供热管道散热器与热水供热性能比较

供热管道散热器与热水供热性能比较

热虹吸热换热技术在工业换热和回风回热（冷）回收中得到广泛应用，并在冶金、化工、建材、能源等行业得到了成功应用。为了提高钢制供暖系统的承压能力,解决易出现氧化腐蚀和低区超压等问题,近年来,热管或热虹吸管散热器陆续出现,并成为散热器开发的一个热点。本文以实验为基础,研究热虹吸管散热器在使用不同工质时的热工性能,并与常规散热器做了比较研究。1实验对象和方法实验系统由热水系统、测试小室真空系统、散热器真空系统、温度控制系统、参数测量系统5个子系统组成,测试程序参照文献进行。热虹吸管散热器的结构形式、工作原理以及实验系统的组成、热电偶的布置等见文献。选用目前普遍使用的钢制柱型散热器为实验对象,为了比较,分别作了常规散热器实验和不同热管工质的热虹吸管散热器实验。热管工质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有关键性的影响,热管是依靠工质的相变来传递热量的,工质选择一般应考虑以下一些原则:①工质应适应热管的工作温度区,并有适当的饱和蒸气压。②工质与壳体材料应相容,且应具有良好的热稳定性。③工质应具有良好的综合热物理性质,输运因数大。输运因数是评价热管工质传热能力的的一个综合指标,并结合了工质潜热比、热导率、密度、粘度等主要热物理参数。选用4种热管工质(R11、丙酮、甲醇、水)进行实验研究,其主要热物理参数见表1。2热蓝铁及其热蓝液的出吸每一测试周期为60min,每次测试前系统热平衡时间45min。实验过程中,为了便于与常规散热器进行性能比较,通过调整供热介质流量的办法使各实验散热器的表面平均温度对应介质供水温度的变化基本一致。另外,对于热虹吸管散热器,工质灌注量为1250mL。测试数据经过整理后,如图1～5所示。对常规散热器,热水流量为1.29L/min。对热虹吸管散热器,当采用R11、丙酮、水、甲醇为工质时,热水流量分别为0.75、4.20、4.57、4.44L/min。分析图1～5,可以得出:①热虹吸管散热器的放热能力不及常规散热器。对于同样的供热介质进口温度,热虹吸管散热器要达到与常规散热器相同的表面温度,以水、甲醇和丙酮作为热管工质的热虹吸管散热器对应的供热介质体积流量需要分别增大到原体积流量的3.54、3.44、3.26倍。而对于以R11作为热管工质的热虹吸管散热器,考虑到散热器内压力太大,供热介质体积流量较小,散热器表面平均温度相应较低。热虹吸管散热器属于二次换热设备,总的传热热阻比常规散热器大,使传热系数下降。受结构的局限,热虹吸管散热器蒸发段传热面积远小于冷凝段传热面积,因而其传热能力主要取决于供热介质与热管工质之间的热阻。有研究表明,强化供热介质与热管工质之间的换热可以提高热虹吸管散热器总传热系数30%以上。②热虹吸管散热器具有与常规散热器相反的表面温度均匀性特性。常规散热器表面温度不均匀,存在热区和冷区,供热介质出口附近散热器表面温度明显低于供热介质进口附近的温度。散热器表面温度标准偏差比以R11、甲醇、丙酮作为热管工质的热虹吸管散热器高得多,而且其数值随着供热介质温度的升高而加大。以R11、甲醇、丙酮作为热管工质的热虹吸管散热器表现出良好的表面温度均匀性,但以水作为热管工质的热虹吸管散热器在供热介质进口温度低于88℃时,散热器表面温度标准偏差与常规散热器相差不多,供热介质供水温度高于88℃后,以水作为热管工质的热虹吸管散热器表现出良好的表面温度均匀性。随着供热介质供水温度的升高,各种热管工质热虹吸管散热器的表面温度均匀性越显著。对于常规散热器,供热介质温度越高,进、出口端受热不均匀性越显著,相应进、出口端散热器表面温度的不均匀性也越明显。而对于热虹吸管散热器,表面温度不均匀是热管工质蒸气不均匀分布和残存不凝性气体阻止蒸气凝结放热引起的。沿供热介质管轴向,热管工质在供热介质入口端比出口端沸腾强烈,常规散热器片式或柱形结构阻碍了热管工质在散热器内部的横向流动,导致散热器表面温度的不均匀性,随着散热器的温度升高,不凝性气体的影响相对减弱,散热器的表面温度均匀性进一步改善。③在各种实验散热器总放热量中,对流放热量约占61%,辐射放热量约占39%,这个结果与文献报道的常规散热器的实验结果基本一致,也与文献理论分析的结果基本一致。④适当的饱和蒸气压范围是选择热虹吸工质的关键因素。热虹吸管散热器主要依靠热管工质相变来传递热量,工质应具有良好的综合热物理性质,要求液体的输运因数大,并有适当的饱和蒸气压。热虹吸热管没有吸液芯结构,凝结液在重力作用下回流,其最大传热能力主要受限于携带极限。实验所用的散热器内腔相对开阔,上升蒸气流对壁面回流冷凝液的影响并不显著,工作温度区域内热管工质适当的饱和蒸气压对热量传递的影响显得更为重要。适当的饱和蒸气压也是热虹吸管在通常供热介质温度范围内正常启动的条件,实验中,以R11、丙酮、甲醇、水作为热管工质的热虹吸管散热器的启动温度依次提高说明了这一点(见图5)。另外,过高、过低的饱和蒸气压以及散热器运行时内部大跨度的压力变化还带来生产工艺上的困难。所以,水、R11不宜作为一般供暖用热虹吸管散热器的热管工质,而以甲醇、丙酮作为热管工质的热虹吸管散热器内的压力则在大气压附近变化,是较理想的选择。尽管水有很高的输运因数(见表1),但测试数据表明,以水为热管工质的热虹吸管散热器的热工性能并不优越,特别是供热介质体积流量较小或供热介质温度较低时,散热量较小。散热器在较低温度下运行,这时水的饱和蒸气压很低,蒸汽非常稀薄,凝结放热量小,热虹吸管散热器性能不佳。⑤残存的不凝性气体对热虹吸管散热器热工性能有关键性的影响。由于工艺上的局限,散热器内必然残留一定量的空气等不凝性气体,对热虹吸管散热器的热工性能带来不利影响,这种影响在热管工质饱和蒸气压较低时尤其显著。这也从另一个方面说明了水不宜作为一般供暖用热虹吸管散热器的热管工质。不凝性气体的存在导致启动温度上移,在供热介质温度较低或供热介质体积流量不足时,热虹吸管散热器不能启动。实验中,以水作为热管工质的热虹吸管散热器在供热介质温度较低时启动困难说明了这一点。由于不凝性气体在散热器内壁面形成气膜,阻碍工质蒸气的凝结放热,导致热虹吸管传热效果恶化,在热功率较小时甚至导致热虹吸现象停止,散热器性能大大降低甚至被破坏。实验中,以水作为热管工质的热虹吸管散热器在供热介质温度较低时,热工性能并不优越也说明了这一点。当供热介质进口温度超过88℃以后,热工性能显著改善,因为随着散热器的温度升高,水的饱和蒸气压提高,不凝性气体的影响相对减弱。3热器及热蓝管薄膜的性能①选用丙酮、甲醇等合适的热管工质,热虹吸管散热器与常规散热器相比,具有优越的表面温度均匀性;R11饱和蒸气压太高,不宜作为供暖热虹吸管散热器的工质;以水为热管工质时,启动温度太高,表面温度均匀性差,内部压力变化跨度大,也不宜选用。②热虹吸管散热器属