簡述全玻璃真空熱管試驗
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摘要：本文從吸熱、傳熱等方面計算了全玻璃真空熱管的吸熱、傳熱過程，吸熱保溫方面參照全玻璃太陽能真空集熱管的設(shè)計進行，傳熱方面借鑒重力熱管的設(shè)計，按管內(nèi)氣液兩項流，及連續(xù)液膜理論計算了管內(nèi)工質(zhì)的充灌量，在此設(shè)計基礎(chǔ)上加工了實驗樣品，并進行了相關(guān)的實驗，實驗數(shù)據(jù)和理論計算相差較小，證明設(shè)計的合理性，為后續(xù)的實驗研究和工程實例提供了很好的計算方法。
論文關(guān)鍵詞：全玻璃熱管,太陽能利用,熱虹吸熱管
1 引言
熱管是一種最有效的傳熱元件之一，它可以將大量的熱量通過很小的傳熱面積不需要外加熱源的情況下傳遞到較遠的地方，所以熱管一直很受人們的關(guān)注，熱管的種類也由原來單一形式發(fā)展到了現(xiàn)在的功能豐富，種類齊全的各種熱管，應(yīng)用領(lǐng)域也涉及到了航天、電子、化工等社會的方方面面。將熱管技術(shù)和太陽能結(jié)合起來，新型的真空管熱管用在太陽能熱水器中具有傳熱效率高、啟動快等優(yōu)點，而且生活用水經(jīng)集熱器的真空管，這樣能夠避免因真空管的破裂影響居民的正常用水，還可以有效地起到防凍措施，防止了真空管凍壞，太陽能資源豐富的廣大北方地區(qū)有很好的發(fā)展前景。本文介紹的是一種新型的全全玻璃真空熱管，這種熱管在具有熱管的以上優(yōu)點的同時還具有加工方便、造價低、安全可靠、傳熱快等優(yōu)點，是將來太陽能熱水器發(fā)展的方向之一。
2 全玻璃真空熱管吸熱及熱損失的計算
全全玻璃真空熱管的吸熱計算參照玻璃太陽能真空集熱器管的設(shè)計。全全玻璃真空熱管采用皇明公司生產(chǎn)的內(nèi)徑為keyimg147mm、外徑為keyimg258mm、管長為2100mm的真空管加工而成，熱管內(nèi)保證一定得真空度，具體的如下圖1所示
圖1 全玻璃真空熱管結(jié)構(gòu)圖
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全玻璃真空熱管的吸熱量用PJ表示，
PJ=αG1.43A0
式中α為膜層吸收比（取0.94）
A0為內(nèi)管投影面積
G為太陽輻照度
�、迫Ａд婵諢峁軣釗p失的計算
根據(jù)傳熱學(xué)可知全全玻璃真空熱管熱損失主要由三部分組成：輻射傳熱、傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱。由于在分子流狀態(tài)下，已不存在氣體的對流傳熱，因此，全玻璃真空熱管熱損主要由輻射傳熱引起熱量損失，其次為傳導(dǎo)傳熱引起的熱量損失。具體的從以下6個方面來考慮：
1)全玻璃真空熱管涂層輻射熱損：
ULT =A1ε1σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A1為涂層面積；
ε1為涂層和外管的有效發(fā)射率；
σ為玻爾茲曼常數(shù)（σ=5.67×10-8）；
A為內(nèi)管的外表面積；
T1 為內(nèi)管外壁溫度，T2為外管內(nèi)壁溫度。
2)全玻璃真空熱管管口無膜部分的輻射熱損：
ULT =A2ε2σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A2為無鍍膜部分內(nèi)管的面積；
ε2為內(nèi)外管的有效發(fā)射率，即ε2=1/（1/0.85+1/0.85－1）；
σ為玻爾茲曼常數(shù)（σ=5.67×10-8）；
A為內(nèi)管的外表面積；
T1 為內(nèi)管外壁溫度，
T2為外管內(nèi)壁溫度。
3)全玻璃真空熱管無膜部分管口的傳導(dǎo)熱損：
ULT =A3K1/ A L1
式中A3為外管的橫截面積；
K1為玻璃導(dǎo)熱系數(shù)
A為內(nèi)管的外表面積；
L1為無膜部分長度。
4 )全玻璃真空熱管管吸氣劑輻射的傳熱：
ULT =A4ε4σ（T14-T24）/A(T1-T2)
式中A4為鏡面的面積；
ε4為內(nèi)管向外管的有效發(fā)射，
σ為玻爾茲曼常數(shù)
A為內(nèi)管的外表面積；
T1 為內(nèi)管外壁溫度；
T2為外管內(nèi)壁溫度。
5)全玻璃真空熱管不銹鋼卡子的熱損：
ULT =A5K5（1/L5+1/ L6）/A
式中A5為不銹鋼支架的橫截面積；
K5不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)
A為內(nèi)管的外表面積；
L5 、L6為支架支撐點與外管間距離。
6 )全玻璃真空熱管真空夾層的熱損：
ULT =K0PAeffA6/A
式中A6為涂層面積；
K0自由分子傳導(dǎo)系數(shù)（K0=4.23×10-5w/m·k）；
Aeff為有效適應(yīng)系數(shù)，即Aeff取0.60；
P為真空夾層的壓強（P=5.0×10-4Pa）；
A為內(nèi)管的外表面積
7)全玻璃真空熱管總熱損：
ULT = Q1+ Q2 +Q3+Q4 +Q5 +Q6/A（T1-T2）=0.642 w/m2℃
式中Q為集熱管各部分輻射傳熱。
A為內(nèi)管面積；
T1 為內(nèi)管外壁溫度，
T2為外管內(nèi)壁溫度，
散失功率PS :
PS= ULT*A*（T3-T4）
集熱管有效功率
PY= PJ- PS
通過計算可知PY為115.3652w，考慮在理想的狀態(tài)下，這部分能量都來自水的氣化潛熱，設(shè)定水在80℃被汽化，該溫度下的汽化潛熱是2308
（汽化潛熱在80℃—150℃范圍內(nèi)變化不是很大，對計算結(jié)果影響不是很大）則需要0.05g的水
3.熱管中工質(zhì)的充灌量
全玻璃真空熱管中工質(zhì)的充裝主要由四部分組成：熱管內(nèi)部空間充滿的工質(zhì)蒸汽；及加熱段和冷凝段的液膜部分；加熱池中的池液部分（考慮到玻璃熱管的充液量很小，在此忽略該項）；水汽化的部分。這是一個復(fù)雜的混合過程，在這里只考慮液膜部分、熱管中的蒸汽部分、水汽化放的那部分。
�、乓耗げ糠值挠嬎悖耗ず穸扔嬎闶且粋�很復(fù)雜的過程，目前世界上也沒給出精確的計算方法，在此采用了Nusselt提出的液膜厚度理來進行計算，該理論的前提給出了很多的假設(shè)條件，所以就算后的結(jié)果要進行系數(shù)修正：
H=0.295Re0.498(keyimg52/g)1/3
H代表液膜厚度；
代表物體的運動粘度；
Re是液膜的雷諾數(shù)；
g 物體的密度；
對應(yīng)液膜質(zhì)體積V2=H*A*
V2=4.744124653e-5*0.2752*0.97182=12.68g，一個大氣壓下對應(yīng)12.68ml
試驗中全玻璃熱管中沒有形成連續(xù)的液膜、雷諾數(shù)的取值時經(jīng)驗取值，這就需要對這個數(shù)進行修正，根據(jù)多次的實驗對這個值進行系數(shù)修正，用
表示修正系數(shù)，這里取0.2，這樣得出液膜的實際量是2.536g。
⑵熱管中的蒸汽的量
假設(shè)熱管中充滿蒸汽，根據(jù)熱管的體積，和蒸汽的密度來計算出熱管中的蒸汽量。
V=
r2L=3.1415926*0.00047961*2.1=0.003161m3
熱管內(nèi)蒸汽120℃飽和蒸汽密度=1.121㎏/m3
所以對應(yīng)的量V3=V*=3.54g對應(yīng)的標(biāo)況下3.54ml
所以應(yīng)添加的工質(zhì)應(yīng)該為V=V1+V2+V3=0.05ml+2.536mlg+3.54ml =6.126ml
4.全玻璃熱管性能試驗
在上面計算的結(jié)果的基礎(chǔ)上對全玻璃熱管進行了加工，試驗，試驗采用了上面提到的充灌量，采用純水作為了熱工質(zhì)進行了實驗，試驗的結(jié)果分析圖下圖2所示
5.結(jié)論
通過上面的計算和試驗看出這種假設(shè)計算出的工質(zhì)充灌量比較接近實際的充灌量。該種計算方法簡潔，更適合工程、試驗方面的計算，設(shè)計的出來的熱管效率高，穩(wěn)定性好，熱啟動快。通過該種方法的計算，為全玻璃熱管的實驗研究提供了原始的計算模型，為今后的實驗研究提供了很好的依據(jù)。
參考文獻
(1)第五屆熱管會議文集第60頁
