相比常规工质，充入HFE-7200工质时圆柱形环状脉动热管烧干功率更大。

提高了烧干极限，不容易产生烧干现象。

（3）当圆柱形环状脉动热管的倾斜角度较小时，很难启动圆柱形环状脉动热管。

随着倾斜角不断减小，重力沿圆柱形环状脉动热管方向的分力变小，因此烧干现象的加热功率也较小。

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