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1、- 3 2 7 - 两相闭式热虹吸管又称重力热管， 简称热虹吸管，其结构及工作原理如下 图所示。与普通热管一样，利用工质的 蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加 动力而工质自行循环。但与普通热管所 不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液 从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产 生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重 力，因此热虹吸管的工作具有一定的方 向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方， 这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到 蒸发段。所以热虹吸管是只能沿一个方 向( 由下而上) 传热的热二极管。 由于热虹吸管内没有吸液芯这一重要 特点，所以和普通热管相比较，不仅热 阻小，热响应快，结构简单、制造方 便、成本低
2、廉，而且传热性能优良、没 有毛细极限的传热限制、工作可靠，因 此在地面上的各类传热设备中都可作为高 效传热元件，其应用领域与日俱增，已 各行各业的热能综合利用和余热回收技术 热虹吸管换热热阻分析 吴和英 华东交通大学高职学院机电工程系 3 3 0 0 0 0 摘 要 通过对热, 阻及其产生原因的分析, 为减小热阻, 提高热管的传热效率, 提供理论依据 关键词 热虹吸管; 热阻; 分析 中，发挥了巨大的优越性。缺点是蒸发 容器较小或热流较大时，池态沸腾时会 产生大量气泡，将工质直接喷射到冷凝 端，使得传热方式由潜热变为显热，从 而使传热性能显著降低，这就是两相闭 式热虹吸管特有的淹没现象, 严重
3、时还出现 干涸极限。 和有芯网的热管相比，热虹吸管以 液池( 膜) 对流沸腾传热热阻取代了毛细芯 的传热热阻，从而大大降低了热虹吸管 的内部热阻。从热源到冷源间的热量传 输过程由下列七个环节组成: ( 1 ) 、 热源与热管蒸发段外壁间的换 热过程; ( 2 ) 、 热管蒸发段固体壁的导热过程; ( 3 ) 、 热管蒸发段的蒸发( 沸腾) 换热过 程 ; ( 4 ) 、 热管蒸发段到凝结段间蒸汽的 流动过程; ( 5 ) 、 热管凝结段的凝结换热过程; ( 6 ) 、 热管凝结段固体壁的导热热阻; ( 7 ) 、 热管凝结段外壁与冷源间的换 热过程。 下面对各个环节中换热热阻进行分析: ( 1
4、 ) 热源与蒸发段外壁间的换热热阻 R 1 。这个传热环节对热管来说是外部过 程， 实现这个环节可以是导热、 对流和辐 射中的一种或两种方式。 在太阳能热水器 的热转换过程中， 这个环节是辐射换热。 设热管蒸发段外壁面积是A e 0 ， 外壁 面与热源间的换热系数为h 0 ， 则热阻R 1 可 按下式计算: R 1 =/ W ( . A e 0 = d 0 L e 为蒸发段外壁面积, L e 为蒸发段长 度) 。 ( 2 ) 热管蒸发段固体壁的导热热阻R 2 , 在一般情况下，因为热管的壳体都是金 属，而且比较薄，多为圆管状，所以这 个导热环节的特性较固定，也较简单。 其 热 阻 R2可 按
5、下 式 计 算 : / W 式中: 为管壁 材料的导热系数，W / ( m ) ; 对 d i 热 管内径为 8 m m ，d 0 外径为 l 0 m m ，L e = 1 . 3 8 m 的热管，计算 R 2 时，先查得铜的导 热系数入为 3 9 8 W / ( m / ) ，则可按 式计算: R 2 = 6 . 5 1 0 5 / W ( 3 ) 热管蒸发段的蒸发( 沸腾) 换热热阻 R 3 。这是一个相变过程，蒸发( 沸腾) 换 热强度相当高。设其换热系数为h e ，则 热阻R 3 可按下式计算: R 3 =式中: A e i . 一热管蒸发段内 壁面积， A e i = d i L e
6、 对上述热管, A e i = d i L e = 3 . 1 4 0 . 0 0 8 1 . 3 8 = 0 . 0 3 4 7 m 2 ， 设其蒸发换热系数为3 0 0 0 W / ( m ) ， 则: ( 4 ) 从蒸发段到凝结段蒸汽流动换热热 阻R a 。 在热管内部空腔里的蒸汽流动过 程是借助于蒸汽分子的质量传输而实现热 量传输的。由于流动压差很小，所以两 段间的温差很小，在大多数情况下，可 以认为是等温的。测量表明，正常的热 管两端的蒸汽温度几乎没有差别。所 以，热阻 R a往往可以忽略。 ( 5 ) 凝结段的凝结换热热阻。 这是一 个相变换热过程，凝结换热的换热强度 也是相当高。
7、 设其换热系数为h c i , ， 则热 阻R 5 。 可按 R 5 =( 式中A c i = d i L c 为热管凝结段内壁面积， L c 为热管凝结段 长度) , 对于上述热管， 若放热段长度L c = 0 . 1 2 m ， 凝结放热系数h c = 6 0 0 0 W / ( m ， 则: R 5 = 5 . 5 1 0 - 2 / W ( 6 ) 热管凝结固体壁的导热热阻R 6 。 与蒸发段壁面的导热热阻同理， 是一个较 固定、 较简单的导热环节。 其热阻可按下 式计算: 下转第3 0 8 页 - 3 0 8 - 中国科技信息2 0 0 6 年第1 1 期 C H I N A S C
8、 I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N J u n . 2 0 0 6 科技教育创新 还开设了“P R O / E ”精品课程园地，课 程的大部分教学资源（课程标准、教学 计划、电子课件、习题集等教学资源） 向网上发送供学生参考。随着学生自学 能力的增强，讲课进度逐渐加快，留给 学生的内容更多，这样不仅减少了课 时，而且也使学生学到更多知识，增强 学生的独立学习能力，也增强了学生适 应社会的能力。 3 互动式教学， 培养思维表达能力 思维表达能力是其他任何能力的突破 口，它要求人们要多动脑筋，勤于思 索，善于分析。启
9、发学生思维的方法可 选择：变序训练思维的多向性；抓 点训练思维的聚焦性；求异训 练思维的发散性；求同训练思维的 迁移性；设疑训练思维的创见性。 教师在课堂上把P R O / E 课程中一些 富有启发性问题编成思考题，让学生独 立思考，再组织学生讨论，引导学生深 入思索，使学生更深刻地理解和应用所 学知识。鼓励学生将课本案例或习题上 台讲解并提出他在预习中遇到的问 题，大家一起解决，最终老师给出结 论。通过几次尝试，学生的积极性有所 调动，课堂气氛活跃了许多。上台讲解 既能锻炼学生的表达能力，又能使教师 了解学生对知识的掌握程度。这不仅可 以使学生能高质量地完成学习任务，而 且还可以使学生综合素
10、质得以提高。 4 加强实训环节，培养操作能力 人的能力是在实践中形成的，是实 践实现了由知识到能力的转化。培养合 格高职学生，更应该注重学生动手操作 能力的培养。 P R O / E 是一门实践性 非常强技能课程，因此要使学生对每一 项技能操作要求领理解到位，首先在课 堂上要注意抛砖引玉的作用，案例启发 式教学，让学生尽快掌握基本的知识点 并同步练习。其次，要改革实验教学内 容，增加综合性实例。以行业标准编写 实训指导书与试题库，让学生在实训过 程中进行大量实例训练。第三，深入社 会实践的，带学生到企业一线进行观察 性实习实训，了解各种各样产品的生产 过程和功能。第四，组织学生成立“计 算机辅
11、助 C A D ”协会，开展“P R O / E 产品造型制作” 作品大赛， 帮助更多的学 生掌握好“P R O / E ”的专业技能。 促进教 学与实践紧密结合。 第五， 将考证与考试 合二为一， 以行业标准来强化学生的操作 能力， 为企业选拔优秀人才。 5 树立创新观念， 培养创业创新能 力 为适应高职教育发展， 必须改革培养 模式， 要求教师打破常规， 敢于标新立异， 倡导学生开展创业实践， 鼓励学生参加科 技咨询活动， 让学生有机会进行思想火花 交流， 激发他们的求知欲和探索精神。 在 创造思想中， 要特别注意求异和反向思维 能力培养 ； 要培养学生创新与思考能力， 在整个三年的专业教
12、学环节中就要注重如 下的训练 ： 首先， 安排学生在实习工厂进 行实际锻炼。 目的是让学生感受所学专业 的职业特点、 工作内容及能力要求。 其次， 进行首轮理论教学环节。 按岗位能力要求 安排相关理论教学， 并且专业理论知识的 讲授应占主要部分。 第三， 进行第二轮实 习实训环节。 要求学生在实际职业岗位上 动手操作， 深刻地体会理论与实践的关系。 第四， 进行第二轮理论教学环节。 目的是 进一步训练学生综合职业能力， 为学生进 一步深造打好基础。 三、教学改革结果分析 通过一年的课程建设和改革，学生 的学习积极性、主动性有所增强。考试 采取教考分离。精品课程建设前，2 0 0 2 级P R
13、O / E 考试 3 0 6人，平均分数 5 1 . 1 分，及格率 5 2 % ，试卷是任课教师 命题。2 0 0 3级P R O / E 参考 5 3 7人 平均分数 8 4 . 5 分，及格率 9 9 % ，即平均 分数比建设前提高了3 3 . 4 分， 及格率提高 4 7 个百分点，学生人数增加了，又实行 了教考分离，统一流水评卷，可见教学 效果明显提高。 P R O / E 课程建设和改革主要有 以下三点特色： 1 .案例教学 确立学生是教学的主体地位，通过 丰富多样的工程常见案例使抽象的理论直 观化、形象化，使概念与理论在应用中 得到深入的认识。 2 培养学生的工程应用能力 根据工
14、程应用能力的需求，通过精 选、融合、贯通，有机整合编写适合高 职高专学生使用的P R O / E实用教程 教材，在“少而精” 、 “博而通”的 处理上比较适中，为满足高职高专教育 对人才所需知识、能力和素质结构的要 求还编写了扩充性的实训指导书。 3 编写符合技能考证要求试题库 重视理论与实践的结合，编写一套 参考文献 邓泽民C B E理论与在中国职教中的 实践 M 北京：煤炭工业出版社. 1 9 9 5 袁贵仁W T O 与中国教育发展 M 北京：北京理工大学出版社. 2 0 0 1 毕淑芝当今世界教育思潮 M 北 京：人民教育出版社，1 9 9 9 武士勋, 张海燕, 邓西录. 高职学生综
15、合 能力培养及其实施方案. 2 0 0 6 . 与课程体系密切配合的实训指导书和试题 库，加强实践教学体系，以行业技能考 证要求进行教学，全面的工程应用训 练，激发了学生学习的兴趣与潜能、真 正达到岗位能力的需求。 ( 7 ) 热管凝结段外壁与冷源间的换热热 阻R 7 , 和热管蒸发段外壁与热源间的换热 环节同理， 是一个外部换热过程， 可以是 导热、 对流和辐射三种方式中的任何一种 或两种。 在太阳能热水器的热转换中， 这 一环节是对流换热。 热阻R 7 可按下式计 算: R 7 =式中: h f 一凝结段外部热系 数; A c 0 为热管凝结段外壁面积， A c 0 = d 0 L c (
16、 8 ) 蒸发段壳壁至凝结段间的轴向导热 热阻R g 。 由于热管壳壁一般很薄， 常用壳 体材料， 即使是金属， 其R 7 的值与其它环 节热阻相比， 数量级要大的多， 所以往往 可视? 即在一般进行热管传热计算时， 这部分传热量是可不予考虑。 综上所述，R 1 + R 7 为热管外部热阻 ，R 2 、R 3 、R 4 、R 5 、R 6 为热管内部热阻， 一般情况下热管内部热阻同外部热阻相比 是很小的， 所以传热的主要矛盾在外部环 节。 因此在设计热管时， 为减小热阻 ： 1 . 外 表面肋化, 增大传热面积， 2 . 增大外表面的 风速等措施， 改善外表面的换热状况。 上接第3 2 7 页 参考资料 1 , 罗运俊等. 太阳能利用技术. 化学工业出 版社 2 , 庄骏, 张红. 热管技术及其工程应用. 化学 工业出版社
