热管对流换热性能研究

李文浩，翟彤(武汉轻工大学，湖北 武汉 430023)

0 引言

在生活和生产中，散热器是必不可少的，在动力、冶金、制冷、空调等诸多领域有着广泛的应用[1]。随着人类生产生活对能源需求的日益增加，散热器的应用又与能源的开发与节能挂钩。将工艺设备散发出来的余热加以回收利用，既要能让工艺设备产生的热量及时散发出来，不影响设备的使用，也要让这一部分散发的热量得到二次利用，实现能源利用的最大化。散热器作为整个环节中很重要的一部分，必须使其满足一些特定条件的工作，能够适应苛刻的工作条件。

1 实验设计

通过对铜管散热器的实验研究，需要了解散热管传热系数K值得测定方法，并且由此分析出散热管传热能力的强弱，在实验中找出影响散热能力的因素[2]。

实验装置如图1所示[3]。

图1 实验装置示意

实验原理：

所有的被试管均以基管(铜管)表面积为准，则：

式中：d/为铜管外径；自然对流时，L=0.74 m；r为汽化潜热，查表；G为凝结水量，，其中h为蓄水器的水位高度；r为汽化潜热；gs为每格的凝结水量；γ为凝结水重度；τ为供汽时间；Δt为管内外温差，Δt=t1-tf，当P=0.02 MPa，t1=105 ℃(饱和温度)；tf为试验时的室内温度。

2 实验方法及步骤

(1)打开电器蒸汽发生器下面的给水阀门，排除残留在其中的污水。打开供气阀门，往蒸汽发生器的蓄水锅炉注水，直到水量足够实验使用时关闭进水阀门。

(2)接通电源，按下控制面板上的启动开关，设置内部参数，给蒸汽发生器的锅炉开始加热水，等到控制箱上的压力表到达给定压力时(按实验需要在实验前调好)，压力表就能控制加热器，使其在一定范围内对水加热，给实验提供所要的蒸汽。

(3)按实验需要打开输气管上的阀门，放气一会儿就打开量筒蓄水器下的放水阀，排净里面未经加热的空气，然后打开供气阀向散热管内供汽，对整个实验系统进行预热。

(4)完成实验系统预热后，打开散热管进气前端的放水阀使其出现少量蒸汽，排出所有管道中的凝水，然后便可开始实验。

(5)做自然对流实验时，要时刻注视这蓄水器内的水位上升变化，待到比较容易记录的刻度时，打开秒表，蓄水器水位从那一刻开始每上升一定刻度记录一下时间，记录下多组数据，后期做成表格最终绘制折线图。

(6)所有实验结束后，先关闭控制箱上的各种开关，打开蓄水器下面的放水阀和散热管前端的进气阀，将蒸汽和水排放干净，最后关闭电源。

3 自然对流下散热管的对流换热性能研究

实验要用到的参考数据如下。当压力为0.001 MPa时，温度为6.949 1 ℃，汽化潜能为2 482.1 kJ/kg；当压力为0.003 MPa时，温度为24.114 2 ℃，汽化潜能为2 443.6 kJ/kg；当压力为0.005 MPa时，温度为32.879 3 ℃，汽化潜能为2 422.8 kJ/kg；当压力为0.008 MPa时，温度为41.507 5 ℃，汽化潜能为2 402.3 kJ/kg；当压力为0.010 MPa时，温度为45.798 8 ℃，汽化潜能为239 2 kJ/kg；当压力为0.015 MPa时，温度为53.970 5 ℃，汽化潜能为2 372.3 kJ/kg；当压力为0.02 MPa时，温度为60.065 ℃，汽化潜能为2 357.5 kJ/kg；当压力为0.025 MPa时，温度为64.972 6 ℃，汽化潜能为2 345.5 kJ/kg；当压力为0.03 MPa时，温度为69.104 1 ℃，汽化潜能为2 335.3 kJ/kg；当压力为0.04 MPa时，温度为75.872 ℃，汽化潜能为2 318.5 kJ/kg。

（1）在压强为0.01~0.02 MPa自然对流的情况下，可得每根散热管对应的液面升高20 cm后所对应的时间等对流换热性能数据，经过整理得到图2所示的折线图。

图2 数据折线图

由折线图可以更清楚看到，每根散热管液面升高20 cm时所对应的时间，而通过数学线性回归的分析方式，得到了如图2所示的趋势线(虚线)，每根散热管道趋势线的斜率即可表示为该散热管原折线图所对应的斜率。此时，这里的斜率Ψ所代表的物理意义就是蓄水器液面每升高1 cm所用的时间(单位：s)。

经过我们上面数据的分析与计算，可以得到在0.01~0.02 MPa自然对流下三跟散热管的传热系数K值，从上图我们可以看出，蓄水池每升高一定高度，所用的时间越短，传热量越大，散热性能越好，对应的传热系数就越大。从这里我们可以初步得出翅片管的散热性能(传热性能)最好，涂黑管次之，最后是铜光管。

(2) 在压强为0.02～0.03 MPa自然对流的情况下，可得每根散热管对应的液面升高20 cm后所对应的时间等对流换热性能数据，经过整理得到图3所示的折线图。

图3 数据所示折线图

由折线图可以更清楚看到，每根散热管液面升高20 cm时所对应的时间，而通过数学线性回归的分析方式，得到了如图3所示的趋势线(虚线)，每根散热管道趋势线的斜率即可表示为该散热管原折线图所对应的斜率。此时，这里的斜率Y所代表的物理意义就是蓄水器液面每升高1cm所用的时间(单位：s)。

经过上面一些列的分析与计算，可以得到在0.02~0.03 MPa自然对流下三跟散热管的传热系数K值，从上表我们可以看出，蓄水池每升高一定高度，所用的时间越短，传热量越大，散热性能越好，对应的传热系数就越大。从这里我们可以初步得出翅片管的散热性能(传热性能)最好，涂黑管次之，最后是铜光管。与表进行对比，可以发现，在压强增大的情况下，三根管子的传热系数K值变化很小，在有实验误差存在的情况下还是可以接受的。但具体是不是这种变化，还有待进一步研究。

(3) 在压强为0.03~0.04 MPa自然对流的情况下，可得每根散热管对应的液面升高20 cm后所对应的时间等对流换热性能数据，经过整理得到图4所示的折线图。

图4 数据所示折线图

由折线图可以更清楚看到，每根散热管液面升高20 cm时所对应的时间，而通过数学线性回归的分析方式，得到了如图4所示的趋势线(虚线)，每根散热管道趋势线的斜率即可表示为该散热管原折线图所对应的斜率。此时，这里的斜率Ψ所代表的物理意义就是蓄水器液面每升高1 cm所用的时间(单位：s)。

经过我们上面一些列的分析与计算，可以得到在0.03~0.04 MPa自然对流下三跟散热管的传热系数K值，三根散热管的传热系数的变化出现了一些波动，这可能与当天实验台的工作状况和操作有关，因为与前面的数据相比，理论上散热更快蓄水量增加更快的翅片管，虽然传热系数K值依然最大，但其使蓄水量达到相同高度所需的时间却不是最少，有待以后做详细的考证。

4 结语

文章主要通过实验和数据处理的方法对翅片管、涂黑管、铜光管三种散热管道进行了研究，并在后期制作了相应的表格和折线图加以分析，最后回归到三种散热管道的传热系数K值上面，结合实验中的一些变量和不定性关系，现得出如下结论：

(1)散热管对流换热性能研究的实验结果，证明了试验台实验系统的准确可靠性，误差基本都在可接受的范围之内，基本都可以做实验分析用。

(2)对于这三种散热管，在自然对流的条件下，翅片管的传热系数K值都大于涂黑管和铜光管的传热系数，足以说明自然对流条件下翅片管的传热性能最好，涂黑管和铜光管的传热性能相差不大，但这两者相比，涂黑管是略高于铜光管。

(3)在自然对流情况下，增大压强能加快散热管内蒸汽的凝结，加速热量的传递。同时增大散热面积能有效快速的散热。