倾斜状态下热虹吸管传热性能的研究
结构灵活是热管换热器的一大优点。热管在很多时候并不是在平行于重力场方向使用的，同一根热管/热虹吸管在倾角条件改变下，其传热性能也有所变化。因此倾角是一个重要的使用条件，在不同倾斜角度的情况下，热管/热虹吸管的传热能力和垂直状态下传热能力的比值在一定范围内变化。随着热管使用的小型化, 使用条件的小温差，大热流密度趋势，热管使用稳定性越来越重要。相对于垂直状态，在带有一定倾角状态下，热管的传热稳定性比较好。以前研究倾斜状态下热管的传热能力往往是极限状态下的，即最大的传热能力[1～5] 。热管的极限传热能力对于热管换热器、散热器的设计、使用的可靠性，特别是安全运行来说很重要，但正常工作情况下的传热能力对于热管换热器、散热器更具有现实意义，为此本章将对倾斜状态下热虹吸管的使用性能进行研究。
4.1 倾斜状态下热虹吸管的传热机理[6～8]
两相闭式热虹吸管管内液池的沸腾换热属于有限空间内的池沸腾换热，液池内汽泡的产生及运动对传热过程影响很大，当热虹吸管倾斜布置时，在管壁下侧，汽泡将在核化点产生、长大、再沿管壁滑移一段距离后才会脱离壁面浮升；而在壁面上侧，在核化点产生的汽泡不会脱离壁面，只会沿管壁向上运动，同时会在管壁下侧产生浮升汽泡聚合，形成汽团。因此在倾斜布置的热虹吸管内部，管壁上下侧的换热机理是不同。
4.1.1 管壁下侧汽泡的滑移效应
对于倾斜布置的热虹吸管内的沸腾换热而言，管壁下侧汽泡在生长过程中的受力状况与大空间池沸腾的受力状况有所不同。如图4.1 所示，在浮升力分力Fx 的作用下，汽泡在脱离壁面之前可能存在一个沿管壁的滑移运动。由于沸腾将加热壁面分为汽泡脱离影响区和对流换热区，因此汽泡的滑移将会对沸腾换热产生两方面的影响，一方面，汽泡的滑移可能激活其滑移途径上的非活化核化点，从而使活化核心数目增加，沸腾换热增强；另一方面，汽泡的滑移也会强化对流区的换热过程，从而使换热能力提高。
4.1.2 管壁上侧液膜蒸发的效应
与管壁下侧汽泡的生长和运动规律不同，如图4.2 所示，在管壁上侧核化点形成的汽泡不会脱离管壁面，而是贴着管壁向上运动，并且在运动过程中不断的与运动途径上与来自下侧管壁产生的浮生汽泡聚合，形成较大的汽团。在负荷较高时，这种汽团可能形成不稳定汽膜。在汽团和加热壁面之间会存在一层很薄的液膜，由于该液膜内汽泡的不断产生，使得其沸腾换热能力得到强化。汽团底部液膜厚度和汽团贴着管壁向上运动速度主要取决于汽团的受力状况。随着热管与水平面之间的夹角θ 减小，汽团所受的正压力y F 增加，而促使汽团向上运动的的分力x F 减小，故液膜厚度减薄，汽团向上运动速度减慢，换热能力增强。但当倾角θ 减小到一定程度后，有可能在汽团底部出现烧干现象，即液体不能正常达到加热面，从而导致沸腾换热恶化，换热系数下降。
倾斜布置的热虹吸管内沸腾换热机理与垂直布置的热虹吸管内沸腾机理有所不同，在壁面上侧，换热主要靠液膜蒸发，壁面下侧汽泡的滑移会使沸腾换热增加。从而导致热虹吸管的温度周向不均匀。
很多学者对倾斜状态下热管的传热性能和传热极限等问题进行研究，但仍然有很多关键性的问题没有得到很好解决。比如，为什么从垂直状态到水平状态的变化过程中，极限热流密度的变化是先增加后减小。另外，研究热管在倾斜状态下的传热特性目前仅仅是在可视化和试验研究阶段，几乎没有比较成型的理论模型去计算倾斜状态下的传热特性。以前的研究基本上是基于可视化试验对热管内部的流型进行研究，得到的结论是：当热管与水平面之间夹角小于15°时，容易出现烧干现象。在15°～80°之间基本是分层流动，在80°以上，就和垂直状态一样了，呈现出环状流。试验结果表明：在分层流动过程中会出现一个极限热流密度最大的角度。传热极限一般是蒸发段烧干。
图 4.3 正常工作状况下的流型
Fig. 4.3 Flow pattern under the normal operating conditions
倾斜布置的热虹吸管的内部流动形式如图4.3 所示。正常操作状态下，大部分冷凝回流的液体会沿着管壁的下部回到蒸发段。而管壁的上面也存在一定量的液体，使热虹吸管处于热流各向同性状态下，维持管壁上面液体存在的因素是：
a) 大滑移波的重叠：液池内由于不断产生汽泡而出现的波动以及从绝热段下行的由于汽液两相逆流而产生的波动之间的重叠，导致下部的液体波峰到达、润湿管上壁；
b) 液滴的冲击：由于管下壁沸腾比较剧烈，流动沸腾产生汽泡生长比较迅速，可能导致包裹汽泡的液膜快速破裂，飞溅出的液体冲击上壁面。起到润湿的效果；
c) 液膜回流重新润湿上壁面。在表面张力的作用下，会有一部分回流液体仍然附着在上壁面上。
一般说来滑移波动的重叠对管上壁的润湿作用是最大的，而飞溅液滴的影响和上壁面附着的一点液体对上壁面的润湿效果不明显。
随着热流密度的增加，接近极限状态时，蒸发段的液池高度会上升，而汽液两相流动相对速度也会增加，在分层流动段的波动会加剧，其波峰与上壁面的之间间隙缩小，进一步加大了汽液两相逆向流动的相对速度，波峰不断向蒸发段的出口靠近。在一定条件下，波浪会被削去顶部，重新回到正常工作状态，但这个条件很难把握。一般的结果是形成塞状流，冲向冷凝段，而蒸发段底部由于缺少足够的液体发生烧干现象，如图4.4 所示。
图 4.4 极限条件下的流型
Fig. 4.4 Flow pattern under critical condition
从一些可视化的研究结果看来，倾斜布置的热虹吸管的过程是：在临界点附近，波浪快速发展，冲到冷凝段，在周边堆积起来，阻碍汽相上升。而后，由于回到蒸发段的液体不断减少，波浪在滑移过程中波峰降低，无法润湿热虹吸管的上壁面，出现瞬时的干枯现象。而后，由于蒸汽量减少，产生的压力不足以维持冷凝段液体高位的势能，工作介质从冷凝段回流，加热段的液体又重新多起来，产生足够多的蒸汽和波浪，开始下一个循环。
经过几次间歇烧干以后，就出现了永久传热极限，而这个传热极限是由于波浪在滑动过程中阻塞汽液两相正常的通道导致的。烧干极限通常发生在与水平面夹角比较小的情况下。
4.2 试验分析
4.2.1 概述
热管在倾斜状态的传热能力（Q）以及热阻R 一般是用垂直状态下的值与使用状态下的角度的函数的乘积表示的，即：
4.2.2 试验条件
图4.5 是试验装置图。试验条件为：热管长700mm，加热段500mm，冷凝段200mm，试验管分为两组，每组6 根，一组为热虹吸管，另一组内加250 目不锈钢丝网。充液量分别为1ml、2 ml、3 ml、4 ml、5 ml、6 ml。电加热，循环水冷却。冷却水夹套外有真空保温层，保温良好。热电偶布置于：冷却水的进出口处及加热段下起200mm 处, 加热温度80℃，测试倾斜角为：0°、15°、30°、45°、60°和90°时的数据。
图4.5 试验装置图
Fig. 4.5 Scheme of test setup
4.2.3 试验结论和分析
（1） 两相闭式热虹吸管的Qcimax /Qc90 随着充液量的变化比较明显。
图4.6 所示，图中R90 和Rmin 分别表示竖直状态下的热阻和不同倾角情况下的最小热阻，与Qcimax 和Qc90 分别为倒数关系。从试验数据上来看，Rmin 变化的不大，热阻均在0.1～0.2之间，而差别主要在R90 上．由于垂直状态下的塞状流等因素的影响，使得热管传热性能对充液量的依赖比较明显，充液量的小范围的波动可能引起热管传热性能比较大的变化。而带有一定倾角工况下使用对充液量不太敏感，也就是说，在一定充液量范围内，热管的传热性能基本不变．这就给热管加工工艺降低了难度。
既在设计热管换热器、散热器中，可以考虑使热管在倾斜状态下使用以降低加工难度，提高成品率。
（2） 热管（有吸液芯）的 Qcimax /Qc90 随着充液量的变化，如图4.7 所示，从上面的图来看，除了充液量为1ml 和4ml 比较高—其中1ml 可能是已经烧干，4ml 可能是测量的问题— 其他还是比较稳定的。和热虹吸管相比，曲线均比较稳定。可见从稳定性角度，热管优于热虹吸管。
（3） 无论是热管还是热虹吸管，不同倾角的热阻图均成L 型。图4.8 横坐标中1 代表水平状态，7 代表垂直状态，间隔15°。从图上可以看出在一定倾角的情况下，热管或热虹吸管能达到最大的传输能力。一般在30°～60°之间，产生一个盆地。并且热阻基本稳定在0.1～0.2 之间。
（4） 正如文献［8］所阐述的，在一定范围内，充液量对Q/Q90 的影响不大（图4.9，4.10）。出现热阻比较大的点是因为垂直状态下产生烧干或塞状流而影响了整体的Q/Q90 。
4.3 本章小结
本章在讨论热虹吸管在倾斜状态下的传热机理及性能，分析热虹吸管在倾斜状态下管内上下壁面的传热机理的基础上，通过试验的方法研究了正常工作情况下热虹吸管的传热性能，积累了大量试验数据，为热虹吸管在电子模块散热器中倾斜状态使用提供了设计依据，也为今后研究弯曲形状热虹吸管提供了一些试验数据。
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