供熱管道散熱器與熱水供熱性能比較

供熱管道散熱器與熱水供熱性能比較

熱虹吸熱換熱技術(shù)在工業(yè)換熱和回風(fēng)回?zé)幔ɡ洌┗厥罩械玫綇V泛應(yīng)用，并在冶金、化工、建材、能源等行業(yè)得到了成功應(yīng)用。為了提高鋼制供暖系統(tǒng)的承壓能力,解決易出現(xiàn)氧化腐蝕和低區(qū)超壓等問題,近年來,熱管或熱虹吸管散熱器陸續(xù)出現(xiàn),并成為散熱器開發(fā)的一個熱點。本文以實驗為基礎(chǔ),研究熱虹吸管散熱器在使用不同工質(zhì)時的熱工性能,并與常規(guī)散熱器做了比較研究。1實驗對象和方法實驗系統(tǒng)由熱水系統(tǒng)、測試小室真空系統(tǒng)、散熱器真空系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成,測試程序參照文獻進行。熱虹吸管散熱器的結(jié)構(gòu)形式、工作原理以及實驗系統(tǒng)的組成、熱電偶的布置等見文獻。選用目前普遍使用的鋼制柱型散熱器為實驗對象,為了比較,分別作了常規(guī)散熱器實驗和不同熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器實驗。熱管工質(zhì)的熱物理特性對熱虹吸管的熱工性能有關(guān)鍵性的影響,熱管是依靠工質(zhì)的相變來傳遞熱量的,工質(zhì)選擇一般應(yīng)考慮以下一些原則:①工質(zhì)應(yīng)適應(yīng)熱管的工作溫度區(qū),并有適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮?。②工質(zhì)與殼體材料應(yīng)相容,且應(yīng)具有良好的熱穩(wěn)定性。③工質(zhì)應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì),輸運因數(shù)大。輸運因數(shù)是評價熱管工質(zhì)傳熱能力的的一個綜合指標(biāo),并結(jié)合了工質(zhì)潛熱比、熱導(dǎo)率、密度、粘度等主要熱物理參數(shù)。選用4種熱管工質(zhì)(R11、丙酮、甲醇、水)進行實驗研究,其主要熱物理參數(shù)見表1。2熱藍鐵及其熱藍液的出吸每一測試周期為60min,每次測試前系統(tǒng)熱平衡時間45min。實驗過程中,為了便于與常規(guī)散熱器進行性能比較,通過調(diào)整供熱介質(zhì)流量的辦法使各實驗散熱器的表面平均溫度對應(yīng)介質(zhì)供水溫度的變化基本一致。另外,對于熱虹吸管散熱器,工質(zhì)灌注量為1250mL。測試數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后,如圖1～5所示。對常規(guī)散熱器,熱水流量為1.29L/min。對熱虹吸管散熱器,當(dāng)采用R11、丙酮、水、甲醇為工質(zhì)時,熱水流量分別為0.75、4.20、4.57、4.44L/min。分析圖1～5,可以得出:①熱虹吸管散熱器的放熱能力不及常規(guī)散熱器。對于同樣的供熱介質(zhì)進口溫度,熱虹吸管散熱器要達到與常規(guī)散熱器相同的表面溫度,以水、甲醇和丙酮作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器對應(yīng)的供熱介質(zhì)體積流量需要分別增大到原體積流量的3.54、3.44、3.26倍。而對于以R11作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器,考慮到散熱器內(nèi)壓力太大,供熱介質(zhì)體積流量較小,散熱器表面平均溫度相應(yīng)較低。熱虹吸管散熱器屬于二次換熱設(shè)備,總的傳熱熱阻比常規(guī)散熱器大,使傳熱系數(shù)下降。受結(jié)構(gòu)的局限,熱虹吸管散熱器蒸發(fā)段傳熱面積遠小于冷凝段傳熱面積,因而其傳熱能力主要取決于供熱介質(zhì)與熱管工質(zhì)之間的熱阻。有研究表明,強化供熱介質(zhì)與熱管工質(zhì)之間的換熱可以提高熱虹吸管散熱器總傳熱系數(shù)30%以上。②熱虹吸管散熱器具有與常規(guī)散熱器相反的表面溫度均勻性特性。常規(guī)散熱器表面溫度不均勻,存在熱區(qū)和冷區(qū),供熱介質(zhì)出口附近散熱器表面溫度明顯低于供熱介質(zhì)進口附近的溫度。散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差比以R11、甲醇、丙酮作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器高得多,而且其數(shù)值隨著供熱介質(zhì)溫度的升高而加大。以R11、甲醇、丙酮作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性,但以水作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器在供熱介質(zhì)進口溫度低于88℃時,散熱器表面溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差與常規(guī)散熱器相差不多,供熱介質(zhì)供水溫度高于88℃后,以水作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器表現(xiàn)出良好的表面溫度均勻性。隨著供熱介質(zhì)供水溫度的升高,各種熱管工質(zhì)熱虹吸管散熱器的表面溫度均勻性越顯著。對于常規(guī)散熱器,供熱介質(zhì)溫度越高,進、出口端受熱不均勻性越顯著,相應(yīng)進、出口端散熱器表面溫度的不均勻性也越明顯。而對于熱虹吸管散熱器,表面溫度不均勻是熱管工質(zhì)蒸氣不均勻分布和殘存不凝性氣體阻止蒸氣凝結(jié)放熱引起的。沿供熱介質(zhì)管軸向,熱管工質(zhì)在供熱介質(zhì)入口端比出口端沸騰強烈,常規(guī)散熱器片式或柱形結(jié)構(gòu)阻礙了熱管工質(zhì)在散熱器內(nèi)部的橫向流動,導(dǎo)致散熱器表面溫度的不均勻性,隨著散熱器的溫度升高,不凝性氣體的影響相對減弱,散熱器的表面溫度均勻性進一步改善。③在各種實驗散熱器總放熱量中,對流放熱量約占61%,輻射放熱量約占39%,這個結(jié)果與文獻報道的常規(guī)散熱器的實驗結(jié)果基本一致,也與文獻理論分析的結(jié)果基本一致。④適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮悍秶沁x擇熱虹吸工質(zhì)的關(guān)鍵因素。熱虹吸管散熱器主要依靠熱管工質(zhì)相變來傳遞熱量,工質(zhì)應(yīng)具有良好的綜合熱物理性質(zhì),要求液體的輸運因數(shù)大,并有適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮?。熱虹吸熱管沒有吸液芯結(jié)構(gòu),凝結(jié)液在重力作用下回流,其最大傳熱能力主要受限于攜帶極限。實驗所用的散熱器內(nèi)腔相對開闊,上升蒸氣流對壁面回流冷凝液的影響并不顯著,工作溫度區(qū)域內(nèi)熱管工質(zhì)適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮簩崃總鬟f的影響顯得更為重要。適當(dāng)?shù)娘柡驼魵鈮阂彩菬岷缥茉谕ǔ９峤橘|(zhì)溫度范圍內(nèi)正常啟動的條件,實驗中,以R11、丙酮、甲醇、水作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器的啟動溫度依次提高說明了這一點(見圖5)。另外,過高、過低的飽和蒸氣壓以及散熱器運行時內(nèi)部大跨度的壓力變化還帶來生產(chǎn)工藝上的困難。所以,水、R11不宜作為一般供暖用熱虹吸管散熱器的熱管工質(zhì),而以甲醇、丙酮作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器內(nèi)的壓力則在大氣壓附近變化,是較理想的選擇。盡管水有很高的輸運因數(shù)(見表1),但測試數(shù)據(jù)表明,以水為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器的熱工性能并不優(yōu)越,特別是供熱介質(zhì)體積流量較小或供熱介質(zhì)溫度較低時,散熱量較小。散熱器在較低溫度下運行,這時水的飽和蒸氣壓很低,蒸汽非常稀薄,凝結(jié)放熱量小,熱虹吸管散熱器性能不佳。⑤殘存的不凝性氣體對熱虹吸管散熱器熱工性能有關(guān)鍵性的影響。由于工藝上的局限,散熱器內(nèi)必然殘留一定量的空氣等不凝性氣體,對熱虹吸管散熱器的熱工性能帶來不利影響,這種影響在熱管工質(zhì)飽和蒸氣壓較低時尤其顯著。這也從另一個方面說明了水不宜作為一般供暖用熱虹吸管散熱器的熱管工質(zhì)。不凝性氣體的存在導(dǎo)致啟動溫度上移,在供熱介質(zhì)溫度較低或供熱介質(zhì)體積流量不足時,熱虹吸管散熱器不能啟動。實驗中,以水作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器在供熱介質(zhì)溫度較低時啟動困難說明了這一點。由于不凝性氣體在散熱器內(nèi)壁面形成氣膜,阻礙工質(zhì)蒸氣的凝結(jié)放熱,導(dǎo)致熱虹吸管傳熱效果惡化,在熱功率較小時甚至導(dǎo)致熱虹吸現(xiàn)象停止,散熱器性能大大降低甚至被破壞。實驗中,以水作為熱管工質(zhì)的熱虹吸管散熱器在供熱介質(zhì)溫度較低時,熱工性能并不優(yōu)越也說明了這一點。當(dāng)供熱介質(zhì)進口溫度超過88℃以后,熱工性能顯著改善,因為隨著散熱器的溫度升高,水的飽和蒸氣壓提高,不凝性氣體的影響相對減弱。3熱器及熱藍管薄膜的性能①選用丙酮、甲醇等合適的熱管工質(zhì),熱虹吸管散熱器與常規(guī)散熱器相比,具有優(yōu)越的表面溫度均勻性;R11飽和蒸氣壓太高,不宜作為供暖熱虹吸管散熱器的工質(zhì);以水為熱管工質(zhì)時,啟動溫度太高,表面溫度均勻性差,內(nèi)部壓力變化跨度大,也不宜選用。②熱虹吸管散熱器屬