热管传热性能的评价方法及其测试装置
摘要: 热管是一种利用工质相变进行热量传递的高效传热元件。文中介绍了一种等效的评价热管传热性能的方法即管内等效对流换热系数法。此外,还介绍了等效对流换热系数法测量装置。利用该装置还可研究不同的充液率、不同成分的工质以及倾角对热管传热性能的影响,从而研制出高效传热性能的热管。
关键词: 计量学; 热管; 传热性能; 工作介质; 评价方法
1 前言
热管是一种利用工质相变,在小温差条件下进行热量传递的高效传热元件。因其良好的传热性能,被誉为热的“超导体”[1 ] ,并把这种良好的导热性誉为“超导热性”[2 ] 。
作为传热元件的热管,最主要的指标是传热性能。由于热管内部既有沸腾又有冷凝,传热机理非常复杂,致使至今尚无一种被大家公认的科学评价热管传热性能的方法。故提出一种评价热管传热性能的方法———等效对流换热系数法。将热管内复杂的换热过程视为一种对流换热过程,用管内等效对流换热系数等价地来描述热管综合换热能力,其值的大小作为衡量热管传热性能优劣的标准。故建立了一套热管实验装置,用来测试热管的传热性能。
2 重力热管的工作原理
以重力热管为例,介绍其工作原理。典型的重力热管结构如图1 所示,
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图1 重力热管工作原理示意图
密闭的管内先抽真空,使内压达到1.3 ×10 - 3 ～1.3 ×10 - 4 Pa ,在此状态下充入少量工质。热管下部的加热段被加热后,液体因吸收热量而汽化为蒸汽。它在微小压差作用下流向热管上部的冷却段,并向外界释放出热量后凝结成液体。该液体在重力作用下返回到加热段,并再次吸热汽化。这样,通过工质在管内不断蒸发、凝结,便将热量从高温流体传给低温流体。
3 等效对流换热系数的计算
3.1 热管加热段、冷却段内壁温度的确定
热管加热段与冷却段的内壁温度Thi与Tci分别由测定相应的热管外壁温度减去或加上按一维导热计算的沿管壁厚度上的温降。因此, 对于加热段而言,其内壁温度为:
冷却段内壁温度Tci为:
式中,Lh 、Lc 分别为热管加热段与冷却段的长度; do 、di 分别为热管的外径和内径；λ为管壳的导热系数; Q 为通过的热流; Tho 、Tco分别为热管加热段与冷却段的外壁温度; Thi 、Tci分别为热管加热段与冷却段的内壁温度。
3. 2 热管内部工质温度( Te ) 的确定
由于绝热段采用保温材料来减少热损失,故绝热段径向散热量很小。又因为管壁热阻很小,因此,用绝热段管壁温度替代管内工质蒸汽温度的误差很小。在实验中,采用绝热段不同热电偶测量值的平均值作为工质的温度。
3. 3 热流的确定
实验中流经热管的热流采用从加热功率中扣除加热段的热损失或者从冷却水的冷却功率加上冷却段的热损失。在实验中发现,采用加热功率与冷却水冷却功率的平均值与上述方法计算的热流非常接近。这样,采用平均值的方法既可考虑到散热损失,又可弥补冷却水冷却功率与电功率的测量误差。
3. 4 热管内部对流换热系数的确定
加热段的沸腾换热系数αh :
冷却段的冷凝换热系数αc :
3. 5 等效对流换热系数αeq的确定
根据等效的原理,将热管内部复杂的换热过程视为一种对流换热过程。也就是说,在保证热管传热功率与加热段和冷却段温差相同下(即内部热阻相同) ,引入了管内等效对流换热系数。为便于讨论,下面的分析仅限于重力热管。因此,
式(5) 中,L 为热管的总长。将式(5) 整理,得:
将式(3) 、(4) 代入式(6) ,并再代入式(1) 、(2) 整理,得:
4 热管等效对流换热系数的测量装置
从等效对流换热系数的表达式中知,若测出热管加热段与冷却段的外壁温度以及通过热管的热流,即可计算出等效对流换热系数。为此,建立了如图2 所示的实验装置,它主要由热管、加热系统、冷却系统、保温系统以及相应的测量系统组成。
图2 热管传热性能测试装置示意图
4. 1 热管
热管是实验的主元件,对于长115 m、直径25mm、壁厚3 mm 的热管,其结构参数见图3。
图3 热电偶在热管表面分布示意图
在热管外表面焊有32 对热电偶,其中,加热段18 对,绝热段6 对,冷却段8 对。热电偶在热管外表面的焊接方式为绞状点焊,其分布如图3 所示。
4. 2 加热系统
加热系统主要由电源稳压器、调压变压器(最大功率为5 kVA) 、电阻加热带、多档量程的电压表(4个量程分别为0～75 V、0～150 V、0～300 V、0～600V) 、多档量程的电流表(5 个量程分别为0～5 A、0～10 A、0～25 A、0～50 A、0～100 A) 、铜带、玻璃纤维带组成。为了尽可能保证热管加热段的热流密度均匀分布,在热管与电阻加热带之间均匀缠绕了一层铜带,使热管外壁的温度更加均匀。为了防止加热带与热管间有直接电接触,在热偶丝的外面缠绕一层玻璃纤维带使加热带与热管隔离开来,以免造成实验事故。
4. 3 冷却系统
为了测得热管冷却段冷却水套的功率,用冷却水套中的循环水来冷却热管冷却段管内的热流体;用恒温水槽提供恒温的冷却水,用两个数字温度计(型号为SN2202 ,其测量范围50～150 ℃;分辨率为0.1 ℃) 分别测量循环水进出冷却水套的进出口温度;用玻璃转子流量计(最大量程为160 L/h) 来测量冷却水的流量,还可以用来控制循环水的流量,进而控制循环水的温度。
4. 4 热管的保温系统
为了减少热量的损失,我们用岩棉等保温材料包在热管的外层。
4. 5 测量系统
测量系统包括热管管壁温度的测量,加热功率的测量,冷却功率的测量。
(1) 热管管壁温度的测量
为了测量热管的管壁温度,在热管外表面上焊接了32 副镍铬- 镍铝热电偶,利用数据采集系统完成了对热电偶温度的测量和采集。数据采集系统有计算机、一块PC - 6360 多功能模入接口卡(A/D) ,两块PS - 010 前端信号处理板(放大器) 组成。在计算机主板上装上一块中泰计算机技术研究所研制的PC - 6360 多功能模入接口卡,它与PS - 010 前端信号处理板配套使用,这样可以完成对多个热电偶测点输出的微弱信号进行放大和采集。PS - 010 前端信号处理板装有16 路双端输入通道(一副热电偶相当于PS - 010 前端信号处理板的一路双端输入通道) ,因为有32 副热电偶,故采用了两块PS - 010 前端信号处理板,可以完成32 路/6s 的数据采集,并可将毫伏信号转换成摄氏温度值显示并存入磁盘。
(2) 加热功率的测量
热管的电阻加热带的加热功率为P :
P = UI (8)
式中,U 为加热带上的电压; I 为加热带的电流。用多档量程的电压表和多档量程的电流表测得电阻加热带两端的电压U 和通过电阻加热带的电流I ,即可知道加热功率。
(3) 冷却功率的测量
热管冷却段冷却水套的冷却功率为Q :
Q =ρVCP ( Tout - Tin ) (9)
ρ为循环水的密度,kg/m3 ; V 为循环水的流量,L/h ;Tout为循环水流出冷却水套的出口温度, ℃; Tin为循环水流入冷却水套的入口温度, ℃; CP 为水的比热,计算时视为常数,kJ/(kg·℃) 。
5 结束语
提出了用等效对流换热系数法来评价热管的传热性能,并建立了等效对流换热系数法实验测量装置。此外,利用该装置还能研究充液率、倾角以及不同成分的工质对热管传热性能的影响,进一步可开发研制高效传热性能的热管。
[ 参考文献]
[1 ] W.M. 罗森诺, 传热学应用手册[M] . 北京:科学出版社, 1992 , 436～445.
[2 ] 吴存真,刘光铎. 热管在热能工程中的应用[M] . 北京:水利电力出版社, 1993 , 9～11.