热管及其性能测试

热管及其性能测试吉林建筑工程学院城建学院大学物理实验热管是一种利用工质相变进行热量传递的高效传热器件，其传热效率和输热能力是一般传热器件的100～1000倍，被誉为热的“超导体”，具有导热性好、结构简单、工作可靠、温度均匀等优点，可用于传热、变换热通量以及热控制等方面。用热管制成的换热器结构紧凑、体积小、重量轻、传热温差小、使用寿命长，已广泛应用在航天技术、电子电器、能源动力、运输、化工、轻工、冶金等领域。【实验目的】•1.了解热管的基本结构与工作原理。•2.掌握热管性能的测试方法，热电偶测温。•3.了解热管的应用。【热管原理】热管结构如图所示，是由管壳、管芯（用于冷凝液回流）和工质组成的真空封闭系统。重力热管的制作和工作原理：封闭的管内先抽真空，使内压达到1.3×10-3～1.3×10-4Pa左右，在此状态下充入少量水（管内容积的十分之一左右）。热管下部的蒸发端被加热后，液体因吸收热量而汽化为蒸汽。在微小压差作用下蒸汽流向热管上部的冷凝端，并向外界释放出热量后凝结成液体。该液体在重力作用下沿热管内壁回流到蒸发端，并再次吸热汽化，此过程无限循环完成传热。由于是相变传热，因此热管热阻很小，其传热效率很高。另外由于管内工质处于饱和状态，因此热管几乎是在等温下传递热量。热管的基本特性是：•1.相变传热，极高的传热效率；热阻极小，当量导热系数极高；•2.灵活多变的结构形式及型体尺寸；蒸发端和冷凝端可以分隔很远；•3.具有很好的等温表面；输入输出的热流密度可以变化。【实验装置】实验装置如图所示，包括支架、热管（管壳材料为紫铜，内径为3.5cm，壁厚为0.3cm，长为110cm，工质为水）、加热器（电热水杯）、冷凝器、热电偶和检流计等。【实验内容】1.测量热管的传热功率首先通电加热使加热器中的水沸腾，然后将热管蒸发端放入加热器中，并垂直固定于支架上，将质量为m的水倒入冷凝器中。t1时刻用温度计测量冷凝器中水的温度T1。热管把热量由底端（加热器）传到顶端（冷凝器），使冷凝器中的水被加热。t2时刻用温度计再次测量冷凝器中水的温度T2。注：t1到t2的时间间隔取为30分钟，不计散热。热管的平均传热功率P为2121()CmTTPtt其中C为水的比热容。冷凝器温度不同，则传热功率不同，上式给出的是t1到t2的时间间隔内热管的平均传热功率。2.测量热管的等温性采用热电偶和检流计测量热管外壁的温度分布（热电偶已定标）。沿热管外壁由下向上每间隔15cm为热电偶的一个触点，另一个触点置于加热器的水中。记录各触点的温度填入表中。画出温度分布曲线图。实验表明，热管外壁每个触点的温度差别很小，热管除两端外近似一个等温体。位置／cm01530456075温度／℃3.比较铜管与热管的传热效率首先通电加热使加热器中的水沸腾，然后将铜管（材料为紫铜，尺寸与热管相同）放入加热器中并固定，把与倒入热管冷凝器相同质量m的水倒入铜管冷凝器中。t1时刻用温度计测量冷凝器中水的温度T1，t2时刻用温度计再次测量冷凝器中水的温度T’2（t1到t2的时间间隔取为30分钟），比较T2和T’2就可以得到铜管与热管传热效率的差别。此外，还可以通过比较使热管和铜管冷凝器中的水温达到相同温度所需时间的差别，对铜管与热管的传热效率进行比较。【注意事项】•1.安装热管时应尽量保持垂直。•2.热管为真空封闭系统，应注意避免磕碰以防漏气。•3.通电加热后，热管温度很高，应注意防止烫伤。•4.检流计的线圈和悬丝很精细，应注意保护，轻拿轻放。【思考题】根据热管的工作原理，你能设计出怎样采用热管利用烟筒中烟尘热量的方案吗？【实验总结】热管的种类很多，普通的热管是有管芯的热管。它是利用液体的表面张力使冷凝液回流到蒸发端的。同学们有兴趣，可参阅有关资料。这是一个定性半定量实验，因为没有计算热管在空气中散热。比较实验表明：•1.热管传热效率高。热管与铜管（形状、尺寸、管材完全相同）。热源温度相同（沸水99℃），冷凝用初始温度相同（室温）。经实验传热效率比较，热管是铜管的40倍。•2.热管基本上是等温体。加热30分钟后，热管表面温度靠近热源处为80℃，靠近冷凝器处为70℃。温差不大。热管的应用热管的应用十分广泛。根据热管的特性对热管的应用举两个例子。1、热管的一个重要特性是传热效率高利用这一特点工业上可以用于节能减排、废热的回收与利用。利用热管回收烟筒中烟的热量，是把热管组放在烟筒中，回收烟尘的热量给水加热。加热后的水可作为锅炉的预热水或居民供暖，加以利用。2、热管的另一重要特性是等温性拉平温度是与热源和冷源分开的特点紧密相关的。由于热管是趋向于在均匀温度下运行的，因此可用它来减小物体不均匀加热区之间的温度梯度。热管的这一特性应用到人造卫星上。人造卫星是一部分向阳，而一部分背阴，温差很大。把热管装在卫星上，可以使其阳面和阴面的温度趋于均匀。你能设计出应用热管回收烟筒中烟尘的热量吗？谢谢！