無芯環(huán)路熱管的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

0環(huán)路熱管無吸液芯結(jié)構(gòu)作為一個(gè)高效的換熱元件，lhs公波韋爾。本文實(shí)驗(yàn)的環(huán)路熱管內(nèi)無吸液芯結(jié)構(gòu),依靠蒸發(fā)壓頭,以及重力的輔助作用來驅(qū)動(dòng)工質(zhì)在熱管完成循環(huán),冷凝段采用豎直結(jié)構(gòu),目的是便于冷凝液回流到蒸發(fā)段。通過調(diào)整蒸發(fā)段的熱負(fù)荷(50～150W)來觀察充液率的變化(30%,50%,70%)對(duì)環(huán)路熱管換熱性能的影響,旨在探究該環(huán)路熱管最佳充液率及最佳的加熱功率,并計(jì)算出傳熱量、熱效率、熱阻、當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的值,觀察趨勢(shì)并分析原因。1管道設(shè)計(jì)和參數(shù)定義1.1準(zhǔn)蒸發(fā)控制回路由于鋁具有質(zhì)量輕、來源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),所以本實(shí)驗(yàn)采用?8mm×2mm的鋁管,并將鋁管彎折成一個(gè)長(zhǎng)29.0cm、寬25.0cm的矩形回路,回路中安裝壓力表,其中一端裝有針閥,用于抽真空和注液。管長(zhǎng)共108.0cm,其中蒸發(fā)段長(zhǎng)25.0cm、冷凝段長(zhǎng)17.5cm。管內(nèi)無吸液芯結(jié)構(gòu),蒸發(fā)段水平布置,冷凝段垂直布置并設(shè)置在蒸發(fā)段上方,使冷凝液可以依靠重力作用回流到蒸發(fā)段。蒸發(fā)段用加熱帶緊密包裹,冷凝段采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷,絕熱段采用隔熱保溫棉包裹,目的是減少環(huán)路熱管與外界進(jìn)行熱交換。1.2工藝與質(zhì)量選擇由于環(huán)路熱管的運(yùn)行是20.00～120.00℃,丙酮工質(zhì)由于動(dòng)力黏度小、具有較小的流動(dòng)阻力,沸點(diǎn)和汽化潛熱也較小1.3熱能設(shè)備環(huán)路熱管布置有熱電偶,具體編號(hào)及位置如表1所示。1.4參數(shù)定義1熱阻(1)式中:Δ22等效參數(shù)(2)式中:2實(shí)驗(yàn)部分2.1真空注液系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括環(huán)路熱管元件、抽真空注液系統(tǒng)、加熱冷卻裝置和數(shù)據(jù)采集四個(gè)部分。環(huán)路熱管元件,環(huán)路熱管接有壓力表,便于觀察內(nèi)部的蒸汽壓力。一端接有閥門,用于抽真空及注液。熱管外部包加熱帶,用于加熱蒸發(fā)段。抽真空注液系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)所用的超高真空排氣臺(tái)最大可以將熱管抽到1×10加熱和冷卻裝置,加熱裝置采用加熱帶加熱,冷卻裝置采用離心式風(fēng)機(jī)。數(shù)據(jù)采集,采用34972A安捷倫數(shù)據(jù)采集儀和電腦連接,用于記錄并收集各熱電偶的溫度。2.2蒸發(fā)段的調(diào)節(jié)如圖1所示,離心風(fēng)機(jī)、調(diào)壓器和功率表及加熱帶、環(huán)路熱管元件共同構(gòu)成了環(huán)路熱管的試驗(yàn)系統(tǒng)。其中,蒸發(fā)段是通過調(diào)壓器來調(diào)節(jié)加熱帶的加熱功率;冷凝段用離心式風(fēng)機(jī),通過控制調(diào)節(jié)板改變風(fēng)速,在風(fēng)道出口用熱線風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)溫。通過觀察壓力表的示數(shù)變化來確定管內(nèi)的真空度的值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安捷倫每隔5s記錄一次溫度,并將溫度值傳輸?shù)诫娔X中,以便完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的變化過程。2.3實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景本實(shí)驗(yàn)控制入口風(fēng)速、風(fēng)溫不變,分別為6m/s和22.00℃。熱管的真空度為1×10王宇和李惟毅3結(jié)果與討論3.1充液率的定義本實(shí)驗(yàn)的環(huán)路熱管充液率定義為(3)式中:3.2平均的傳熱差值由圖2可知,加熱功率一定時(shí),蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱溫差隨充液率的增加而增大;同一充液率下,加熱功率越大,傳熱溫差越小,并且隨著加熱功率的增加,充液率對(duì)傳熱溫差的影響也相應(yīng)減小。充液率為30%、50%、70%的情況下,最大和最小的傳熱溫差分別為9.90、6.75、13.65、10.80、23.01、13.91℃。50.00～150.00W的加熱功率下,30%、50%、70%充液率下的平均傳熱溫差分別為8.56、12.45、19.51℃。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最小的傳熱溫差6.75℃出現(xiàn)在加熱功率是150.00W、充液率為30%的條件下,此時(shí),環(huán)路熱管的均溫性最好。而當(dāng)充液率為70%時(shí),傳熱溫差過大,熱管均溫性差。充液率為50%的環(huán)路熱管均溫性介于兩者之間。充液率為30%時(shí),蒸發(fā)段的丙酮工質(zhì)開始吸熱時(shí),功率較小,雖然存在丙酮相變吸熱的過程,但丙酮工質(zhì)并未完全汽化,此時(shí)熱管內(nèi)蒸汽流量很小,換熱量不足,所以蒸發(fā)冷凝段傳熱溫差稍大。隨著加熱功率的增大,蒸發(fā)段的丙酮工質(zhì)全部汽化,而在冷凝段放熱被冷凝成液體回流到蒸發(fā)段,形成循環(huán)過程,此時(shí)蒸汽流量大,換熱量大,所以傳熱溫差變小。充液率為50%和70%時(shí),由于充液率增大,丙酮蒸汽的空間減小,運(yùn)行驅(qū)動(dòng)壓力減小,液體流動(dòng)阻力增大,流量減小,所以傳熱變差,傳熱溫差變大。3.3充液率對(duì)環(huán)路熱管性能的影響由圖3可知,加熱功率相同,充液率越大,傳熱量越小。充液率一定時(shí),傳熱量隨加熱功率的增加而增大。充液率為30%、50%、70%時(shí),最大傳熱量均出現(xiàn)在加熱功率為150.00W的條件下,分別為132.00、112.50、93.00W。加熱功率為50.00W時(shí),最小傳熱量分別為34.00、27.50、20.50W。充液率對(duì)傳熱量的增加隨加熱功率的升高而加強(qiáng),當(dāng)加熱功率為50.00W時(shí),30%和70%充液率的熱管傳熱量差值為13.50W;當(dāng)加熱功率為100.00W時(shí),兩者差值為27.00W;當(dāng)加熱功率為150.00W時(shí),差值為39.00W。50.00～150.00W的加熱功率讓充液率30%、50%、70%的環(huán)路熱管的傳熱量分別增加了98.00、85.00、72.50W。平均傳熱量分別為79.45W(30%)、66.50W(50%)、52.95W(70%)。如圖4所示,同一加熱功率,隨著充液率的增大,環(huán)路熱管的熱效率降低;充液率相同時(shí),熱效率隨加熱功率的增大而升高。加熱功率為50.00W時(shí),30%、50%、70%充液率的環(huán)路熱管熱效率分別到達(dá)最低值0.68、0.55、0.41。而當(dāng)加熱功率為150.00W時(shí),熱效率達(dá)到最高,分別為0.88、0.75、0.62。各加熱功率下,當(dāng)充液率由30%增加到70%的情況下,熱效率分別降低了0.27(50.00W)、0.29(75.00W)、0.27(100.00W)、0.25(125.00W)、0.26(150.00W)。充液率為30%、50%、70%時(shí),平均熱效率分別為0.77、0.64、0.50。由于較小的加熱功率,使蒸發(fā)段內(nèi)的液態(tài)丙酮蒸發(fā)量小,造成丙酮蒸汽的空間較小,流速低,所以30%的傳熱量比50%、70%都要大。又因?yàn)榇藭r(shí)熱管的溫度高于環(huán)境溫度,管內(nèi)蒸汽流速低,所以熱管不可避免地向周圍環(huán)境散熱,造成熱效率低。當(dāng)功率增加時(shí),更多蒸發(fā)段內(nèi)的丙酮工質(zhì)吸熱蒸發(fā),蒸汽流量增大,流速增大,在冷凝段放熱并流回到蒸發(fā)段,所以換熱量大,熱損耗也較低。3.4充液率對(duì)熱壓的影響由圖5可知:當(dāng)功率一定時(shí),充液率越大,熱阻越大;同一充液率下,熱阻隨加熱功率的增大而減小。本實(shí)驗(yàn)功率的變化與王亦偉等根據(jù)圖6可知,加熱功率一定,當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨充液率增加而降低。充液率相同時(shí),當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率的升高而增大。本實(shí)驗(yàn)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)與王文豪等在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),加熱功率相同時(shí),充液率越大,蒸發(fā)段內(nèi)存在的液態(tài)丙酮工質(zhì)越多,蒸汽流量越小,換熱量越小,傳熱溫差越大,所以熱阻越大。同理,此時(shí)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)也越低。對(duì)同一充液率,增加加熱功率時(shí),由于有更多的丙酮工質(zhì)蒸發(fā),蒸汽流量增大,換熱量增大而此時(shí)傳熱溫差減小。這就造成了熱阻減小,而當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)增大的現(xiàn)象。3.5加熱功率對(duì)環(huán)路熱管傳熱誤差的影響根據(jù)本實(shí)驗(yàn)條件下充液率對(duì)傳熱溫差、傳熱量、熱效率、熱阻和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在當(dāng)充液率為30%、150.00W的加熱功率下環(huán)路熱管的效果最好,在蒸發(fā)段中丙酮蒸發(fā)的同時(shí),冷凝段冷凝成的液態(tài)丙酮工質(zhì)能及時(shí)回流到蒸發(fā)段,這就降低了環(huán)路熱管的傳熱溫差,使環(huán)路熱管得以保持良好的均溫性。如繼續(xù)降低充液率或者增大加熱功率,則可能會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)段過熱的現(xiàn)象,造成傳熱溫差增大,引起傳熱惡化。因此,后續(xù)研究需改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為探索最佳工況展開,可選擇更低的充液率和更高的加熱功率。4充液率對(duì)傳熱過程的影響本實(shí)驗(yàn)通過改變無芯環(huán)路熱管的充液率和加熱功率兩個(gè)實(shí)驗(yàn)條件,計(jì)算并分析了蒸發(fā)段和冷凝段的傳熱溫差、傳熱量、熱效率、熱阻值和當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢(shì)。通過實(shí)驗(yàn)原理分析了傳熱性能變化的原因。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),獲得結(jié)論。1)加熱功率一定時(shí),傳熱溫差和熱阻隨充液率增加而增大;而當(dāng)充液率一定時(shí),加熱功率升高,兩者均降低。當(dāng)充液率為30%、加熱功率為150.00W時(shí),傳熱溫差為6.75℃、熱阻為0.045K/W,均達(dá)到最低