熱虹吸管散熱器的研究

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摘要：提出了一種熱虹吸管散熱器，分別以水、R11、丙酮、甲醇為熱虹吸工質(zhì)，對(duì)熱虹吸散熱器的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，并與傳統(tǒng)散熱器作了比較。關(guān)鍵詞：熱虹吸 散熱器 工質(zhì) 均溫性 0 引言熱管或熱虹吸換熱技術(shù)具備優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能、二次間壁換熱、熱流密度可調(diào)節(jié)等普通換熱技術(shù)所不具備的優(yōu)越性能，因而在 工業(yè) 換熱和回收節(jié)能等方面獲得廣泛 應(yīng)用 ，并在冶金、化工、建材、動(dòng)力等行業(yè)有很多成功實(shí)例[1]。為了提高鋼制供暖散熱系統(tǒng)的承壓能力，解決容易出現(xiàn)的氧化腐蝕、低區(qū)超壓等 問題 ，近年來，一些熱管或熱虹吸散熱器形式陸續(xù)出現(xiàn)，并成為散熱器開發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。本課題以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ) 研究 熱虹吸管散熱器在使用不同工作介質(zhì)時(shí)的熱工性能，并與常規(guī)散熱器做了系統(tǒng)比較，對(duì)熱虹吸管散熱器進(jìn)行傳熱 分析 ，為其進(jìn)一步 發(fā)展 和完善以及工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和 理論 指導(dǎo)。 1 基本原理熱虹吸管散熱器利用柱型或板型散熱器為殼體，在散熱器底部穿入熱媒管，殼體內(nèi)注入工質(zhì)，并建立真空環(huán)境，這是一種常溫重力式熱管。工作過程是：在散熱器底部，供熱系統(tǒng)通過熱媒管將殼體內(nèi)的工質(zhì)加熱，在工作溫度范圍內(nèi)，工質(zhì)沸騰，蒸汽上升至散熱器上部凝結(jié)放熱，凝結(jié)液沿散熱器內(nèi)壁回流至加熱段被再次加熱蒸發(fā)，熱量通過工質(zhì)的不斷循環(huán)相變由熱源傳遞至熱沉，達(dá)到供熱、加熱的目的?；窘Y(jié)構(gòu)形式如圖1所示。熱虹吸管散熱器與經(jīng)典熱管的區(qū)別在于，冷凝液不是借助毛細(xì)力作用回流，而是在重力作用下沿著散熱器內(nèi)壁面回流至液槽，因而傳熱方向不可逆；另一個(gè)方面，經(jīng)典熱管的蒸發(fā)段與冷凝段的傳熱面積具有可比性，而作為散熱器形式的重力熱虹吸管，蒸發(fā)段相當(dāng)于散熱器的“內(nèi)熱源”，“冷凝段”的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“蒸發(fā)段”的表面積。為了改善對(duì)室內(nèi)熱微環(huán)境的 影響 ，供暖散熱器理想的目標(biāo)是一定的熱媒溫度下得到最大的散熱量，同時(shí)有均勻的表面溫度，避免散熱器表面出現(xiàn)“熱區(qū)”、“冷區(qū)”。2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參照 文獻(xiàn) [2]建成，由熱水系統(tǒng)、測(cè)試小室真空系統(tǒng)、散熱器真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)等五個(gè)子系統(tǒng)組成。測(cè)試程序參照文獻(xiàn)[2]進(jìn)行。散熱器熱媒供回水溫度由WMY-01B數(shù)字溫度計(jì)測(cè)定，流量由LZB-15浮子流量計(jì)和臺(tái)秤測(cè)定，散熱器表面溫度由銅-康銅熱電偶和UJ-36型攜帶式電位差計(jì)測(cè)定，熱虹吸散熱器內(nèi)部壓力由Z-60型真空壓力表測(cè)定，另外記錄時(shí)間的秒表一支，全部測(cè)試儀器、儀表經(jīng)過校定，散熱器表面熱電偶布置如圖2所示。本研究選用 目前 普遍使用的鋼制柱型散熱器為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，為了比較，同時(shí)作了常規(guī)散熱器實(shí)驗(yàn)和不同工質(zhì)的熱虹吸散熱器實(shí)驗(yàn)。熱管工質(zhì)的熱物理特性對(duì)熱虹吸管的熱工性能有著關(guān)鍵性的影響，熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，其選擇一般應(yīng)考慮以下一些原則[1]：（1）工作液體應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū)，并有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎?；?）工作液體與殼體、吸液芯材料應(yīng)相容，且應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性；（3）工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì)，要求液體的輸運(yùn)因素大；（4）其他，包括 經(jīng)濟(jì) 性、毒性、環(huán)境污染等。本課題選用了四種工質(zhì)（水、R11、甲醇、丙酮）進(jìn)行研究，四種工質(zhì)的熱物理特性主要參數(shù)如表1所示。（※ 內(nèi)壁面作一定化學(xué)處理。）表1 幾種工質(zhì)的主要熱物理參數(shù)中文名分子式熔點(diǎn)℃正常沸點(diǎn)℃相容殼體材料溫度℃飽和壓力105Pa輸運(yùn)因素106 W/m2氟利昂-11CFCl3-11123.7鋁、銅、不銹鋼00.40357.7051008.25381.555丙酮CH3OHCH3-93.1556.25鋁、銅、不銹鋼00.1030.3761004.4325.634甲醇CH3OH-9864.7銅、碳鋼不銹鋼00.2029.3911004.053.954水H2O0100銅碳鋼※00.00611175.7611001.0130455.7093 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果每一測(cè)試周期為60分鐘，每次測(cè)試前系統(tǒng)熱平衡時(shí)間45分鐘。實(shí)驗(yàn)過程中，為了便于與常規(guī)散熱器進(jìn)行性能比較，通過調(diào)整熱媒流量的辦法使各實(shí)驗(yàn)散熱器的表面平均溫度對(duì)應(yīng)熱媒進(jìn)水溫度的變化基本一致；另外，對(duì)于熱虹吸散熱器， 參考 文獻(xiàn)[1]，工質(zhì)灌注量為1250ml。測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后，如圖3～7所示，圖例說明中，“常規(guī)”、“水”、“R11”、“甲醇”、“丙酮”分別指常規(guī)散熱器和熱虹吸工質(zhì)相應(yīng)為水、R11、甲醇、丙酮的熱虹吸散熱器，括號(hào)中數(shù)值為各種實(shí)驗(yàn)散熱器相應(yīng)的熱媒流量。3.2 測(cè)試結(jié)果分析依據(jù)熱虹吸原理，分析圖3～7的數(shù)據(jù)，可以得出一些具有重要工程指導(dǎo)意義的結(jié)論：（1）熱虹吸散熱器的放熱能力不及常規(guī)散熱器。對(duì)于同樣的熱媒進(jìn)水溫度，熱虹吸散熱器要達(dá)到與常規(guī)散熱器相同的表面溫度，水、甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器對(duì)應(yīng)的熱媒流量需要分別增大到約3.54倍、3.44倍、3.26倍；而對(duì)于R11工質(zhì)熱虹吸散熱器，實(shí)驗(yàn)中，考慮到散熱器內(nèi)壓力太大，熱媒流量較小，散熱器表面平均溫度相應(yīng)較低；各種工質(zhì)熱虹吸散熱器的散熱量明顯低于常規(guī)散熱器。熱虹吸散熱器屬于“二次換熱”，總的傳熱熱阻比常規(guī)散熱器大，使得以外表面 計(jì)算 的總傳熱系數(shù)下降；受結(jié)構(gòu)的局限，熱虹吸散熱器“蒸發(fā)段”傳熱面積遠(yuǎn)小于“冷凝段”傳熱面積，因而其傳熱能力主要取決于熱媒管與工質(zhì)之間的熱阻。另有研究表明，強(qiáng)化熱媒與工質(zhì)之間的換熱可以提高熱虹吸散熱器總傳熱系數(shù)30%以上[3]。（2） 熱虹吸散熱器具有與常規(guī)散熱器相反的表面溫度均勻性特性。常規(guī)散熱器表面溫度不均勻，存在明顯的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，熱媒出口附近散熱器表面測(cè)試溫度值明顯低于熱媒進(jìn)口附近的測(cè)試溫度值，散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)比R11、甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器相應(yīng)數(shù)值高得多，而且其數(shù)值隨著熱媒溫度的升高而加大；R11、甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性特性，但水工質(zhì)熱虹吸散熱器在熱媒進(jìn)水溫度低于88℃時(shí)，散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差值與常規(guī)散熱器不相上下，熱媒進(jìn)水溫度88℃后，水工質(zhì)熱虹吸散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性；隨著熱媒進(jìn)水溫度的升高，各種實(shí)驗(yàn)工質(zhì)熱虹吸散熱器的表面溫度均勻性越顯著。對(duì)于常規(guī)散熱器，熱媒溫度越高，進(jìn)、出口端受熱不均勻越顯著，相應(yīng)進(jìn)、出口端散熱器表面溫度的不均勻性也越明顯；而對(duì)于熱虹吸散熱器，表面溫度不均勻是工質(zhì)蒸汽不均勻分布和殘存不凝性氣體阻止蒸汽凝結(jié)放熱引起的。沿?zé)崦焦荛L(zhǎng)度方向，熱虹吸工質(zhì)在熱媒入口端比出口端沸騰強(qiáng)烈，常規(guī)散熱器片式或柱式結(jié)構(gòu)形式阻礙了熱虹吸工質(zhì)在散熱器內(nèi)部的橫向流動(dòng)，導(dǎo)致散熱器表面溫度的不均勻性，隨著散熱器的溫度升高，不凝性氣體的影響相對(duì)減弱，散熱器的表面溫度均勻性進(jìn)一步改善，另外，開發(fā)有利于熱虹吸工質(zhì)蒸汽在散熱器內(nèi)部均勻分布的散熱器結(jié)構(gòu)形式，可進(jìn)一步克服沿?zé)崦焦芊较蚬べ|(zhì)不均勻受熱造成的表面溫度不均勻現(xiàn)象。（3） 適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎悍秶沁x擇熱虹吸散熱器工質(zhì)的重要決定因素。熱虹吸管散熱器主要依靠工作液體的相變來傳遞熱量，工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì)，要求液體的輸運(yùn)因素大，并有適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎海慌c經(jīng)典熱管不同的是，熱虹吸熱管沒有吸液芯結(jié)構(gòu)，凝結(jié)液在重力作用下回流，其最大傳熱能力主要受限于攜帶極限，而本研究中作為散熱器形式的常溫重力熱虹吸管，內(nèi)腔相對(duì)開闊，上升蒸汽流對(duì)壁面回流冷凝液的影響并不顯著，工作溫度區(qū)域內(nèi)適當(dāng)?shù)娘柡蜌鈮猴@得更為重要。適當(dāng)?shù)娘柡驼羝麎菏菬岷缥谕ǔ崦綔囟确秶鷥?nèi)正常啟動(dòng)的條件，實(shí)驗(yàn)中，R11、丙酮、甲醇、水工質(zhì)的熱虹吸散熱器的啟動(dòng)溫度依次提高也說明了這一點(diǎn)；另外，過高、過低的飽和蒸汽壓，以及散熱器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部大跨度的壓力變化還給工程運(yùn)用帶來工藝實(shí)現(xiàn)上的困難；所以，水、R11不宜作為一般供暖熱虹吸散熱器工質(zhì)；而甲醇、丙酮工質(zhì)熱虹吸散熱器內(nèi)的壓力則在大氣壓附近變化，是較理想的選擇。盡管水有很高的輸運(yùn)因素（如表1所示），測(cè)試數(shù)據(jù)表明，水工質(zhì)熱虹吸散熱器的熱工性能并不優(yōu)越，特別是熱媒流量較小或熱媒溫度較低時(shí)，傳熱量較小，散熱器在較低溫度下運(yùn)行，這時(shí)飽和氣壓很低，蒸汽非常稀薄，凝結(jié)放熱量小，熱虹吸散熱器性能不佳。（4） 殘存不凝性氣體對(duì)熱虹吸散熱器熱工性能有關(guān)鍵性不利 影響 。由于工藝上的局限，散熱器內(nèi)必然不同程度地殘留一定量的空氣等不凝結(jié)性氣體，對(duì)熱虹吸散熱器的熱工性能帶來不利影響，這種影響在熱虹吸工質(zhì)飽和蒸汽壓較低時(shí)尤其顯著，也從另一個(gè)方面說明了水不宜作為一般供暖熱虹吸散熱器工質(zhì)。不凝結(jié)性氣體存在，導(dǎo)致啟動(dòng)溫度上移，在熱媒溫度較低或熱媒流量不足時(shí)，熱虹吸散熱器不能啟動(dòng)，因而不能供熱，實(shí)驗(yàn)中，水工質(zhì)的熱虹吸散熱器在熱媒溫度較低時(shí)啟動(dòng)困難也說明了這一點(diǎn)。由于不凝結(jié)性氣體在散熱器內(nèi)壁面形成氣膜，阻礙蒸汽的凝結(jié)放熱，導(dǎo)致熱虹吸效果惡化，在熱功率較小時(shí)甚至導(dǎo)致熱虹吸現(xiàn)象停止，散熱器性能大大降低或破壞，實(shí)驗(yàn)中，水工質(zhì)熱虹吸散熱器在熱媒溫度較低時(shí)，熱工性能并不優(yōu)越也說明了這一點(diǎn)，但是，當(dāng)熱媒進(jìn)水溫度超過88℃以后，水工質(zhì)熱虹吸散熱器熱工性能顯著改善，因?yàn)殡S著散熱器的溫度升高，飽和蒸汽壓提高，不凝性氣體的影響相對(duì)減弱。（5） 各種實(shí)驗(yàn)散熱器總放熱量中，輻射放熱量約占其比例的39±6%，這個(gè)結(jié)果與 文獻(xiàn) [2]的報(bào)道基本一致，為同類散熱器的深化開發(fā)和 研究 提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。4 傳熱 分析 選用合適的工質(zhì)，熱虹吸散熱器具有很好的表面溫度均勻性質(zhì)，因此，盡管散熱器內(nèi)部傳熱機(jī)理極為復(fù)雜，但散熱器與環(huán)境之間的傳熱 計(jì)算 比常規(guī)散熱器可能更為簡(jiǎn)單，對(duì)于熱虹吸散熱器表面可近似按均溫處理。描述散熱器的傳熱模型很多，本文選用Churchill[4]等人提出的模型對(duì)所研究的散熱器進(jìn)行傳熱分析，其適用的瑞利數(shù)范圍是：0.1＜Ra＜1012。由熱媒水供給散熱器的熱量為：(1)散熱器的散熱量由對(duì)流散熱量和輻射散熱量?jī)刹糠纸M成，即：(2)散熱器的垂直表面引起 自然 對(duì)流，其瑞利數(shù)可定義為：(3)式中h是散熱器的高度，ΔTr=Ts-Ta是散熱器表面與環(huán)境之間的溫差，建筑供熱散熱器表面溫度與環(huán)境溫度相差不是太大，所以空氣流體物性參數(shù)由平均溫度T=(Ts+Ta)/2確定。參照常規(guī)散熱器的供熱要求初步計(jì)算得出，瑞利數(shù)的變化范圍為1～2×109。Churchill傳熱關(guān)系式為：(4)對(duì)流放熱量為：(5)散熱器輻射放熱量為：(6)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及散熱器表面特性確定，角系數(shù)Fr-e＝1，發(fā)射率ε＝0.91。為了驗(yàn)證分析模型，定義實(shí)驗(yàn)測(cè)試總放熱量與分析模型計(jì)算總放熱量的百分誤差為：(7)計(jì)算結(jié)果如圖8所示。圖8表明，總放熱量百分誤差分布非常集中，基本上在±8%范圍內(nèi)，說明分析模型對(duì)實(shí)驗(yàn)工質(zhì)及散熱器類型是基本適用的。但對(duì)于R11工質(zhì)熱虹吸散熱器，在低溫?zé)崦胶透邷責(zé)崦角樾蜗拢`差值比較大，因此有必要做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究和分析。隨著溫度升高，丙酮熱虹吸散熱器的總放熱量百分誤差數(shù)值由-10%變化到5.0%，進(jìn)一步說明了散熱器殼體內(nèi)殘存的不凝性氣體對(duì)熱虹吸效果的不利影響，且隨著溫度的降低，這種影響更為顯著，因?yàn)閭鳠岱治瞿Ｐ蜎]有考慮不凝性氣體的影響，所以，當(dāng)散熱器溫度較低時(shí)，實(shí)際放熱量低于分析模型計(jì)算放熱量。5 熱虹吸散熱器的優(yōu)點(diǎn)及有待進(jìn)一步解決的 問題 選用適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)，熱虹吸散熱器相對(duì)于常規(guī)散熱器具有顯而易見的優(yōu)越性：（1）表面溫度均勻，熱媒溫度越高，或傳熱量越大，熱虹吸散熱器表面溫度均勻性越好，有利于改善熱微環(huán)境。（2）二次換熱，散熱器本身不承受熱媒管路系統(tǒng)壓力，而熱媒管路比散熱器承壓能力大，因此 應(yīng)用 于高層建筑供熱系統(tǒng)，不容易出現(xiàn)低區(qū)超壓的問題。（3）熱媒環(huán)路比使用常規(guī)散熱器簡(jiǎn)單，不容易出現(xiàn)因集氣而造成的氣塞現(xiàn)象。（4）散熱器殼體不與熱媒接觸，散熱體難以腐蝕，大大減輕始終困擾常規(guī)散熱器中央供熱系統(tǒng)的氧化腐蝕現(xiàn)象，以及由此進(jìn)一步引起的管道堵塞而造成的供熱失調(diào)。（5）熱媒循環(huán)系統(tǒng)更為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)阻力小，節(jié)省循環(huán)動(dòng)力功耗。（6）熱虹吸散熱器內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)少于常規(guī)散熱器內(nèi)水的質(zhì)量，散熱器整體相當(dāng)輕便，便于安裝布置。同時(shí)，用于集中供熱系統(tǒng)，也有一些實(shí)際性的工程問題有待進(jìn)一步完善：（1）熱虹吸散熱器屬于二次間壁換熱，對(duì)比常規(guī)水熱媒散熱器，總的熱阻有所增大，熱媒流量也要加大，強(qiáng)化熱媒與熱管工質(zhì)之間的換熱是提高效率的關(guān)鍵。 （2）熱虹吸從啟動(dòng)到穩(wěn)定工作，管內(nèi)產(chǎn)生從負(fù)壓到正壓的大跨度壓力變化，停止工作時(shí)，管殼內(nèi)需要維持一定的負(fù)壓，因此，生產(chǎn)工藝要求較普通散熱器高得多。（3）熱虹吸散熱器的性能穩(wěn)定性有待更長(zhǎng)期的工程實(shí)踐檢驗(yàn)。（4）開發(fā)有利于熱虹吸工質(zhì)蒸汽在散熱器內(nèi)部均勻分布的散熱器結(jié)構(gòu)形式，可進(jìn)一步克服沿?zé)崦焦芊较蚬べ|(zhì)不均勻受熱造成的表面溫度不均勻現(xiàn)象。6 結(jié)論（1） 選用丙酮、甲醇等合適的工質(zhì)，熱虹吸散熱器具有優(yōu)越的熱工性能，與常規(guī)散熱器比較具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如：表面溫度均勻，沒有氧化腐蝕，高層供熱系統(tǒng)容易解決低區(qū)超壓、集氣氣塞問題，安裝方便，系統(tǒng)維護(hù)量少，節(jié)省熱媒循環(huán)動(dòng)力功耗。（2） 熱虹吸散熱器屬于“二次換熱”，總的傳熱熱阻比常規(guī)散熱器大，放熱能力不及常規(guī)散熱器。（3） 適當(dāng)?shù)臒岷缥べ|(zhì)飽和蒸汽壓范圍以及殘存不凝性氣體的影響是決定熱虹吸散熱器正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。（4） 實(shí)驗(yàn)和分析表明，柱式熱虹吸散熱器的總散熱量中，輻射散熱量約占39±6%，分析模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，為進(jìn)一步深化研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和 理論 指導(dǎo)。（5） 尋找更適用的熱虹吸工質(zhì)，強(qiáng)化熱媒與熱虹吸工質(zhì)之間的換熱，以及研究有利于工質(zhì)蒸汽在散熱器內(nèi)部自由流動(dòng)和均勻分布的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)當(dāng)是進(jìn)一步完善熱虹吸散熱器性能的主要研究方向，熱虹吸散熱器的性能穩(wěn)定性有待更長(zhǎng)期的工程實(shí)踐檢驗(yàn)。文中各參數(shù)的物理意義如下:Ar ——散熱器表面積/ m2; cp ——空氣的比熱容/Jkg-1K-1；cp,w ——水的比熱容/Jkg-1K-1; d——輻射放熱量占總放熱量的百分比/%；Fr-e——角系數(shù)； g ——重力加速度/9.81 m s-2; h ——散熱器高度/m; p ——總放熱量的百分誤差/%;qw——熱媒流量/lmin-1； tin、tout——熱媒進(jìn)、出水溫度/℃；ts——散熱器表面平均溫度/℃； Ta ——環(huán)境溫度/K;Tin、Tout——熱媒進(jìn)、出水溫度/K； Ts——散熱器表面平均溫度/K；Gr ——葛拉曉夫數(shù); ——散熱器平均努謝爾特?cái)?shù)；Pr ——普郎特?cái)?shù); Ra ——瑞利數(shù);——平均散熱系數(shù)/ Wm-2K-1; β——熱膨脹系數(shù)/K-1;δT——散熱器表面測(cè)量溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差/℃； ε——發(fā)射率；κ ——流體熱導(dǎo)率/Wm-1K-1; μ——流體粘度/kgm-1s-1;ρ——流體密度/kgm3; σ——斯忒潘-波爾茲曼常數(shù)/5.67×10-8Wm-2K-4;Φc——散熱器對(duì)流散熱量/W； Φr——散熱器輻射散熱量/W；Φt ——由分析模型計(jì)算的總散熱量/W; Φw——散熱器水熱媒總散熱量/W；參考 文獻(xiàn)：[1] Dunn .P.D., Reay.D.A. 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