熱管及其性能測試

熱管及其性能測試第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六

熱管是一種利用工質相變進行熱量傳遞的高效傳熱器件，其傳熱效率和輸熱能力是一般傳熱器件的100～1000倍，被譽為熱的“超導體”，具有導熱性好、結構簡單、工作可靠、溫度均勻等優(yōu)點，可用于傳熱、變換熱通量以及熱控制等方面。用熱管制成的換熱器結構緊湊、體積小、重量輕、傳熱溫差小、使用壽命長，已廣泛應用在航天技術、電子電器、能源動力、運輸、化工、輕工、冶金等領域。第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【實驗目的】1.了解熱管的基本結構與工作原理。2.掌握熱管性能的測試方法，熱電偶測溫。3.了解熱管的應用。第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【熱管原理】

熱管結構如圖所示，是由管殼、管芯（用于冷凝液回流）和工質組成的真空封閉系統。第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六

重力熱管的制作和工作原理：封閉的管內先抽真空，使內壓達到1.3×10-3～1.3×10-4Pa

左右，在此狀態(tài)下充入少量水（管內容積的十分之一左右）。熱管下部的蒸發(fā)端被加熱后，液體因吸收熱量而汽化為蒸汽。在微小壓差作用下蒸汽流向熱管上部的冷凝端，并向外界釋放出熱量后凝結成液體。該液體在重力作用下沿熱管內壁回流到蒸發(fā)端，并再次吸熱汽化，此過程無限循環(huán)完成傳熱。由于是相變傳熱，因此熱管熱阻很小，其傳熱效率很高。另外由于管內工質處于飽和狀態(tài)，因此熱管幾乎是在等溫下傳遞熱量。第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六熱管的基本特性是：1.相變傳熱，極高的傳熱效率；熱阻極小，當量導熱系數極高；2.靈活多變的結構形式及型體尺寸；蒸發(fā)端和冷凝端可以分隔很遠；3.具有很好的等溫表面；輸入輸出的熱流密度可以變化。第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【實驗裝置】實驗裝置如圖所示，包括支架、熱管（管殼材料為紫銅，內徑為3.5cm，壁厚為0.3cm，長為110cm，工質為水）、加熱器（電熱水杯）、冷凝器、熱電偶和檢流計等。第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【實驗內容】1.測量熱管的傳熱功率首先通電加熱使加熱器中的水沸騰，然后將熱管蒸發(fā)端放入加熱器中，并垂直固定于支架上，將質量為m的水倒入冷凝器中。t1時刻用溫度計測量冷凝器中水的溫度T1。熱管把熱量由底端（加熱器）傳到頂端（冷凝器），使冷凝器中的水被加熱。t2時刻用溫度計再次測量冷凝器中水的溫度T2。注：t1到t2的時間間隔取為30分鐘，不計散熱。第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六熱管的平均傳熱功率P為其中C為水的比熱容。冷凝器溫度不同，則傳熱功率不同，上式給出的是t1到t2的時間間隔內熱管的平均傳熱功率。第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六2.測量熱管的等溫性采用熱電偶和檢流計測量熱管外壁的溫度分布（熱電偶已定標）。沿熱管外壁由下向上每間隔15cm為熱電偶的一個觸點，另一個觸點置于加熱器的水中。記錄各觸點的溫度填入表中。畫出溫度分布曲線圖。實驗表明，熱管外壁每個觸點的溫度差別很小，熱管除兩端外近似一個等溫體。位置／cm01530456075溫度／℃第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六3.比較銅管與熱管的傳熱效率首先通電加熱使加熱器中的水沸騰，然后將銅管（材料為紫銅，尺寸與熱管相同）放入加熱器中并固定，把與倒入熱管冷凝器相同質量m的水倒入銅管冷凝器中。t1時刻用溫度計測量冷凝器中水的溫度T1，t2時刻用溫度計再次測量冷凝器中水的溫度T’2（t1到t2的時間間隔取為30分鐘），比較T2和T’2就可以得到銅管與熱管傳熱效率的差別。此外，還可以通過比較使熱管和銅管冷凝器中的水溫達到相同溫度所需時間的差別，對銅管與熱管的傳熱效率進行比較。第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【注意事項】1.安裝熱管時應盡量保持垂直。2.熱管為真空封閉系統，應注意避免磕碰以防漏氣。3.通電加熱后，熱管溫度很高，應注意防止燙傷。4.檢流計的線圈和懸絲很精細，應注意保護，輕拿輕放。第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【思考題】根據熱管的工作原理，你能設計出怎樣采用熱管利用煙筒中煙塵熱量的方案嗎？第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六【實驗總結】熱管的種類很多，普通的熱管是有管芯的熱管。它是利用液體的表面張力使冷凝液回流到蒸發(fā)端的。同學們有興趣，可參閱有關資料。這是一個定性半定量實驗，因為沒有計算熱管在空氣中散熱。第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六比較實驗表明：1.熱管傳熱效率高。熱管與銅管（形狀、尺寸、管材完全相同）。熱源溫度相同（沸水99℃），冷凝用初始溫度相同（室溫）。經實驗傳熱效率比較，熱管是銅管的40倍。2.熱管基本上是等溫體。加熱30分鐘后，熱管表面溫度靠近熱源處為80℃，靠近冷凝器處為70℃。溫差不大。第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六熱管的應用熱管的應用十分廣泛。根據熱管的特性對熱管的應用舉兩個例子。1、熱管的一個重要特性是傳熱效率高利用這一特點工業(yè)上可以用于節(jié)能減排、廢熱的回收與利用。利用熱管回收煙筒中煙的熱量，是把熱管組放在煙筒中，回收煙塵的熱量給水加熱。加熱后的水可作為鍋爐的預熱水或居民供暖，加以利用。第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六2、熱管的另一重要特性是等溫性拉平溫度是與熱源和冷源分開的特點緊密相關的。由于熱管是趨向于在均勻溫度下運行的，因此可用它來減小物體不均勻加熱區(qū)之間的溫度梯度。熱管的這一特性應用到人造衛(wèi)星上。人造衛(wèi)星是一部分向陽，而一部