熱管對流換熱性能研究

李文浩，翟彤(武漢輕工大學(xué)，湖北 武漢 430023)

0 引言

在生活和生產(chǎn)中，散熱器是必不可少的，在動力、冶金、制冷、空調(diào)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。隨著人類生產(chǎn)生活對能源需求的日益增加，散熱器的應(yīng)用又與能源的開發(fā)與節(jié)能掛鉤。將工藝設(shè)備散發(fā)出來的余熱加以回收利用，既要能讓工藝設(shè)備產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)出來，不影響設(shè)備的使用，也要讓這一部分散發(fā)的熱量得到二次利用，實現(xiàn)能源利用的最大化。散熱器作為整個環(huán)節(jié)中很重要的一部分，必須使其滿足一些特定條件的工作，能夠適應(yīng)苛刻的工作條件。

1 實驗設(shè)計

通過對銅管散熱器的實驗研究，需要了解散熱管傳熱系數(shù)K值得測定方法，并且由此分析出散熱管傳熱能力的強(qiáng)弱，在實驗中找出影響散熱能力的因素[2]。

實驗裝置如圖1所示[3]。

圖1 實驗裝置示意

實驗原理：

所有的被試管均以基管(銅管)表面積為準(zhǔn)，則：

式中：d/為銅管外徑；自然對流時，L=0.74 m；r為汽化潛熱，查表；G為凝結(jié)水量，，其中h為蓄水器的水位高度；r為汽化潛熱；gs為每格的凝結(jié)水量；γ為凝結(jié)水重度；τ為供汽時間；Δt為管內(nèi)外溫差，Δt=t1-tf，當(dāng)P=0.02 MPa，t1=105 ℃(飽和溫度)；tf為試驗時的室內(nèi)溫度。

2 實驗方法及步驟

(1)打開電器蒸汽發(fā)生器下面的給水閥門，排除殘留在其中的污水。打開供氣閥門，往蒸汽發(fā)生器的蓄水鍋爐注水，直到水量足夠?qū)嶒炇褂脮r關(guān)閉進(jìn)水閥門。

(2)接通電源，按下控制面板上的啟動開關(guān)，設(shè)置內(nèi)部參數(shù)，給蒸汽發(fā)生器的鍋爐開始加熱水，等到控制箱上的壓力表到達(dá)給定壓力時(按實驗需要在實驗前調(diào)好)，壓力表就能控制加熱器，使其在一定范圍內(nèi)對水加熱，給實驗提供所要的蒸汽。

(3)按實驗需要打開輸氣管上的閥門，放氣一會兒就打開量筒蓄水器下的放水閥，排凈里面未經(jīng)加熱的空氣，然后打開供氣閥向散熱管內(nèi)供汽，對整個實驗系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱。

(4)完成實驗系統(tǒng)預(yù)熱后，打開散熱管進(jìn)氣前端的放水閥使其出現(xiàn)少量蒸汽，排出所有管道中的凝水，然后便可開始實驗。

(5)做自然對流實驗時，要時刻注視這蓄水器內(nèi)的水位上升變化，待到比較容易記錄的刻度時，打開秒表，蓄水器水位從那一刻開始每上升一定刻度記錄一下時間，記錄下多組數(shù)據(jù)，后期做成表格最終繪制折線圖。

(6)所有實驗結(jié)束后，先關(guān)閉控制箱上的各種開關(guān)，打開蓄水器下面的放水閥和散熱管前端的進(jìn)氣閥，將蒸汽和水排放干凈，最后關(guān)閉電源。

3 自然對流下散熱管的對流換熱性能研究

實驗要用到的參考數(shù)據(jù)如下。當(dāng)壓力為0.001 MPa時，溫度為6.949 1 ℃，汽化潛能為2 482.1 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.003 MPa時，溫度為24.114 2 ℃，汽化潛能為2 443.6 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.005 MPa時，溫度為32.879 3 ℃，汽化潛能為2 422.8 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.008 MPa時，溫度為41.507 5 ℃，汽化潛能為2 402.3 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.010 MPa時，溫度為45.798 8 ℃，汽化潛能為239 2 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.015 MPa時，溫度為53.970 5 ℃，汽化潛能為2 372.3 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.02 MPa時，溫度為60.065 ℃，汽化潛能為2 357.5 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.025 MPa時，溫度為64.972 6 ℃，汽化潛能為2 345.5 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.03 MPa時，溫度為69.104 1 ℃，汽化潛能為2 335.3 kJ/kg；當(dāng)壓力為0.04 MPa時，溫度為75.872 ℃，汽化潛能為2 318.5 kJ/kg。

（1）在壓強(qiáng)為0.01~0.02 MPa自然對流的情況下，可得每根散熱管對應(yīng)的液面升高20 cm后所對應(yīng)的時間等對流換熱性能數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理得到圖2所示的折線圖。

圖2 數(shù)據(jù)折線圖

由折線圖可以更清楚看到，每根散熱管液面升高20 cm時所對應(yīng)的時間，而通過數(shù)學(xué)線性回歸的分析方式，得到了如圖2所示的趨勢線(虛線)，每根散熱管道趨勢線的斜率即可表示為該散熱管原折線圖所對應(yīng)的斜率。此時，這里的斜率Ψ所代表的物理意義就是蓄水器液面每升高1 cm所用的時間(單位：s)。

經(jīng)過我們上面數(shù)據(jù)的分析與計算，可以得到在0.01~0.02 MPa自然對流下三跟散熱管的傳熱系數(shù)K值，從上圖我們可以看出，蓄水池每升高一定高度，所用的時間越短，傳熱量越大，散熱性能越好，對應(yīng)的傳熱系數(shù)就越大。從這里我們可以初步得出翅片管的散熱性能(傳熱性能)最好，涂黑管次之，最后是銅光管。

(2) 在壓強(qiáng)為0.02～0.03 MPa自然對流的情況下，可得每根散熱管對應(yīng)的液面升高20 cm后所對應(yīng)的時間等對流換熱性能數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理得到圖3所示的折線圖。

圖3 數(shù)據(jù)所示折線圖

由折線圖可以更清楚看到，每根散熱管液面升高20 cm時所對應(yīng)的時間，而通過數(shù)學(xué)線性回歸的分析方式，得到了如圖3所示的趨勢線(虛線)，每根散熱管道趨勢線的斜率即可表示為該散熱管原折線圖所對應(yīng)的斜率。此時，這里的斜率Y所代表的物理意義就是蓄水器液面每升高1cm所用的時間(單位：s)。

經(jīng)過上面一些列的分析與計算，可以得到在0.02~0.03 MPa自然對流下三跟散熱管的傳熱系數(shù)K值，從上表我們可以看出，蓄水池每升高一定高度，所用的時間越短，傳熱量越大，散熱性能越好，對應(yīng)的傳熱系數(shù)就越大。從這里我們可以初步得出翅片管的散熱性能(傳熱性能)最好，涂黑管次之，最后是銅光管。與表進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)，在壓強(qiáng)增大的情況下，三根管子的傳熱系數(shù)K值變化很小，在有實驗誤差存在的情況下還是可以接受的。但具體是不是這種變化，還有待進(jìn)一步研究。

(3) 在壓強(qiáng)為0.03~0.04 MPa自然對流的情況下，可得每根散熱管對應(yīng)的液面升高20 cm后所對應(yīng)的時間等對流換熱性能數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理得到圖4所示的折線圖。

圖4 數(shù)據(jù)所示折線圖

由折線圖可以更清楚看到，每根散熱管液面升高20 cm時所對應(yīng)的時間，而通過數(shù)學(xué)線性回歸的分析方式，得到了如圖4所示的趨勢線(虛線)，每根散熱管道趨勢線的斜率即可表示為該散熱管原折線圖所對應(yīng)的斜率。此時，這里的斜率Ψ所代表的物理意義就是蓄水器液面每升高1 cm所用的時間(單位：s)。

經(jīng)過我們上面一些列的分析與計算，可以得到在0.03~0.04 MPa自然對流下三跟散熱管的傳熱系數(shù)K值，三根散熱管的傳熱系數(shù)的變化出現(xiàn)了一些波動，這可能與當(dāng)天實驗臺的工作狀況和操作有關(guān)，因為與前面的數(shù)據(jù)相比，理論上散熱更快蓄水量增加更快的翅片管，雖然傳熱系數(shù)K值依然最大，但其使蓄水量達(dá)到相同高度所需的時間卻不是最少，有待以后做詳細(xì)的考證。

4 結(jié)語

文章主要通過實驗和數(shù)據(jù)處理的方法對翅片管、涂黑管、銅光管三種散熱管道進(jìn)行了研究，并在后期制作了相應(yīng)的表格和折線圖加以分析，最后回歸到三種散熱管道的傳熱系數(shù)K值上面，結(jié)合實驗中的一些變量和不定性關(guān)系，現(xiàn)得出如下結(jié)論：

(1)散熱管對流換熱性能研究的實驗結(jié)果，證明了試驗臺實驗系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠性，誤差基本都在可接受的范圍之內(nèi)，基本都可以做實驗分析用。

(2)對于這三種散熱管，在自然對流的條件下，翅片管的傳熱系數(shù)K值都大于涂黑管和銅光管的傳熱系數(shù)，足以說明自然對流條件下翅片管的傳熱性能最好，涂黑管和銅光管的傳熱性能相差不大，但這兩者相比，涂黑管是略高于銅光管。

(3)在自然對流情況下，增大壓強(qiáng)能加快散熱管內(nèi)蒸汽的凝結(jié)，加速熱量的傳遞。同時增大散熱面積能有效快速的散熱。