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一种热虹吸管散热器的研究
摘要：提出了一种热虹吸管散热器，分别以水、R11、***、甲醇为热虹吸工质，对热虹吸散热器的性能进行了系统的测试，并与传统散热器作了比较。
关键词：热虹吸 散热器 工质 均温性
0 引言
热管或热虹吸换热技术具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等普通换热技术所不具备的优越性能，因而在工业换热和回收节能等方面获得广泛应用，并在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功实例[1]。为了提高钢制供暖散热系统的承压能力，解决容易出现的氧化腐蚀、低区超压等问题，近年来，一些热管或热虹吸散热器形式陆续出现，并成为散热器开发的一个热点。本课题以实验为基础研究热虹吸管散热器在使用不同工作介质时的热工性能，并与常规散热器做了系统比较，对热虹吸管散热器进行传热分析，为其进一步发展和完善以及工程应用提供了基础数据和理论指导。
1 基本原理
热虹吸管散热器利用柱型或板型散热器为壳体，在散热器底部穿入热媒管，壳体内注入工质，并建立真空环境，这是一种常温重力式热管。工作过程是：在散热器底部，供热系统通过热媒管将壳体内的工质加热，在工作温度范围内，工质沸腾，蒸汽上升至散热器上部凝结放热，凝结液沿散热器内壁回流至加热段被再次加热蒸发，热量通过工质的不断循环相变由热源传递至热沉，达到供热、加热的目的。基本结构形式如图1所示。
热虹吸管散热器与经典热管的区别在于，冷凝液不是借助毛细力作用回流，而是在重力作用下沿着散热器内壁面回流至液槽，因而传热方向不可逆；另一个方面，经典热管的蒸发段与冷凝段的传热面积具有可比性，而作为散热器形式的重力热虹吸管，蒸发段相当于散热器的“内热源”，“冷凝段”的表面积远远大于“蒸发段”的表面积。
为了改善对室内热微环境的影响，供暖散热器理想的目标是一定的热媒温度下得到最大的散热量，同时有均匀的表面温度，避免散热器表面出现“热区”、“冷区”。
2 实验系统
实验系统参照文献[2]建成，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、参数测量系统等五个子系统组成。测试程序参照文献[2]进行。
散热器热媒供回水温度由WMY-01B数字温度计测定，流量由LZB-15浮子流量计和台秤测定，散热器表面温度由铜-康铜热电偶和UJ-36型携带式电位差计测定，热虹吸散热器内部压力由Z-60型真空压力表测定，另外记录时间的秒表一支，全部测试仪器、仪表经过校定，散热器表面热电偶布置如图2所示。
本研究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，同时作了常规散热器实验和不同工质的热虹吸散热器实验。
热管工质的热物理特性对热虹吸管的热工性能有着关键性的影响，热管是依靠工作液体的相变来传递热量的，其选择一般应考虑以下一些原则[1]：
（1）工作液体应适应热管的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压；
（2）工作液体与壳体、吸液芯材料应相容，且应具有良好的热稳定性；
（3）工作液体应具有良好的综合热物理性质，要求液体的输运因素大；
（4）其他，包括经济性、毒性、环境污染等。
本课题选用了四种工质（水、R11、甲醇、***）进行研究，四种工质的热物理特性主要参数如表1所示。（ 内壁面作一定化学处理。）
表1 几种工质的主要热物理参数
中文名分子式相对开阔，上升蒸汽流对壁面回流冷凝液的影响并不显著，工作温度区域内适当的饱和气压显得更为重要。
适当的饱和蒸汽压是热虹吸在通常热媒温度范围内正常启动的条件，实验中，R11、***、甲醇、水工质的热虹吸散热器的启动温度依次提高也说明了这一点；另外，过高、过低的饱和蒸汽压，以及散热器运行时内部大跨度的压力变化还给工程运用带来工艺实现上的困难；所以，水、R11不宜作为一般供暖热虹吸散热器工质；而甲醇、***工质热虹吸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素（如表1所示），测试数据表明，水工质热虹吸散热器的热工性能并不优越，特别是热媒流量较小或热媒温度较低时，传热量较小，散热器在较低温度下运行，这时饱和气压很低，蒸汽非常稀薄，凝结放热量小，热虹吸散热器性能不佳。
（4） 残存不凝性气体对热虹吸散热器热工性能有关键性不利影响。
由于工艺上的局限，散热器内必然不同程度地残留一定量的空气等不凝结性气体，对热虹吸散热器的热工性能