[科普中国]-振荡热管

工作原理

在一管内抽成真空的弯曲毛细管中，充有一定量的工作介质，该介质在冷热端温差及表面张力的作用下形成汽、液塞状流随机地出现在管路中， 这样，由于两端间存在压差以及相邻管子之间存在的压力不平衡，使得工质在蒸发端和冷凝端之间振荡流动，即通过相变和液塞的振荡实现热量的传递.其传热现象集沸腾、蒸发、冷凝、脉冲振荡于一体，这些物理过程并非是彼此孤立和简单地叠加，而是一个有机互动整体过程，到目前为止人们对其运行机理已有初步了解。

结构振荡热管由蛇形毛细管组成，包括若干直管段和弯头，一般情况下分为蒸发段、绝热段和冷凝段。

振荡热管有三种基本形式，即闭式回路型振荡热管、带单向阀的闭式回路型振荡热管及开路型振荡热管。工作时，当达到一定温度时，部分工质蒸发产生汽泡，形成间隔分布的液柱和气塞，同时使蒸发段的压力升高，蒸发段和冷凝段产生压力差，从而提供工质流动的驱动力。

工作过程1、沸腾阶段

蒸发段工质被加热，就在管壁气化核心处产生剧烈沸腾，产生小气泡且不断扩大，形成气塞；长液塞被分段，形成液塞.如采用底部加热方式，则气塞、液塞整体上移。

2、过渡阶段

运行初期管内介质流动方向不定，当两液塞相遇时，压力大的一侧推动压力小的一侧流动，直到整个热管中介质形成单向循环流动。

3、稳定运行阶段

在此阶段，介质周期性、有规律的停顿、徘徊，短暂停顿后继续运行，如此反复.根据振荡流热管的运行机理， 可以得出两种途径来强化振荡流热管的传热： 一是强化管内工作流体与热管壁面之间的换热； 二是提高管内的振荡频率与循环动力。

影响振荡热管性能的因素影响振荡热管传热性能的主要因素包括振荡热管的管径、弯头数、充液率、倾斜角度及工质物性等。

1、管径的影响

振荡热管对管内径的大小有一定要求，Akachi认为，管内径最大值需满足方程

式中

——临界内径；

——表面张力；

——液相密度；

——气相密度；

——重力加速度。

这一准则是根据毛细管内液塞－汽泡系统中表

面张力和重力的平衡方程推演而来的。当振荡热管内径大于该临界内径时，汽泡会在重力的影响下，上升至液面而无法形成稳定的液柱－气塞系统，振荡热管也就无法启动。Dobson等认为振荡热管存在最小临界内径，即

如果振荡热管的内径太小，管内流动阻力就会显著增加，从而加大振荡热管的启动难度，影响其振荡效果。

2、充液率的影响

充入工质的体积占振荡热管总容积的百分比称为充液率（Fr）。充液率的大小直接影响振荡热管的启动和传热性能。充液率通常在20%～80%之间，当Fr小于20%时，振荡热管容易发生烧干现象；当Fr大于80%时，振荡现象微弱，传热效果差。

振荡热管存在一个最佳充液率，在该充液率下，振荡热管的传热性能最好。大量的研究表明，最佳充液率与振荡热管的结构尺寸、工质种类、加热功率、加热位置和倾角有关。

3、倾斜角度和弯头数影响

当倾斜角度θ=0°时，振荡热管热阻很高，传热性能很差；当倾斜角度θ≤10°时，传热性能对倾斜角度极为敏感，工作不稳定；当30°≤θ≤90°时，倾斜角度对振荡热管的产热性能影响很小，振荡热管性能稳定。

弯头数的多少直接影响管内气液两相分布及振荡热管的振荡幅度，从而影响振荡热管的启动特性和传热性能。振荡热管的弯头数存在一个临界值，当弯头数大于该临界值时，振荡热管的热阻与倾斜角度无关，实验得出的临界弯头数为80。

临界弯头数与振荡热管的内径、工质种类和加热功率有关。当弯头数小于临界值时，倾斜角θ=0°时振荡热管传热性能极差，甚至无法启动，随着弯头数的增加，振荡热管更容易启动，传热性能更好，运行也更加稳定。

4、工质热物性的影响

工质热物性对振荡热管传热性能具有重要影响，为获取较高的传热性能，工质一般应满足以下要求：

（1）汽化潜热适当、比热尽可能大。振荡热管以显热、潜热两种方式传递热量，以显热形式传递的热量沾90%以上，潜热传热仅占不到10%，较小的汽化潜热不仅有利于气泡在蒸发段生成和聚合，也有利于汽泡在冷凝段冷凝破裂，从而有利与工质的震荡与流动，传热能力也越强，但当潜热过小时，容易发生蒸干。比热大，单位流体携带热能能力强，也有利于热量的传递。

（2）动力粘度小。动力粘度小的工质流动时产生的剪切力小，振荡热管容易启动。

（3）表面张力适当。表面张力越小，工质流动时产生的附加压降越小，有利于振荡热管的启动和稳定运行；而较大的表面张力有利于形成气液相间分布，因此表面张力的影响有待进一步研究。1

应用虽说目前对振荡热管的研究还处于实验和理论建模探索阶段， 但由于其自身的优点， 许多振荡热管产品从实验室中走出来，在工程实际中得到了应用。

（1）电子元器件散热

随着电子科技的进步， 电子元器件的体积越来越小， 集成度越来越高， 功耗也越来越大[6].传统的空气自然或强制对流散热显然已不能满足电子技术发展的需求， 迫切需要开发小而轻、强散热能力、低成本的新型传热装置.振荡热管可以作为一种高效的导热元件广泛地应用于电子元器件冷却领域。

近年来日本开发的用于CPU无风扇散热器NCU-1000 ，主体和散热翅均由铝-HFC134a板式振荡热管制作， 具有散热效率高、无噪声、安装方便等优点。

（2）应用于太阳能集热器

回路型振荡热管应用到太阳能收集器，大约能够收集到62%的太阳能，与传统昂贵的热管系统效率相当。此外应用回路型振荡热管的太阳能收集器还具有防腐、冬季不会出现冷凝现象的优点。

（3）应用于余热回收

单向止回阀的回路振荡热管（R134a 作为工质，50%的充液率）可应用于干燥系统，充分利用余热来预热空气，降低相对湿度.实验证明当空气温度升高，风速降低，系统的换热性能有所提高，相对湿度由89%～100%降至54%～72%。

（4）应用于地板采暖

振荡热管应用于地板采暖系统， 具有热响应快， 温升高， 节能等优点， 与传统的聚乙烯管式采暖系统相比， 该系统可节省30%的能源消耗。集热系统和采暖系统完全独立，减少了系统的相互影响，同时也降低了系统的承压要求。该系统热稳定性好，连续供热能力强，与自动控制系统配合后，此太阳能地板辐射采暖系统可以连续、稳定、安全地运行。

（5）除了上述应用外， 涉及传热的领域大多可以应用振荡热管， 尤其是用于小空间高热流密度的散热场合。1

展望今后振荡热管技术研究发展应该从以下几方面着手。

（1）寻找振荡热管的最佳工作条件，对各个参数的相互影响进行系统研究；

（2）改进现有的理论模型，考虑多因素影响，尽可能逼近管内实际运行情况，更好地从本质上认识振荡热管的工作过程；

（3）将振荡热管应用到工业实践中，对各运行参数进行优化，在实际工业使用中发现问题并进行改进；

（4）拓宽振荡热管的应用领域，使其为社会做出更大贡献。2