供暖裝置中對熱虹吸管的實(shí)驗(yàn)研究

王婧璇，惠 堯，劉 爽，戰(zhàn)洪仁

(沈陽化工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

近年來，對于熱管技術(shù)的飛速發(fā)展，熱虹吸管作為當(dāng)代一門新興技術(shù)，具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性受到各行各業(yè)科研工作者的青睞，它的導(dǎo)熱能力已經(jīng)超過任何一種金屬，可以憑借很小的截面遠(yuǎn)距離輸送大量的熱而無需外加動力。為了提高熱虹吸管的傳熱效率，因此本實(shí)驗(yàn)開始對兩相閉式熱虹吸管進(jìn)行研究，為深度開發(fā)以及工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為研究兩相閉式熱虹吸管的傳熱性能的影響因素，本實(shí)驗(yàn)通過測量兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段的壁溫來判定兩相閉式熱虹吸管是否改變。通過蒸發(fā)段壁溫可計(jì)算得到兩相閉式熱虹吸管的熱阻。后又通過改變兩相閉式熱虹吸管的加熱功率、傾斜角度來研究對兩相閉式熱虹吸管傳熱性能的影響。本實(shí)驗(yàn)裝置的加熱功率為200～500 W，傾斜角度為30～90°的條件下，通過實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)和圖片分析了普通兩相閉式熱虹吸管和插件兩相閉式熱虹吸管的傳熱性能[2]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置通過測量兩相閉式熱虹吸管的壁溫，來得到在不同功率和傾斜角的前提下對兩相閉式熱虹吸管的傳熱性能和各項(xiàng)阻值的影響。圖1為兩相閉式熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置圖，裝置是由待測兩相閉式熱虹吸管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、絕熱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)掃描與記錄系統(tǒng)和傾角設(shè)定系統(tǒng)組成[3]。

圖1 兩相閉式虹熱吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)第一應(yīng)查看實(shí)驗(yàn)臺設(shè)備是否安全，若有螺絲松動或者裝置漏電漏水等不安全因素應(yīng)立即上報(bào)維修；

2)把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)打開，反復(fù)確保檢測各測溫點(diǎn)的溫度有無異常；

3)在供給箱內(nèi)有充足的冷卻水，開啟自吸式離心泵，此時(shí)由于冷卻水的溫度因?yàn)樵诹鲃舆^程中受到水泵的加熱而略有上升，應(yīng)監(jiān)測水套入口冷卻水的溫度達(dá)到穩(wěn)定；

4)認(rèn)真檢查轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量的是不是準(zhǔn)確數(shù)值；

5)在計(jì)數(shù)前，使電壓表、電流表接通電流3～8 min可保證電壓、電流值的準(zhǔn)確性，再開啟加熱系統(tǒng)中電流表、電壓表的電源；

6)3～8 min左右，開啟加熱系統(tǒng)中調(diào)壓器的電源，并微調(diào)調(diào)壓器。查看電壓表、電流表示數(shù)是否有異常，如無異常則應(yīng)緩慢轉(zhuǎn)動調(diào)壓器旋鈕，同時(shí)觀察電流值與電壓值，直至達(dá)到指定的加熱功率結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

7)當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，為保持冷卻系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)首先將調(diào)壓器緩慢調(diào)回零點(diǎn)，接著觀察兩相閉式熱虹吸管各壁溫值接近室溫等幾分鐘后，檢查各項(xiàng)裝置并且關(guān)閉所有電源。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

4.1 普通熱虹吸管的數(shù)值記錄

圖2 為普通熱虹吸管在平均壁溫達(dá)到320 K左右800 s以內(nèi)的蒸發(fā)段壁溫的曲線數(shù)值。從圖中可以得知在200、275、350、425、500 W的熱功率下500 W的壁溫上升的數(shù)值改變了最大；從曲線圖中可以看出從0 s開始到大概90 s左右蒸發(fā)段平均壁溫增加最快，從80～220 s左右蒸發(fā)段平均壁溫增長照前一階段增長緩慢，在220 s以后數(shù)值基本呈平穩(wěn)趨勢，偶爾有波動。

圖2 啟動階段不同加熱功率條件下的蒸發(fā)段平均壁溫

4.2 熱虹吸管各項(xiàng)阻值的計(jì)算過程

為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，兩相閉式熱虹吸管的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每一個(gè)測溫點(diǎn)進(jìn)行了600次的數(shù)據(jù)記錄取得平均值:

本實(shí)驗(yàn)對兩相閉式熱虹吸管的絕熱段進(jìn)行了處理，和忽略其他熱量損失，則熱虹吸管輸入功率為：

利用鎳鉻合金電阻絲兩端電壓和通過電流，計(jì)算出兩相閉式熱管的冷凝管部分吸收的熱量為：

利用體積流量，密度，比熱容等公式計(jì)算得出總熱阻計(jì)算公式：

下列是熱虹吸管蒸發(fā)段的熱阻計(jì)算公式：

下列是熱虹吸管冷凝段的熱阻計(jì)算公式：

5 功率對傳熱性能的影響

圖3 為加熱功率對普通熱虹吸管阻值的影響圖，可以看出在加熱功率從200～500 W時(shí)無論在實(shí)驗(yàn)中任何傾斜角的條件下總熱阻都呈下降趨勢。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)得知可以通過氣流和在蒸發(fā)段的能量的輸入效率等因素改變兩相閉式熱虹吸管傳熱性能和相變速率。

圖3 加熱功率對普通熱虹吸管阻值的影響

6 傾角的影響

圖4 傾斜角度對熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻的影響

圖4為在不同加熱功率條件下，傾斜角度(0～90°)與熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻的關(guān)系，由圖可知，傾斜角度對熱虹吸管蒸發(fā)段傳熱性能和熱阻有著非常明顯的影響。在加熱功率為200～425 W的條件下的蒸發(fā)段熱阻都隨傾角的增大而有大幅度且波動規(guī)律相似的波動，且均在傾斜角度為60°時(shí)取得最小值，傾斜角度為75°時(shí)取得最大值。而加熱功率為500 W時(shí)，蒸發(fā)段熱阻的變化趨勢與其他四種有顯著區(qū)別，因此在研究傾斜角度與蒸發(fā)段傳熱性能的關(guān)系中不予考慮加熱功率為500 W的情況。如果在實(shí)驗(yàn)中不發(fā)生傳熱惡化的情況下，當(dāng)傾斜角度為60°相時(shí)蒸發(fā)段傳熱功率最好，與傾斜角度為90°相比較，蒸發(fā)段熱阻平均降低12.0%左右。

7 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)通過對兩相閉式熱虹吸管在不同加熱功率和傾斜角度的研究下，發(fā)現(xiàn)通過改變加熱功率和傾斜角度對兩相閉式熱虹吸管傳熱性能和各項(xiàng)阻值有著重要影響。兩相閉式熱虹吸管蒸發(fā)段熱阻隨加熱功率的增大逐減小。在傾角為45°時(shí)冷凝段傳熱性能最好；在傾斜角為60°時(shí)蒸發(fā)段傳熱效率最好。

本熱虹吸管裝置不僅僅可以代替燒鍋爐供暖，還可以安裝到汽車中給汽車內(nèi)供暖，規(guī)避了普通供暖方式對煤和汽油的燃燒使用，通過電的方式來取暖，安全衛(wèi)生環(huán)保，使人們生活更加舒適。迄今為止熱虹吸管仍然是研究者熱議探討的話題，本實(shí)驗(yàn)研究對生產(chǎn)生活發(fā)展做出了積極的參考作用[4]。