热虹吸管散热器的传热分析

第24卷第5期煤气与热力Vol. 24 No. 52004年5月Gas heatMay 2004章编号:1000-4416(2004)05-0246-05热虹吸管散热器的传热分析罗清海汤广发,龚光彩,付峥(湖南大学土木工程学院湖南长沙410082)摘要:对热虹吸管散热器进行传热分析,并以丙酮为热虹吸工质进行了实验验证,测试结果与分析模型计算有较好的一致性。与常规散热器进行了实验比较分析,对热虹吸管散热器的优点、不足作了讨论。关键词:热虹吸管散热器;传热;均温性中图分类号:TU995文献标识码: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基本原理热管和热虹吸换热技术具备优良的热传导性热虹吸管散热器利用柱型或板型散热器为壳能、二次间壁换热、表面温度均匀热流密度可调节体本在散热器底部穿入供热介质管,壳体内注入工等常规换热技术所不具备的优越性能因而在工业质并建立真空环境这是一种常温重力式热管(见换热和回收节能等方面获得广泛应用,在冶金、化图1)。工、建材、动力等行业有很多成功实例。为了提高钢制散热器的承压能力解决容易出现的氧化腐蚀问题,近年来,一些热管和热虹吸管散热器形式陆续液槽出现成为散热器开发的热点。本文对热虹吸管散H热器进行传热分析,以丙酮为热虹吸工质进行实验验证,同时,与常规散热器进行实验比较分析,对热图1热虹吸管散热器的结构形式虹吸管散热器的优点、不足作了进一步讨论,为深度开发以及工程应用提供了基础数据。其工作过程是:在散热器底部供热系统通过供中国煤化工罗2),南根东人生主从事常效节数CNMHG第5期罗清海等:热虹吸管散热器的传热分析247热介质管将壳体内的工质加热,在工作温度内,工质④,=ceA,g-(7-7沸腾,工质蒸气上升至散热器上部凝结放热,凝结液根据实验条件及散热器表面特性确定角系数沿散热器内壁回流至加热段被再次加热蒸发热量g=1,发射率c=0.9通过工质的不断循环相变进行热量传递与经典热管的区别在于冷凝液不是借助毛细3实验系统力作用回流,而是在重力作用下沿着散热器内壁面回流;另一个方面,经典热管的蒸发段与冷凝段的传为验证热虹吸管散热器传热分析模型的正确热面积具有可比性而作为散热器形式的重力热虹性,以丙酮为热虹吸工质对柱式热虹吸管散热器的吸管蒸发段相当于散热器的内热源冷凝段(热沉)放热性能进行了实验测试同时,为了与常规散热器的表面积远远大于蒸发段(热源)的表面积。进行性能比较,作了常规散热器性能实验测试。实验系统参照文献建成,由热水系统测试小2传热分析室真空系统、散热器真空系统、温度控制系统、参数测量系统等5个子系统组成。测试程序参照文献选用合适的工质热虹吸管散热器具有很好的进行。表面温度均匀性质,因此,尽管散热器内部传热机理散热器供热介质供回水温度由WMY-01B数极为复杂,但散热器与环境之间的传热计算比常规字温度计测定,流量由LZB-15浮子流量计和台秤散热器更为简单对于热虹吸管散热器表面可近似测定散热器表面温度由铜-康铜热电偶和UJ-36按均温处理。描述散热器的传热模型很多,本文选型携带式电位差计测定热虹吸管散热器内部压力用 Churchill2等人提出的模型对所研究的散热器进由Z-60型真空压力表测定,另外配备秒表1只。行传热分析,其适用的瑞利数范围是0.1~102。全部测试仪器、仪表经过校定,散热器表面热电偶布由供热介质水供给散热器的热量为:置见图2中,=qm,△T,=qm,Cn(T如-T)(1)真空压力表散热器的散热量由对流散热量和辐射散热量两热虹吸教热器排气门]部分组成,即供热介质管散热器的垂直表面引起自然对流,其瑞利数可定义为T-T2-热电偶Rasc.p h'egaal: spk图2散热器表面热电偶布量式中△T=T.-T是散热器表面与环境之间的温质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有着差,建筑供暖散热器表面温度与环境温度相差不是关键性的影响热虹吸管是依靠工质的相变来传递太大所以空气流体物性参数由平均温度T=(7,热量的选择一般应考虑以下一些原则,+T)2确定。参照常规散热器的供热要求初步(1)工作液体应适应散热器的工作温度区,并计算得出瑞利数的变化范围为1~2×10°。有适当的饱和蒸气压Churchill传热关系式为(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=0.825+11+(3)工作液体应具有良好的综合热物理性质,(4)要求液体的输运因数大对流放热量为:选用丙酮作为热虹吸工质进行研究,其热物理入Nu特性主要参数见表1。T-T(5)中国煤化工散热器辐射放热量为CNMHG煤气与热力2004年表1丙酮的主要热物理参数(2)丙酮工质热虹吸管散热器/相容壳体材饱和压力八P翰运因数(W,m-2)对照表2,3得出:℃|0℃0℃100℃5625铝铜不锈钢10.043.030,376×10r|25634×0①对于同样的供热介质进水温度,丙酮工质热虹吸管散热器要达到与常规散热器相同的表面温度和散热量,供热介质体积流量需要增大到约35倍4.1实验测试结果②热虹吸管散热器表面温度的均匀性比常规每一测试周期为60min,每次测试前系统热平散热器要优越得多,对于近似的散热器表面平均温衡时间45mn,测试数据见表2,3度79℃和63℃附近,相应的表面温度标准偏差,前者分别约为后者的1/60和1/6;而且后者随着表面2常规散热器的实验测试结果平均温度的升高,表面温度标准偏差越小,即表面温a度均匀性越好,具有与常规散热器相反的表面温度/℃⊥℃r℃w⊥W19∞17.2161180e-37均匀性特性1.3071.063.11221.260.511.4140.2|-2另外,丙酮对应80℃的饱和压力为215kPa,可12954.8|40,31330.810.21.193622见丙酮工质热虹吸管散热器具有优良的热工性能散热器表面温度均匀性、内部压力变化都非常令人满意,但同样供热介质条件下前者比后者总放热能裹3以丙酮为工质时热虹吸管散热器的测试结果力要小aat=/℃a/℃△Bo.o, bnd ii &e进一步对照分析表2,3的数据表明4291.19.70.251.650.711.7142①总放热量相对误差分布非常集中,常规散热4283n218.400%150y631器在±4%范围内,而热虹吸管散热器则在±7%范427s670111041038-1围内,说明引用的分析模型对实验所涉及的工质及41x0.16.2|201.020.421.421414-4.4散热器类型是适用的4.26105414%40.740.21.25|35-69②在散热器的总放热量中辐射放热量大约占(40±4)%,而对流放热量约占(60±4)%,该结果与文献“基本一致。Ra由式(3)计算,并得出每组实验测试得到的③热虹吸管散热器具有与常规散热器相反的辐射放热量占总放热量的比例r。为验证分析模表面温度均匀性特性。可以解释为:对于热虹吸管型定义实验测试总放热量与分析模型计算总放热散热器,受真空设备性能的限制热虹吸管散热器壳量的相对误差b。为体内会残留一定量的空气等不凝性气体这些不凝a。。.-(7)性气体会引起壳体内压力上升,并阻碍工质蒸气的凝结放热,进而导致热虹吸启动温度的上移,以及热4.2测试结果分析虹吸效果的下降。而随着散热器的温度升高,不凝(1)常规散热器性气体的影响相对减弱散热器的表面温度均匀性常规散热器分别针对901℃,71.0℃,4.8℃进一步改善。但是,对于常规散热器供热介质温度供热介质进水温度进行测试供热介质体积流量约越高,进、出口端受热不均匀越显著,相应进出口端为1.30I/min。表2的数据说明,常规散热器表面散热器表面温度的不均匀性也越明显温度不均匀,存在明显的“热区”和“冷区”,供热介质④随着热虹吸管散热器温度的升高总放热量出口附近的热电偶Tm7n,T的测试温度明显低相对误差由-6.9%变化到50%,进一步说明了散于供热介质进口附近的热电偶T1,T2,T3的测试温热器壳体内残留的不凝性气体对热虹吸效果的不利度。对于3种供热介质温度,散热器表面温度标准影偏差分别达到16.1℃,12.2℃,13.3℃,其随着表传热YHa中国煤化工里为显者,因为面平均温度的升高呈加大趋势。CNMHG第5期罗清海等:热虹吸管散热器的传热分析2495热虹吸管散热器的优点及存在问题阻碍了热虹吸工质在散热器内部的纵向流动,开发有利于热虹吸工质蒸气在散热器内部均匀分布的散选用适当的工质热虹吸管散热器相对于常规热器结构形式,可进一步克服沿供热介质管方向工散热器具有显而易见的优越性质不均匀受热造成的表面温度不均匀现象。(1)表面温度均匀,与常规散热器比较具有相反的散热特性,供热介质温度越高,或传热量越大,6结语热虹吸管散热器表面温度均匀性越好,有利于改善热微环境。(1)选用丙酮等合适的工质,热虹吸管散热器(2)二次换热,散热器本身不承受供热介质管具有优越的热工性能,与常规散热器比较具有众多路系统压力,而供热介质管路比散热器承压能力大,优点如表面温度均匀没有氧化腐蚀,高层供热系因此应用于高层建筑供热系统不容易出现超压的问统容易解决超压集气气塞问题,安装方便,系统维题护量少,节省供热介质循环动力功耗。(3)供热介质环路简单,不容易出现因集气而(2)传热分析和实验测试表明,柱式热虹吸管遣成的气塞现象。散热器的总散热量中,对流散热量约占60%,辐射(4)散热器壳体不与供热介质接触,散热体没散热量约占40%,分析模型与实验结果有较好的有腐蚀,大大减轻始终困扰常规散热器中央供热系致性。统的氧化腐蚀现象,以及由此进一步引起的管道堵(3)寻找更适用的热虹吸工质,强化供热介质塞而造成的供热失调。与热虹吸工质之间的换热,以及研究有利于工质蒸(5)供热介质循环系统更为简化,系统阻力小,气在散热器内部自由流动和均匀分布的结构形式,节省循环动力功耗。应当是进一步完善热虹吸管散热器性能的主要研究(6)热虹吸管散热器内工质的重量小,散热器方向热虹吸管散热器的性能稳定性有待更长期的整体相当轻便,便于安装布置。工程实践检验。同时,热虹吸管散热器作为一项新技术,也有些实际性的不足有待进一步完善符号说明(1)热虹吸管散热器属于“二次换热”,总的传热热阻比常规散热器大,供热介质流量也要加大,使A,—散热器表面积,m得以外表面计算的总传热系数下降;受结构的局限,c空气的比定压热容,J(kgK)热虹吸管散热器蒸发段传热面积远小于冷凝段传热9—水的比定压热容J(kgk);面积因此,强化供热介质与热管工质之间的换热是g—重力加速度,9.81m3;提高效率的关键。有研究表明,强化供热介质与工h—散热器高度,m;质之间的换热可以提高热虹吸管散热器总传热系数qn—供热介质水质量流量,kg/s;30%以上5。qv—供热介质水体积流量,min;(2)热虹吸从启动到稳定工作,散热器管内产辐射放热量占总放热量的比例,%;T—平均温度,K;生从负压到正压的大跨度压力变化,停止工作时,管T—环境温度,K;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。T一散热器表面温度,K;T—散热器表面平均温度,K(3)热虹吸工质的毒性可燃性与壳体材料的rn,r。—供热介质水进出温度,K相容性沸点饱和压力等热物理性质和参数对散热,—供热介质水进出温度,℃;器的性能和实际适用性起着决定性作用,须慎重考散热器表面平均温度,℃;虑散热器的性能稳定性有待更长期的工程实践检积膨胀系数,K验中国煤化工(4)常规散热器片式或柱式的散热器结构形式CNMHG差K;煤气与热力2004年△T.—供热介质进出水温差,K;Ra—瑞利数。散热器表面测量温度标准偏差,℃8—总放热量的相对误差,%;e—散热器表面辐射换热发射率;λ—空气的热导率,W(mK]庄骏张红.热管技术及其工程应用M].北京B—空气的粘度,Pas化学工业出版社,2000p—空气的密度,kgm32] Churchill S W, Chu H HS. Correlating equations for laminara—斯忒潘-波尔兹曼常数567×10W/(m2·kK);and turbulent free convection from a vertical plate [J]. Int J更,—散热器对流散热量Heat& Mass Transfer,1975,(18):1323-1329φ,一散热器辐射散热量W[3]萧曰嶸牟灵泉董重成等民用供暖散热器[M].北,散热器的总散热厭W;京:清华大学出版社,1996φ。—散热器供热介质水总散热量,W;[4]张旭,陈文良,于文劍,等,常用供暖散热器辐射9-—散热器表面辐射换热角系数;对流放热量比例的实验研究[J].暖通空调,199,(6)G-格拉晓夫数;131散热器平均努赛尔数;[5]萧曰嶸.热管散热器的制造工艺和工程应用问题[JP—普朗特数;暖通空调,1997,(1):2022(上接第245页)(2)其余机组的出力一般都调节使其尽量接近运行状况,提高机组的运行效率。满负荷运行。一般情况下,将3号机作为备用机组也能满足生产的需要;当生产负荷较大时,再将3号参考文献机投入运行,这样单机的出力和效率都得到了提高。[]唐华锦陈汉平忻建华,等.汽轮发电机组神经网络结语故障诊断方法研究[].热力发电,200,(3):36-37[2]吕国芳余大伟孙臻.高炉出铁温度数据采集系统采用编写的通信类在 Visual C++进行串行通J.测控技术,200,21(10):1921信编程中代码利用率高,在采集数据时,执行速度[3]李现勇. Visual C++串口通信技术与工程实践[M北京:人民邮电出版社其它的RAD所开发的程序要快许多。采用串口[4]徐立伟,汤勃饶润生管道输送试验数据采集软件编程与ODC技术相结合开发小型数据库在工业现的开发[门].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)场中是非常实用的。用新的能量评价准则对各汽轮2002,26(2):5962机的拥效率进行了评估并在此基础上调整机组负[5]崔峨尹洪超,热能系统分析与最优综合[M].大荷,使总出力达到最优,这有利于改善目前汽轮机的连:大连理工大学出版社,194中国煤化工CNMHG