一、實驗目的
⒈了解換熱器中熱管的結(jié)構(gòu)及工作原理；
⒉學習玻璃熱管換熱器實驗臺的使用方法；
二、實驗臺工作原理
熱管是一種新型、高效的傳熱元件。在管殼內(nèi)壁不放置毛細吸液芯，依靠重力回流凝結(jié)液的熱管稱為重力熱管（或兩相熱虹吸管）。重力熱管的工作介質(zhì)積蓄在熱管的底部，蒸發(fā)段處于熱管下半部，凝結(jié)段在熱管的上半部，絕熱段在中間，當熱源向蒸發(fā)段（又稱吸熱段）供熱時，工質(zhì)液體自熱源吸熱汽化，蒸汽在壓差的作用下高速流向凝結(jié)段（又稱放熱段），在凝結(jié)段向冷源放出汽化潛熱而凝結(jié)成液體，凝結(jié)液體從凝結(jié)段返回蒸發(fā)段，完成一個循環(huán)。如此循環(huán)不停，熱源的熱量Q就不斷地由熱管的一端傳至另一端，放給冷源。當熱管正常工作時，其內(nèi)部進行著工質(zhì)液體的蒸發(fā)、蒸汽的流動、蒸汽的凝結(jié)和凝結(jié)液的回流等四個工作過程，這四個過程構(gòu)成了熱管工作的閉合循環(huán)。
在熱管的工作循環(huán)中，包含了兩個相變過程：工作液體的蒸發(fā)和蒸汽的凝結(jié)。這兩個過程分別在蒸發(fā)段與凝結(jié)段進行，如忽略蒸汽流動所需的微小壓差，則熱管內(nèi)部應處于一個相平衡狀態(tài)，而工質(zhì)的相變過程具有極嚴格的飽和壓力與飽和溫度間的依變關(guān)系，所以理論上熱管兩端的溫度是相等的。但由于蒸汽的流動必須有壓力差的推動，盡管微小的壓差也將推動蒸汽由蒸發(fā)段向凝結(jié)段流動，也不可避免的使蒸發(fā)段與凝結(jié)段間存在一定溫差。在大多數(shù)熱管中，這個與工作介質(zhì)循環(huán)有關(guān)的溫差和其他傳熱方式相應的溫差相比是很小的，即它能在低溫差下傳遞熱量。
由上述可知，熱管是借助于工質(zhì)的相變過程，通過工質(zhì)攜帶相變潛熱來傳遞熱量的。與 通過物質(zhì)顯熱的增減來傳熱相比，熱管傳熱能力就非常大，如1kg水在常壓下的汽化潛熱量2257.1kJ/kg，幾乎相當于5.4kg水從0℃加熱到100℃水所需的總熱量。所以說，熱管能在小溫差下具有很大的傳熱能力。
在蒸發(fā)段熱管從熱源吸取熱量，在這一區(qū)段中工質(zhì)由于吸熱而蒸發(fā)，所以從熱管內(nèi)部工作過程來分析為蒸發(fā)段；從與外界熱交換情況來分析為加熱段；在絕熱段 工質(zhì)蒸汽攜帶汽化潛熱流過這一段，從內(nèi)部工作過程來分析也叫做傳輸段；在凝結(jié)段熱管向冷源放出熱量，在這一區(qū)段中工質(zhì)蒸汽向冷源放出相變潛熱而凝結(jié)成為液體，所以從熱管內(nèi)部工作過程來分析為凝結(jié)段，也稱冷凝段；從與外界熱交換情況來分析又稱為放熱段。在三個工作段中，蒸發(fā)段與凝結(jié)段是必不可少的，而絕熱段視設計需要可有可無，在實際應用的熱管結(jié)構(gòu)中，沒有絕熱段的情況是常常會遇到的。
與具有毛細吸液芯的標準熱管相比較，重力熱管不是靠毛細吸液芯而是靠重力回流凝結(jié)液，這就決定了重力熱管的工作條件必須使凝結(jié)段高于蒸發(fā)段，可以垂直放置，也可與水平成一傾角放置，與多孔物質(zhì)的毛細抽吸力相比，用重力回流凝結(jié)液工作更加可靠。
常見的重力熱管有開式重力熱管的型式，這種熱管外殼不封閉，與外界相通。這種熱管由于工質(zhì)蒸發(fā)后向上流動可以把管內(nèi)的不凝性氣體排出熱管，其凝結(jié)過程不受不凝性氣體的影響，所以制造中管殼不需要特殊處理，從而降低了熱管的制造成本。但是由于部分蒸汽從開口處外逸出，改變了換熱方式，所以其換熱能力會略小于同樣的條件下的閉式重力熱管。本實驗裝置就是模擬溫度在100℃、工質(zhì)為水的開式重力式中溫熱管。由于水是最理想的工質(zhì)，它性能優(yōu)良，價格便宜，易于得到，所以這種熱管大部分用于工業(yè)余熱的回收。
三、實驗臺結(jié)構(gòu)
玻璃熱管換熱器實驗臺由玻璃熱管換熱器、電加熱器、電控箱、流動的冷水換熱外套、循環(huán)水泵、水箱、加熱段、冷凝段、冷凝進出口溫度測溫熱電偶及調(diào)溫裝置等組成；由于玻璃容器所具有的透明性，能觀察到熱水沸騰和冷水的流動，可使學生充分了解熱管換熱的原理。
工作時由電加熱器加熱蒸發(fā)段中的工質(zhì)使之沸騰，產(chǎn)生的蒸汽上升至冷凝段由流動的冷水吸熱后冷凝，成為液體工質(zhì)返回到蒸發(fā)段。通過對冷水進出口溫度的及蒸發(fā)段蒸汽溫度值的測讀，可以觀察熱管換熱器的換熱量。
四、實驗步驟
⒈將熱偶、電加熱器、水泵與電控箱聯(lián)接。
⒉啟動水泵，使循環(huán)水通過流量計(流量控制在6L/h左右)進入熱管冷凝段水套。
⒊接通電熱開關(guān)，并將調(diào)溫旋鈕調(diào)整加熱電壓在75V，加熱電流0.98A左右。
⒋加熱至蒸發(fā)段沸騰，待工況基本穩(wěn)定后，切換測溫點，測讀冷凝段冷凝介質(zhì)進出溫度、加熱電壓和加熱電流,將數(shù)據(jù)填入下表中。
⒌實驗中可改變冷卻水進出口流量與加熱電壓，以改變工況進行測試。
⒍實驗結(jié)束后，旋調(diào)溫旋鈕至電壓為零，使水泵繼續(xù)運轉(zhuǎn)5分鐘，再切斷電源。
六、操作注意事項
1.不可在蒸發(fā)段缺水的情況下加熱。
2.加熱前應先啟動水泵使冷水循環(huán)。
3.加熱時應逐步緩慢加熱，使加熱量與冷凝水的所吸收的熱量基本平衡，這樣在蒸發(fā)段不會產(chǎn)生過多的蒸汽，因此蒸發(fā)段上部的膠塞不得按壓過緊，以免因加熱量太大影響蒸汽的外逸，以致?lián)p壞試件。
