热虹吸管散热器的研究

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摘要：提出了一种热虹吸管散热器，分别以水、R11、丙酮、甲醇为热虹吸工质，对热虹吸散热器的性能进行了系统的测试，并与传统散热器作了比较。关键词：热虹吸 散热器 工质 均温性 0 引言热管或热虹吸换热技术具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等普通换热技术所不具备的优越性能，因而在 工业 换热和回收节能等方面获得广泛 应用 ，并在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功实例[1]。为了提高钢制供暖散热系统的承压能力，解决容易出现的氧化腐蚀、低区超压等 问题 ，近年来，一些热管或热虹吸散热器形式陆续出现，并成为散热器开发的一个热点。本课题以实验为基础 研究 热虹吸管散热器在使用不同工作介质时的热工性能，并与常规散热器做了系统比较，对热虹吸管散热器进行传热 分析 ，为其进一步 发展 和完善以及工程应用提供了基础数据和 理论 指导。 1 基本原理热虹吸管散热器利用柱型或板型散热器为壳体，在散热器底部穿入热媒管，壳体内注入工质，并建立真空环境，这是一种常温重力式热管。工作过程是：在散热器底部，供热系统通过热媒管将壳体内的工质加热，在工作温度范围内，工质沸腾，蒸汽上升至散热器上部凝结放热，凝结液沿散热器内壁回流至加热段被再次加热蒸发，热量通过工质的不断循环相变由热源传递至热沉，达到供热、加热的目的。基本结构形式如图1所示。热虹吸管散热器与经典热管的区别在于，冷凝液不是借助毛细力作用回流，而是在重力作用下沿着散热器内壁面回流至液槽，因而传热方向不可逆；另一个方面，经典热管的蒸发段与冷凝段的传热面积具有可比性，而作为散热器形式的重力热虹吸管，蒸发段相当于散热器的“内热源”，“冷凝段”的表面积远远大于“蒸发段”的表面积。为了改善对室内热微环境的 影响 ，供暖散热器理想的目标是一定的热媒温度下得到最大的散热量，同时有均匀的表面温度，避免散热器表面出现“热区”、“冷区”。2 实验系统实验系统参照 文献 [2]建成，由热水系统、测试小室真空系统、散热器真空系统、温度控制系统、参数测量系统等五个子系统组成。测试程序参照文献[2]进行。散热器热媒供回水温度由WMY-01B数字温度计测定，流量由LZB-15浮子流量计和台秤测定，散热器表面温度由铜-康铜热电偶和UJ-36型携带式电位差计测定，热虹吸散热器内部压力由Z-60型真空压力表测定，另外记录时间的秒表一支，全部测试仪器、仪表经过校定，散热器表面热电偶布置如图2所示。本研究选用 目前 普遍使用的钢制柱型散热器为实验对象，为了比较，同时作了常规散热器实验和不同工质的热虹吸散热器实验。热管工质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有着关键性的影响，热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，其选择一般应考虑以下一些原则[1]：（1）工作液体应适应热管的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压；（2）工作液体与壳体、吸液芯材料应相容，且应具有良好的热稳定性；（3）工作液体应具有良好的综合热物理性质，要求液体的输运因素大；（4）其他，包括 经济 性、毒性、环境污染等。本课题选用了四种工质（水、R11、甲醇、丙酮）进行研究，四种工质的热物理特性主要参数如表1所示。（※ 内壁面作一定化学处理。）表1 几种工质的主要热物理参数中文名分子式熔点℃正常沸点℃相容壳体材料温度℃饱和压力105Pa输运因素106 W/m2氟利昂-11CFCl3-11123.7铝、铜、不锈钢00.40357.7051008.25381.555丙酮CH3OHCH3-93.1556.25铝、铜、不锈钢00.1030.3761004.4325.634甲醇CH3OH-9864.7铜、碳钢不锈钢00.2029.3911004.053.954水H2O0100铜碳钢※00.00611175.7611001.0130455.7093 实验测试结果及分析3.1 实验测试结果每一测试周期为60分钟，每次测试前系统热平衡时间45分钟。实验过程中，为了便于与常规散热器进行性能比较，通过调整热媒流量的办法使各实验散热器的表面平均温度对应热媒进水温度的变化基本一致；另外，对于热虹吸散热器， 参考 文献[1]，工质灌注量为1250ml。测试数据经过整理后，如图3～7所示，图例说明中，“常规”、“水”、“R11”、“甲醇”、“丙酮”分别指常规散热器和热虹吸工质相应为水、R11、甲醇、丙酮的热虹吸散热器，括号中数值为各种实验散热器相应的热媒流量。3.2 测试结果分析依据热虹吸原理，分析图3～7的数据，可以得出一些具有重要工程指导意义的结论：（1）热虹吸散热器的放热能力不及常规散热器。对于同样的热媒进水温度，热虹吸散热器要达到与常规散热器相同的表面温度，水、甲醇、丙酮工质热虹吸散热器对应的热媒流量需要分别增大到约3.54倍、3.44倍、3.26倍；而对于R11工质热虹吸散热器，实验中，考虑到散热器内压力太大，热媒流量较小，散热器表面平均温度相应较低；各种工质热虹吸散热器的散热量明显低于常规散热器。热虹吸散热器属于“二次换热”，总的传热热阻比常规散热器大，使得以外表面 计算 的总传热系数下降；受结构的局限，热虹吸散热器“蒸发段”传热面积远小于“冷凝段”传热面积，因而其传热能力主要取决于热媒管与工质之间的热阻。另有研究表明，强化热媒与工质之间的换热可以提高热虹吸散热器总传热系数30%以上[3]。（2） 热虹吸散热器具有与常规散热器相反的表面温度均匀性特性。常规散热器表面温度不均匀，存在明显的“热区”和“冷区”，热媒出口附近散热器表面测试温度值明显低于热媒进口附近的测试温度值，散热器表面温度标准偏差数据比R11、甲醇、丙酮工质热虹吸散热器相应数值高得多，而且其数值随着热媒温度的升高而加大；R11、甲醇、丙酮工质热虹吸散热器表现出良好的表面温度均匀性特性，但水工质热虹吸散热器在热媒进水温度低于88℃时，散热器表面温度标准偏差值与常规散热器不相上下，热媒进水温度88℃后，水工质热虹吸散热器表现出良好的表面温度均匀性；随着热媒进水温度的升高，各种实验工质热虹吸散热器的表面温度均匀性越显著。对于常规散热器，热媒温度越高，进、出口端受热不均匀越显著，相应进、出口端散热器表面温度的不均匀性也越明显；而对于热虹吸散热器，表面温度不均匀是工质蒸汽不均匀分布和残存不凝性气体阻止蒸汽凝结放热引起的。沿热媒管长度方向，热虹吸工质在热媒入口端比出口端沸腾强烈，常规散热器片式或柱式结构形式阻碍了热虹吸工质在散热器内部的横向流动，导致散热器表面温度的不均匀性，随着散热器的温度升高，不凝性气体的影响相对减弱，散热器的表面温度均匀性进一步改善，另外，开发有利于热虹吸工质蒸汽在散热器内部均匀分布的散热器结构形式，可进一步克服沿热媒管方向工质不均匀受热造成的表面温度不均匀现象。（3） 适当的饱和蒸汽压范围是选择热虹吸散热器工质的重要决定因素。热虹吸管散热器主要依靠工作液体的相变来传递热量，工作液体应具有良好的综合热物理性质，要求液体的输运因素大，并有适当的饱和蒸汽压；与经典热管不同的是，热虹吸热管没有吸液芯结构，凝结液在重力作用下回流，其最大传热能力主要受限于携带极限，而本研究中作为散热器形式的常温重力热虹吸管，内腔相对开阔，上升蒸汽流对壁面回流冷凝液的影响并不显著，工作温度区域内适当的饱和气压显得更为重要。适当的饱和蒸汽压是热虹吸在通常热媒温度范围内正常启动的条件，实验中，R11、丙酮、甲醇、水工质的热虹吸散热器的启动温度依次提高也说明了这一点；另外，过高、过低的饱和蒸汽压，以及散热器运行时内部大跨度的压力变化还给工程运用带来工艺实现上的困难；所以，水、R11不宜作为一般供暖热虹吸散热器工质；而甲醇、丙酮工质热虹吸散热器内的压力则在大气压附近变化，是较理想的选择。尽管水有很高的输运因素（如表1所示），测试数据表明，水工质热虹吸散热器的热工性能并不优越，特别是热媒流量较小或热媒温度较低时，传热量较小，散热器在较低温度下运行，这时饱和气压很低，蒸汽非常稀薄，凝结放热量小，热虹吸散热器性能不佳。（4） 残存不凝性气体对热虹吸散热器热工性能有关键性不利 影响 。由于工艺上的局限，散热器内必然不同程度地残留一定量的空气等不凝结性气体，对热虹吸散热器的热工性能带来不利影响，这种影响在热虹吸工质饱和蒸汽压较低时尤其显著，也从另一个方面说明了水不宜作为一般供暖热虹吸散热器工质。不凝结性气体存在，导致启动温度上移，在热媒温度较低或热媒流量不足时，热虹吸散热器不能启动，因而不能供热，实验中，水工质的热虹吸散热器在热媒温度较低时启动困难也说明了这一点。由于不凝结性气体在散热器内壁面形成气膜，阻碍蒸汽的凝结放热，导致热虹吸效果恶化，在热功率较小时甚至导致热虹吸现象停止，散热器性能大大降低或破坏，实验中，水工质热虹吸散热器在热媒温度较低时，热工性能并不优越也说明了这一点，但是，当热媒进水温度超过88℃以后，水工质热虹吸散热器热工性能显著改善，因为随着散热器的温度升高，饱和蒸汽压提高，不凝性气体的影响相对减弱。（5） 各种实验散热器总放热量中，辐射放热量约占其比例的39±6%，这个结果与 文献 [2]的报道基本一致，为同类散热器的深化开发和 研究 提供了基础数据。4 传热 分析 选用合适的工质，热虹吸散热器具有很好的表面温度均匀性质，因此，尽管散热器内部传热机理极为复杂，但散热器与环境之间的传热 计算 比常规散热器可能更为简单，对于热虹吸散热器表面可近似按均温处理。描述散热器的传热模型很多，本文选用Churchill[4]等人提出的模型对所研究的散热器进行传热分析，其适用的瑞利数范围是：0.1＜Ra＜1012。由热媒水供给散热器的热量为：(1)散热器的散热量由对流散热量和辐射散热量两部分组成，即：(2)散热器的垂直表面引起 自然 对流，其瑞利数可定义为：(3)式中h是散热器的高度，ΔTr=Ts-Ta是散热器表面与环境之间的温差，建筑供热散热器表面温度与环境温度相差不是太大，所以空气流体物性参数由平均温度T=(Ts+Ta)/2确定。参照常规散热器的供热要求初步计算得出，瑞利数的变化范围为1～2×109。Churchill传热关系式为：(4)对流放热量为：(5)散热器辐射放热量为：(6)根据实验条件及散热器表面特性确定，角系数Fr-e＝1，发射率ε＝0.91。为了验证分析模型，定义实验测试总放热量与分析模型计算总放热量的百分误差为：(7)计算结果如图8所示。图8表明，总放热量百分误差分布非常集中，基本上在±8%范围内，说明分析模型对实验工质及散热器类型是基本适用的。但对于R11工质热虹吸散热器，在低温热媒和高温热媒情形下，误差值比较大，因此有必要做进一步的实验研究和分析。随着温度升高，丙酮热虹吸散热器的总放热量百分误差数值由-10%变化到5.0%，进一步说明了散热器壳体内残存的不凝性气体对热虹吸效果的不利影响，且随着温度的降低，这种影响更为显著，因为传热分析模型没有考虑不凝性气体的影响，所以，当散热器温度较低时，实际放热量低于分析模型计算放热量。5 热虹吸散热器的优点及有待进一步解决的 问题 选用适当的工质，热虹吸散热器相对于常规散热器具有显而易见的优越性：（1）表面温度均匀，热媒温度越高，或传热量越大，热虹吸散热器表面温度均匀性越好，有利于改善热微环境。（2）二次换热，散热器本身不承受热媒管路系统压力，而热媒管路比散热器承压能力大，因此 应用 于高层建筑供热系统，不容易出现低区超压的问题。（3）热媒环路比使用常规散热器简单，不容易出现因集气而造成的气塞现象。（4）散热器壳体不与热媒接触，散热体难以腐蚀，大大减轻始终困扰常规散热器中央供热系统的氧化腐蚀现象，以及由此进一步引起的管道堵塞而造成的供热失调。（5）热媒循环系统更为简化，系统阻力小，节省循环动力功耗。（6）热虹吸散热器内工质的质量远少于常规散热器内水的质量，散热器整体相当轻便，便于安装布置。同时，用于集中供热系统，也有一些实际性的工程问题有待进一步完善：（1）热虹吸散热器属于二次间壁换热，对比常规水热媒散热器，总的热阻有所增大，热媒流量也要加大，强化热媒与热管工质之间的换热是提高效率的关键。 （2）热虹吸从启动到稳定工作，管内产生从负压到正压的大跨度压力变化，停止工作时，管壳内需要维持一定的负压，因此，生产工艺要求较普通散热器高得多。（3）热虹吸散热器的性能稳定性有待更长期的工程实践检验。（4）开发有利于热虹吸工质蒸汽在散热器内部均匀分布的散热器结构形式，可进一步克服沿热媒管方向工质不均匀受热造成的表面温度不均匀现象。6 结论（1） 选用丙酮、甲醇等合适的工质，热虹吸散热器具有优越的热工性能，与常规散热器比较具有众多优点，如：表面温度均匀，没有氧化腐蚀，高层供热系统容易解决低区超压、集气气塞问题，安装方便，系统维护量少，节省热媒循环动力功耗。（2） 热虹吸散热器属于“二次换热”，总的传热热阻比常规散热器大，放热能力不及常规散热器。（3） 适当的热虹吸工质饱和蒸汽压范围以及残存不凝性气体的影响是决定热虹吸散热器正常运行的关键因素。（4） 实验和分析表明，柱式热虹吸散热器的总散热量中，辐射散热量约占39±6%，分析模型与实验结果有较好的一致性，为进一步深化研究提供了基础数据和 理论 指导。（5） 寻找更适用的热虹吸工质，强化热媒与热虹吸工质之间的换热，以及研究有利于工质蒸汽在散热器内部自由流动和均匀分布的结构形式，应当是进一步完善热虹吸散热器性能的主要研究方向，热虹吸散热器的性能稳定性有待更长期的工程实践检验。文中各参数的物理意义如下:Ar ——散热器表面积/ m2; cp ——空气的比热容/Jkg-1K-1；cp,w ——水的比热容/Jkg-1K-1; d——辐射放热量占总放热量的百分比/%；Fr-e——角系数； g ——重力加速度/9.81 m s-2; h ——散热器高度/m; p ——总放热量的百分误差/%;qw——热媒流量/lmin-1； tin、tout——热媒进、出水温度/℃；ts——散热器表面平均温度/℃； Ta ——环境温度/K;Tin、Tout——热媒进、出水温度/K； Ts——散热器表面平均温度/K；Gr ——葛拉晓夫数; ——散热器平均努谢尔特数；Pr ——普郎特数; Ra ——瑞利数;——平均散热系数/ Wm-2K-1; β——热膨胀系数/K-1;δT——散热器表面测量温度标准偏差/℃； ε——发射率；κ ——流体热导率/Wm-1K-1; μ——流体粘度/kgm-1s-1;ρ——流体密度/kgm3; σ——斯忒潘-波尔兹曼常数/5.67×10-8Wm-2K-4;Φc——散热器对流散热量/W； Φr——散热器辐射散热量/W；Φt ——由分析模型计算的总散热量/W; Φw——散热器水热媒总散热量/W；参考 文献：[1] Dunn .P.D., Reay.D.A. Heat pipes[M], third ed., Pergamon Press,1994[2] 张旭，陈文良，于文剑，等.常用供暖散热器辐射-对流放热量比例的实验研究[J].暖通空调，1994（6）;13-15.[3] 萧曰嵘.热管散热器的制造工艺和工程应用问题[M].暖通空调，1997（1）;20-22.[4] Churchill, S.W.，Chu, H.H.S. Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate [J]. Int J. Heat  Mass Transfer, 1975,18;1323-1329.《一种热虹吸管散热器的研究》附图图1 热虹吸散热器的结构形式图2 散热器表面热电偶布置