第24卷第5期煤氣與熱力Vol. 24 No. 52004年5月Gas heatMay 2004章編號:1000-4416(2004)05-0246-05熱虹吸管散熱器的傳熱分析羅清海湯廣發(fā),龔光彩,付崢(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院湖南長沙410082)摘要:對熱虹吸管散熱器進行傳熱分析,并以丙酮為熱虹吸工質(zhì)進行了實驗驗證,測試結(jié)果與分析模型計算有較好的一致性。與常規(guī)散熱器進行了實驗比較分析,對熱虹吸管散熱器的優(yōu)點、不足作了討論。關(guān)鍵詞:熱虹吸管散熱器;傳熱;均溫性中圖分類號:TU995文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AHeat Transfer Analysis on Thermosyphon RadiatorLUO Qing-hai, TANG Guang-fa, GONG Guang-cai, FU Zheng-rongCollege of Civil Engineering, Hunan Uniersity, Changsha 410082, ChinaAbstract: Heat transfer of the thermosyphon radiator is analyzed, experimental tests with acetone as therphon working fluid have been performed, and good agreement between measurement and calculation with an.sis model is obtained. Advantages and disadvantages of the thermosyphon radiator, being compared with conv-entional radiator by means of experiments and analyKey words: thermosyphon radiator; heat transfer; isothem0引言1基本原理熱管和熱虹吸換熱技術(shù)具備優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性熱虹吸管散熱器利用柱型或板型散熱器為殼能、二次間壁換熱、表面溫度均勻熱流密度可調(diào)節(jié)體本在散熱器底部穿入供熱介質(zhì)管,殼體內(nèi)注入工等常規(guī)換熱技術(shù)所不具備的優(yōu)越性能因而在工業(yè)質(zhì)并建立真空環(huán)境這是一種常溫重力式熱管(見換熱和回收節(jié)能等方面獲得廣泛應(yīng)用,在冶金、化圖1)。工、建材、動力等行業(yè)有很多成功實例。為了提高鋼制散熱器的承壓能力解決容易出現(xiàn)的氧化腐蝕問題,近年來,一些熱管和熱虹吸管散熱器形式陸續(xù)液槽出現(xiàn)成為散熱器開發(fā)的熱點。本文對熱虹吸管散H熱器進行傳熱分析,以丙酮為熱虹吸工質(zhì)進行實驗驗證,同時,與常規(guī)散熱器進行實驗比較分析,對熱圖1熱虹吸管散熱器的結(jié)構(gòu)形式虹吸管散熱器的優(yōu)點、不足作了進一步討論,為深度開發(fā)以及工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其工作過程是:在散熱器底部供熱系統(tǒng)通過供中國煤化工羅2),南根東人生主從事常效節(jié)數(shù)CNMHG第5期羅清海等:熱虹吸管散熱器的傳熱分析247熱介質(zhì)管將殼體內(nèi)的工質(zhì)加熱,在工作溫度內(nèi),工質(zhì)④,=ceA,g-(7-7沸騰,工質(zhì)蒸氣上升至散熱器上部凝結(jié)放熱,凝結(jié)液根據(jù)實驗條件及散熱器表面特性確定角系數(shù)沿散熱器內(nèi)壁回流至加熱段被再次加熱蒸發(fā)熱量g=1,發(fā)射率c=0.9通過工質(zhì)的不斷循環(huán)相變進行熱量傳遞與經(jīng)典熱管的區(qū)別在于冷凝液不是借助毛細(xì)3實驗系統(tǒng)力作用回流,而是在重力作用下沿著散熱器內(nèi)壁面回流;另一個方面,經(jīng)典熱管的蒸發(fā)段與冷凝段的傳為驗證熱虹吸管散熱器傳熱分析模型的正確熱面積具有可比性而作為散熱器形式的重力熱虹性,以丙酮為熱虹吸工質(zhì)對柱式熱虹吸管散熱器的吸管蒸發(fā)段相當(dāng)于散熱器的內(nèi)熱源冷凝段(熱沉)放熱性能進行了實驗測試同時,為了與常規(guī)散熱器的表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸發(fā)段(熱源)的表面積。進行性能比較,作了常規(guī)散熱器性能實驗測試。實驗系統(tǒng)參照文獻(xiàn)建成,由熱水系統(tǒng)測試小2傳熱分析室真空系統(tǒng)、散熱器真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)等5個子系統(tǒng)組成。測試程序參照文獻(xiàn)選用合適的工質(zhì)熱虹吸管散熱器具有很好的進行。表面溫度均勻性質(zhì),因此,盡管散熱器內(nèi)部傳熱機理散熱器供熱介質(zhì)供回水溫度由WMY-01B數(shù)極為復(fù)雜,但散熱器與環(huán)境之間的傳熱計算比常規(guī)字溫度計測定,流量由LZB-15浮子流量計和臺秤散熱器更為簡單對于熱虹吸管散熱器表面可近似測定散熱器表面溫度由銅-康銅熱電偶和UJ-36按均溫處理。描述散熱器的傳熱模型很多,本文選型攜帶式電位差計測定熱虹吸管散熱器內(nèi)部壓力用 Churchill2等人提出的模型對所研究的散熱器進由Z-60型真空壓力表測定,另外配備秒表1只。行傳熱分析,其適用的瑞利數(shù)范圍是0.1~102。全部測試儀器、儀表經(jīng)過校定,散熱器表面熱電偶布由供熱介質(zhì)水供給散熱器的熱量為:置見圖2中,=qm,△T,=qm,Cn(T如-T)(1)真空壓力表散熱器的散熱量由對流散熱量和輻射散熱量兩熱虹吸教熱器排氣門]部分組成,即供熱介質(zhì)管散熱器的垂直表面引起自然對流,其瑞利數(shù)可定義為T-T2-熱電偶Rasc.p h'egaal: spk圖2散熱器表面熱電偶布量式中△T=T.-T是散熱器表面與環(huán)境之間的溫質(zhì)的熱物理特性對熱虹吸管的熱工性能有著差,建筑供暖散熱器表面溫度與環(huán)境溫度相差不是關(guān)鍵性的影響熱虹吸管是依靠工質(zhì)的相變來傳遞太大所以空氣流體物性參數(shù)由平均溫度T=(7,熱量的選擇一般應(yīng)考慮以下一些原則,+T)2確定。參照常規(guī)散熱器的供熱要求初步(1)工作液體應(yīng)適應(yīng)散熱器的工作溫度區(qū),并計算得出瑞利數(shù)的變化范圍為1~2×10°。有適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮篊hurchill傳熱關(guān)系式為(2)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=0.825+11+(3)工作液體應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì),(4)要求液體的輸運因數(shù)大對流放熱量為:選用丙酮作為熱虹吸工質(zhì)進行研究,其熱物理入Nu特性主要參數(shù)見表1。T-T(5)中國煤化工散熱器輻射放熱量為CNMHG煤氣與熱力2004年表1丙酮的主要熱物理參數(shù)(2)丙酮工質(zhì)熱虹吸管散熱器/相容殼體材飽和壓力八P翰運因數(shù)(W,m-2)對照表2,3得出:℃|0℃0℃100℃5625鋁銅不銹鋼10.043.030,376×10r|25634×0①對于同樣的供熱介質(zhì)進水溫度,丙酮工質(zhì)熱虹吸管散熱器要達(dá)到與常規(guī)散熱器相同的表面溫度和散熱量,供熱介質(zhì)體積流量需要增大到約35倍4.1實驗測試結(jié)果②熱虹吸管散熱器表面溫度的均勻性比常規(guī)每一測試周期為60min,每次測試前系統(tǒng)熱平散熱器要優(yōu)越得多,對于近似的散熱器表面平均溫衡時間45mn,測試數(shù)據(jù)見表2,3度79℃和63℃附近,相應(yīng)的表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差,前者分別約為后者的1/60和1/6;而且后者隨著表面2常規(guī)散熱器的實驗測試結(jié)果平均溫度的升高,表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差越小,即表面溫a度均勻性越好,具有與常規(guī)散熱器相反的表面溫度/℃⊥℃r℃w⊥W19∞17.2161180e-37均勻性特性1.3071.063.11221.260.511.4140.2|-2另外,丙酮對應(yīng)80℃的飽和壓力為215kPa,可12954.8|40,31330.810.21.193622見丙酮工質(zhì)熱虹吸管散熱器具有優(yōu)良的熱工性能散熱器表面溫度均勻性、內(nèi)部壓力變化都非常令人滿意,但同樣供熱介質(zhì)條件下前者比后者總放熱能裹3以丙酮為工質(zhì)時熱虹吸管散熱器的測試結(jié)果力要小aat=/℃a/℃△Bo.o, bnd ii &e進一步對照分析表2,3的數(shù)據(jù)表明4291.19.70.251.650.711.7142①總放熱量相對誤差分布非常集中,常規(guī)散熱4283n218.400%150y631器在±4%范圍內(nèi),而熱虹吸管散熱器則在±7%范427s670111041038-1圍內(nèi),說明引用的分析模型對實驗所涉及的工質(zhì)及41x0.16.2|201.020.421.421414-4.4散熱器類型是適用的4.26105414%40.740.21.25|35-69②在散熱器的總放熱量中輻射放熱量大約占(40±4)%,而對流放熱量約占(60±4)%,該結(jié)果與文獻(xiàn)“基本一致。Ra由式(3)計算,并得出每組實驗測試得到的③熱虹吸管散熱器具有與常規(guī)散熱器相反的輻射放熱量占總放熱量的比例r。為驗證分析模表面溫度均勻性特性?？梢越忉尀?對于熱虹吸管型定義實驗測試總放熱量與分析模型計算總放熱散熱器,受真空設(shè)備性能的限制熱虹吸管散熱器殼量的相對誤差b。為體內(nèi)會殘留一定量的空氣等不凝性氣體這些不凝a。。.-(7)性氣體會引起殼體內(nèi)壓力上升,并阻礙工質(zhì)蒸氣的凝結(jié)放熱,進而導(dǎo)致熱虹吸啟動溫度的上移,以及熱4.2測試結(jié)果分析虹吸效果的下降。而隨著散熱器的溫度升高,不凝(1)常規(guī)散熱器性氣體的影響相對減弱散熱器的表面溫度均勻性常規(guī)散熱器分別針對901℃,71.0℃,4.8℃進一步改善。但是,對于常規(guī)散熱器供熱介質(zhì)溫度供熱介質(zhì)進水溫度進行測試供熱介質(zhì)體積流量約越高,進、出口端受熱不均勻越顯著,相應(yīng)進出口端為1.30I/min。表2的數(shù)據(jù)說明,常規(guī)散熱器表面散熱器表面溫度的不均勻性也越明顯溫度不均勻,存在明顯的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”,供熱介質(zhì)④隨著熱虹吸管散熱器溫度的升高總放熱量出口附近的熱電偶Tm7n,T的測試溫度明顯低相對誤差由-6.9%變化到50%,進一步說明了散于供熱介質(zhì)進口附近的熱電偶T1,T2,T3的測試溫?zé)崞鳉んw內(nèi)殘留的不凝性氣體對熱虹吸效果的不利度。對于3種供熱介質(zhì)溫度,散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)影偏差分別達(dá)到16.1℃,12.2℃,13.3℃,其隨著表傳熱YHa中國煤化工里為顯者,因為面平均溫度的升高呈加大趨勢。CNMHG第5期羅清海等:熱虹吸管散熱器的傳熱分析2495熱虹吸管散熱器的優(yōu)點及存在問題阻礙了熱虹吸工質(zhì)在散熱器內(nèi)部的縱向流動,開發(fā)有利于熱虹吸工質(zhì)蒸氣在散熱器內(nèi)部均勻分布的散選用適當(dāng)?shù)墓べ|(zhì)熱虹吸管散熱器相對于常規(guī)熱器結(jié)構(gòu)形式,可進一步克服沿供熱介質(zhì)管方向工散熱器具有顯而易見的優(yōu)越性質(zhì)不均勻受熱造成的表面溫度不均勻現(xiàn)象。(1)表面溫度均勻,與常規(guī)散熱器比較具有相反的散熱特性,供熱介質(zhì)溫度越高,或傳熱量越大,6結(jié)語熱虹吸管散熱器表面溫度均勻性越好,有利于改善熱微環(huán)境。(1)選用丙酮等合適的工質(zhì),熱虹吸管散熱器(2)二次換熱,散熱器本身不承受供熱介質(zhì)管具有優(yōu)越的熱工性能,與常規(guī)散熱器比較具有眾多路系統(tǒng)壓力,而供熱介質(zhì)管路比散熱器承壓能力大,優(yōu)點如表面溫度均勻沒有氧化腐蝕,高層供熱系因此應(yīng)用于高層建筑供熱系統(tǒng)不容易出現(xiàn)超壓的問統(tǒng)容易解決超壓集氣氣塞問題,安裝方便,系統(tǒng)維題護量少,節(jié)省供熱介質(zhì)循環(huán)動力功耗。(3)供熱介質(zhì)環(huán)路簡單,不容易出現(xiàn)因集氣而(2)傳熱分析和實驗測試表明,柱式熱虹吸管遣成的氣塞現(xiàn)象。散熱器的總散熱量中,對流散熱量約占60%,輻射(4)散熱器殼體不與供熱介質(zhì)接觸,散熱體沒散熱量約占40%,分析模型與實驗結(jié)果有較好的有腐蝕,大大減輕始終困擾常規(guī)散熱器中央供熱系致性。統(tǒng)的氧化腐蝕現(xiàn)象,以及由此進一步引起的管道堵(3)尋找更適用的熱虹吸工質(zhì),強化供熱介質(zhì)塞而造成的供熱失調(diào)。與熱虹吸工質(zhì)之間的換熱,以及研究有利于工質(zhì)蒸(5)供熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)更為簡化,系統(tǒng)阻力小,氣在散熱器內(nèi)部自由流動和均勻分布的結(jié)構(gòu)形式,節(jié)省循環(huán)動力功耗。應(yīng)當(dāng)是進一步完善熱虹吸管散熱器性能的主要研究(6)熱虹吸管散熱器內(nèi)工質(zhì)的重量小,散熱器方向熱虹吸管散熱器的性能穩(wěn)定性有待更長期的整體相當(dāng)輕便,便于安裝布置。工程實踐檢驗。同時,熱虹吸管散熱器作為一項新技術(shù),也有些實際性的不足有待進一步完善符號說明(1)熱虹吸管散熱器屬于“二次換熱”,總的傳熱熱阻比常規(guī)散熱器大,供熱介質(zhì)流量也要加大,使A,—散熱器表面積,m得以外表面計算的總傳熱系數(shù)下降;受結(jié)構(gòu)的局限,c空氣的比定壓熱容,J(kgK)熱虹吸管散熱器蒸發(fā)段傳熱面積遠(yuǎn)小于冷凝段傳熱9—水的比定壓熱容J(kgk);面積因此,強化供熱介質(zhì)與熱管工質(zhì)之間的換熱是g—重力加速度,9.81m3;提高效率的關(guān)鍵。有研究表明,強化供熱介質(zhì)與工h—散熱器高度,m;質(zhì)之間的換熱可以提高熱虹吸管散熱器總傳熱系數(shù)qn—供熱介質(zhì)水質(zhì)量流量,kg/s;30%以上5。qv—供熱介質(zhì)水體積流量,min;(2)熱虹吸從啟動到穩(wěn)定工作,散熱器管內(nèi)產(chǎn)輻射放熱量占總放熱量的比例,%;T—平均溫度,K;生從負(fù)壓到正壓的大跨度壓力變化,停止工作時,管T—環(huán)境溫度,K;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。T一散熱器表面溫度,K;T—散熱器表面平均溫度,K(3)熱虹吸工質(zhì)的毒性可燃性與殼體材料的rn,r?！峤橘|(zhì)水進出溫度,K相容性沸點飽和壓力等熱物理性質(zhì)和參數(shù)對散熱,—供熱介質(zhì)水進出溫度,℃;器的性能和實際適用性起著決定性作用,須慎重考散熱器表面平均溫度,℃;慮散熱器的性能穩(wěn)定性有待更長期的工程實踐檢積膨脹系數(shù),K驗中國煤化工(4)常規(guī)散熱器片式或柱式的散熱器結(jié)構(gòu)形式CNMHG差K;煤氣與熱力2004年△T.—供熱介質(zhì)進出水溫差,K;Ra—瑞利數(shù)。散熱器表面測量溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差,℃8—總放熱量的相對誤差,%;e—散熱器表面輻射換熱發(fā)射率;λ—空氣的熱導(dǎo)率,W(mK]莊駿張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用M].北京B—空氣的粘度,Pas化學(xué)工業(yè)出版社,2000p—空氣的密度,kgm32] Churchill S W, Chu H HS. Correlating equations for laminara—斯忒潘-波爾茲曼常數(shù)567×10W/(m2·kK);and turbulent free convection from a vertical plate [J]. Int J更,—散熱器對流散熱量Heat& Mass Transfer,1975,(18):1323-1329φ,一散熱器輻射散熱量W[3]蕭曰嶸牟靈泉董重成等民用供暖散熱器[M].北,散熱器的總散熱厭W;京:清華大學(xué)出版社,1996φ?！崞鞴峤橘|(zhì)水總散熱量,W;[4]張旭,陳文良,于文劍,等,常用供暖散熱器輻射9-—散熱器表面輻射換熱角系數(shù);對流放熱量比例的實驗研究[J].暖通空調(diào),199,(6)G-格拉曉夫數(shù);131散熱器平均努賽爾數(shù);[5]蕭曰嶸.熱管散熱器的制造工藝和工程應(yīng)用問題[JP—普朗特數(shù);暖通空調(diào),1997,(1):2022(上接第245頁)(2)其余機組的出力一般都調(diào)節(jié)使其盡量接近運行狀況,提高機組的運行效率。滿負(fù)荷運行。一般情況下,將3號機作為備用機組也能滿足生產(chǎn)的需要;當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷較大時,再將3號參考文獻(xiàn)機投入運行,這樣單機的出力和效率都得到了提高。[]唐華錦陳漢平忻建華,等.汽輪發(fā)電機組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)語故障診斷方法研究[].熱力發(fā)電,200,(3):36-37[2]呂國芳余大偉孫臻.高爐出鐵溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用編寫的通信類在 Visual C++進行串行通J.測控技術(shù),200,21(10):1921信編程中代碼利用率高,在采集數(shù)據(jù)時,執(zhí)行速度[3]李現(xiàn)勇. Visual C++串口通信技術(shù)與工程實踐[M北京:人民郵電出版社其它的RAD所開發(fā)的程序要快許多。采用串口[4]徐立偉,湯勃饒潤生管道輸送試驗數(shù)據(jù)采集軟件編程與ODC技術(shù)相結(jié)合開發(fā)小型數(shù)據(jù)庫在工業(yè)現(xiàn)的開發(fā)[門].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)場中是非常實用的。用新的能量評價準(zhǔn)則對各汽輪2002,26(2):5962機的擁效率進行了評估并在此基礎(chǔ)上調(diào)整機組負(fù)[5]崔峨尹洪超,熱能系統(tǒng)分析與最優(yōu)綜合[M].大荷,使總出力達(dá)到最優(yōu),這有利于改善目前汽輪機的連:大連理工大學(xué)出版社,194中國煤化工CNMHG