热管工况温度与沸腾换热临界热流密度和热阻测试报告

上述数据是传热介质的技术指标

工况温度:冷却水进口温度15oC,流量500ml/min时,电加热套在700-2800W时的温度

测试装置

透过测试热管的工况温度,临界热流密度和热阻,是检验传热介质传热性能力最简单和最直接的方法。

本测试的热管的工况温度,是指在冷却水流量500ml/min,进口水温时的电加热套的表面温度。测试的目的是比对热管的传热介质在多少温度的环境下可以正常等温传热,即莱顿弗罗斯特温度点并定义为:工况温度。

本测试装置由图1所示的仪器设置组成:

 

图1.热管测试装置示意图

测试装置如图1 所示的仪器型号与用途如下表:

测试装置重要说明:

测试工况温度从20~ 600 °C,温度采集使用美国FLIR品牌、型号T1040红外线成像仪,同时在热管的电加热套、蒸发端和冷凝端建立若干测温点,减少更换不同温度取的热偶线之间的数据误差。

本测试装置的热管,是用同一根热管内腔壁没有经过任何加工的光管做为载体,透过分别灌装去离子水和量子介质进行对比测试。本测试使用两个电加热套进行加热测试,总功率为3000W。

测试条件与规则

热源采用电外加热套加热,每个功率 0-1500 W,两个加热套总长度 130 mm

冷却冷却循环水,流量 500ml/分钟,冷却水套内径 51 mm,长度 140 mm

热管热管尺寸为 I.D Φ 26.6 x 800 mm,热管的横截面积 5.55 cm2

管材日本制株铁式会社出品的304不锈钢管

化学成分 C Si Mn P S Ni Cr N
% 0.035max 1.00max 2.00max 0.045max 0.030max 8.0~11.0 18.0~20.0 0.10~0.16

测试工质量子热管工质:量子液体 (1g 量子介质+100 ml 去离子水)
去离子水热管工质:100 ml 去离子水

充工质量热管内体积的 25%

测试角度0.3°

 

通过德国产电源控制器调节两个加热套的输入功率,确保两个加热套的输入功率一致。测试去离子水管,两个加热套的输入功率设置为350和400W ,则加热功率为700和800W;测试量子热管的加热套功率设置为350、400、700、1050和1400W,则加热功率为700、800、1400、2100和2800 W。采用红外线成像仪同时侦测电加热套温度、热管蒸发端和冷凝端的温度,采用安捷伦数据采集器记录冷却水套的进、出口水温度。

设定恒定加热功率测试热管的温差到 3 °C时或从电热套的传热温度曲线图分析到传热 明显恶化时,计算热管的最大输入功率(Q),测温点取点位置如图 2 所示。

图 2. 测温点分布图

计算公式

(1) 传热横截面积计算

热管传热横截面积:

介质传热横截面积计算:

(2) 工况温度的计算公式

其中, THeater 为量子热管(电加热套温度)工况温度(°C),T'Heater 为去离子水热管(电加 热套温度)工况温度(°C)。

(3) 热流密度的计算公式

其中,q 为热流密度(W/m2 ), Q为热流量(W),A为换热面积(m2),即热管横截面积。

(4) 热管总热阻计算公式

其中,R为热阻(°C/W),Twe, Twe 分别为蒸发段和冷凝段的平均温度(°C),Q为热流量(W)。

(5) 测试结果

量子热管和去离子水热管的加热功率为700W,分别使用红外线测温仪和安捷伦数据采集器记录热管和冷却水进出口温度,结果如图3所示。图中红色曲线代表加热套外表面的最高温度,TweTwe 分别为热管蒸发端和冷凝端的温度,具体取点位置如图2所示。热管电加热套温度(工况温度)如左侧图所示,加热端与冷凝端的温差,以及冷却水进出口温差如右侧小图所示。

图3. 去离子水热管与量子热管对比 700W vs. 700W

从图中可以看出:去离子水热管在测试过程第360-720s内,Twe与Twc的最大温差为1.5°C;
量子热管在测试过程第360-720s内,Twe与Twc的最大温差仅为0.8°C;
该结果表明:去离子水热管和量子热管在该测试条件下均可正常传热。
去离子水热管和量子热管的沸腾换热临界热流密度计算如下:

去离子水热和近场辐射热管的沸腾换热临界热流密度计算如下:

去离子水热管和近场辐射热管的热阻计算如下:

去离子水热管的热阻为R =

量子热管的热阻为R =

去离子水热管工况温度为:T' Heater = 176°C

量子热管工况温度为:T Heater = 174°C


图4. 去离子水热管与量子热管对比 800W vs. 800W

增加加热功率至800W,去离子水热管与量子热管数据对比如图4所示。从图中可以看出:去离子水热管在测试过程第360-720s内,Twe与Twc 的最大温差为4.3°C,表明去离子水热管传热开始恶化,从而确定去离子水热管正常传热的热流密度为700W; 量子热管在测试过程第360-720 s内,Twe与Twc 的最大温差仅为0.8°C,该温差表明量子热管在该输入功率下可以正常传热。

去离子水热和量子热管的沸腾换热临界热流密度计算如下:

去离子水热管和近场辐射热管的热阻计算如下:

去离子水热管的热阻为R =

量子热管的热阻为R =

去离子水热管工况温度为:T' Heater = 198°C

量子热管工况温度为:T Heater = 194°C


图5. 去离子水热管与量子热管对比 700W vs. 1400W

增加量子热管的加热功率至1400W,去离子水热管700W的数据对比如图5所示。从图中可以看出,量子热管在测试过程第360-720s内,,Twe与Twc的最大温差为1.4°C,该温差表明去量子热管在该输入功率下可以正常传热。

量子热管的沸腾换热临界热流密度为:

量子热管的热阻为R =

量子热管工况温度为:T Heater = 311°C


图6. 去离子水热管与量子热管对比 700W vs. 2100W

增加量子热管的加热功率至2100W,去离子水热管700W的数据对比如图6所示。从图中可以看出,量子热管在测试过程第360-720s内,Twe与Twc的最大温差为2.0°C,该温差表明去量子热管在该输入功率下可以正常传热。

量子热管的沸腾换热临界热流密度为:

量子热管的热阻为R =

量子热管工况温度为:THeater = 451°C


图7. 去离子水热管与量子热管对比 700W vs. 2800W

增加量子热管的加热功率至2800W,去离子水热管700W的数据对比如图7所示。从图中可以看出,量子热管在测试过程第360-720s内,Twe与Twc的最大温差仅为2.6°C,该温 差表明去量子热管在该输入功率下可以正常传热。

量子热管的沸腾换热临界热流密度为:

量子热管的热阻为R =

量子热管工况温度为:THeater = 580°C

测试结论

(1) 工况温度

加热功率为700W时,去离子水管加热套的(工况)温度为176°C;加热功率为2800W时,量子热管加热套的(工况)温度为580°C,同比去离子水管的加热套(工况)温度提高416%。(如下图所示)。

(2) 沸腾换热临界热流密度

去离子水热管沸腾换热临界热流密度为1.26 MW/m2(700 W); 量子热管沸腾换热临界热流密度为5.04 MW/m2(2800W),比去离子水热管增强。(如下图所示)。

(3) 热阻

输入功率为700W时,去离子水热管的热阻为0.0021°C/W,量子热管的热阻为0.0010°C/W,当输入功率增加至2800W时,量子热管的热阻为0.0009°C/W;去离子水热管的热阻是量子热管的2.3倍。(如下图所示)。