熱管及其性能測試

熱管及其性能測試第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三

熱管是一種利用工質(zhì)相變進(jìn)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(yù)為熱的“超導(dǎo)體”，具有導(dǎo)熱性好、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、溫度均勻等優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、傳熱溫差小、使用壽命長，已廣泛應(yīng)用在航天技術(shù)、電子電器、能源動力、運(yùn)輸、化工、輕工、冶金等領(lǐng)域。第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.了解熱管的基本結(jié)構(gòu)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(yīng)用。第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【熱管原理】

熱管結(jié)構(gòu)如圖所示，是由管殼、管芯（用于冷凝液回流）和工質(zhì)組成的真空封閉系統(tǒng)。第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三

重力熱管的制作和工作原理：封閉的管內(nèi)先抽真空，使內(nèi)壓達(dá)到1.3×10-3～1.3×10-4Pa

左右，在此狀態(tài)下充入少量水（管內(nèi)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(jié)成液體。該液體在重力作用下沿?zé)峁軆?nèi)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(nèi)工質(zhì)處于飽和狀態(tài)，因此熱管幾乎是在等溫下傳遞熱量。第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三熱管的基本特性是：1.相變傳熱，極高的傳熱效率；熱阻極小，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)極高；2.靈活多變的結(jié)構(gòu)形式及型體尺寸；蒸發(fā)端和冷凝端可以分隔很遠(yuǎn)；3.具有很好的等溫表面；輸入輸出的熱流密度可以變化。第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【實(shí)驗(yàn)裝置】實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，包括支架、熱管（管殼材料為紫銅，內(nèi)徑為3.5cm，壁厚為0.3cm，長為110cm，工質(zhì)為水）、加熱器（電熱水杯）、冷凝器、熱電偶和檢流計(jì)等。第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(zhì)量為m的水倒入冷凝器中。t1時(shí)刻用溫度計(jì)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(shí)刻用溫度計(jì)再次測量冷凝器中水的溫度T2。注：t1到t2的時(shí)間間隔取為30分鐘，不計(jì)散熱。第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三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(shí)間間隔內(nèi)熱管的平均傳熱功率。第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三2.測量熱管的等溫性采用熱電偶和檢流計(jì)測量熱管外壁的溫度分布（熱電偶已定標(biāo)）。沿?zé)峁芡獗谟上孪蛏厦块g隔15cm為熱電偶的一個(gè)觸點(diǎn)，另一個(gè)觸點(diǎn)置于加熱器的水中。記錄各觸點(diǎn)的溫度填入表中。畫出溫度分布曲線圖。實(shí)驗(yàn)表明，熱管外壁每個(gè)觸點(diǎn)的溫度差別很小，熱管除兩端外近似一個(gè)等溫體。位置／cm01530456075溫度／℃第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三3.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(zhì)量m的水倒入銅管冷凝器中。t1時(shí)刻用溫度計(jì)測量冷凝器中水的溫度T1，t2時(shí)刻用溫度計(jì)再次測量冷凝器中水的溫度T’2（t1到t2的時(shí)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(dá)到相同溫度所需時(shí)間的差別，對銅管與熱管的傳熱效率進(jìn)行比較。第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【注意事項(xiàng)】1.安裝熱管時(shí)應(yīng)盡量保持垂直。2.熱管為真空封閉系統(tǒng)，應(yīng)注意避免磕碰以防漏氣。3.通電加熱后，熱管溫度很高，應(yīng)注意防止?fàn)C傷。4.檢流計(jì)的線圈和懸絲很精細(xì)，應(yīng)注意保護(hù)，輕拿輕放。第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【思考題】根據(jù)熱管的工作原理，你能設(shè)計(jì)出怎樣采用熱管利用煙筒中煙塵熱量的方案嗎？第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三【實(shí)驗(yàn)總結(jié)】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(xué)們有興趣，可參閱有關(guān)資料。這是一個(gè)定性半定量實(shí)驗(yàn)，因?yàn)闆]有計(jì)算熱管在空氣中散熱。第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三比較實(shí)驗(yàn)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(jīng)實(shí)驗(yàn)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。第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三熱管的應(yīng)用熱管的應(yīng)用十分廣泛。根據(jù)熱管的特性對熱管的應(yīng)用舉兩個(gè)例子。1、熱管的一個(gè)重要特性是傳熱效率高利用這一特點(diǎn)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(yù)熱水或居民供暖，加以利用。第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期三2、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(diǎn)緊密相關(guān)的。由于熱管是趨向于在均勻溫度下運(yùn)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(yīng)用到人造衛(wèi)星上。人造衛(wèi)星是一部分