热管对片式散热器散热能力影响的研究

　　热管是较有效的传热元件之一，它可以将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输，无需外加动力。其原理是通过管内工作介质的相变所产生的潜热来传递热量。热管的当量热导率可达金属的数百倍，因此热管有着广阔的发展前景。

　　片式散热器是目前变压器用的主流散热器，其工作过程是高温变压器油进入到片式散热器内，热油在片式散热器的翅片间靠自然风力冲刷作用进行冷却，冷却后的变压器油进入变压器内，如此芫成一个循环。由于高温的变压器油对片式散热器具有很强的腐蚀性，片式散热器的使用寿命会大大降低。因此，用一种合理有效的方法来提高片式散热器散热量从而降低变压器油温，对于延长变压器以及散热器的使用寿命有着重要的意义。本文所述试验利用热管来改进自然油循环冷却片式散热器的冷却结构，以提高其冷却效率。

　　2试验研究方法21试验方案试验中对带热管的片式散热器与不带热管的式散热器在50K温升时的额定散热量为5000W.按照油浸变压器的发热情况以及散热器的具体尺寸，试验设计了油箱，用来模拟变压器油箱与散热器的连接，油箱结构如所示。

　　试验采用碳钢-水热管，根据片式散热器管道的尺寸与形状，热管设计为L型，热管加热段为光管，冷凝段翅片为环翅，加热段水平放置，冷凝段垂直放置。热管参数见表1.热管放置在片式散热器进油口的位置，原因是进油口的温度比较高，有利于热管的散热，而且热管加热段表面的吸热还扩大了换热面积，并提高了传热系数，从而达到强化换热的目的，试验连接如所示。对比试验使用了能模拟变压器内部绕组损耗的发热装置。为了准确测量片式散热器和热管在50K温升时的散热量，试验前用黑色保温棉将油箱包裹住以减少试验中油箱的散热量。并将该试验装置放置于大房间内，关闭门窗以减少外界环境的影响。

　　为了得到两种片式散热器的散热性能情况，试验装置中采用了调压器和电流互感器来调节发热元件的功率参数，借助功率表可保证每档工况下两组散热器所承担的功率相同，电加热管电路连接见片式散热器在散热能力上进行对比。试验使用的片也如在片式散热器的进油口处市置了3根铜康铜电源调压器输入端输出端电流互感器一次端二次端电压表加热管1加热管2油箱结构图表1重力热管的技术参数长度/m直径/mm壁厚/mm加热段长/mm1.8252700翅片高/mm翅片厚/mm翅片间距/mm冷却段长/16.21.551000电加热管的电路连接示意图每120度放置一个支架，托盘高度调整到整个系统高度的三分之二处，将与油箱时间常数相同的油杯放在支架的托盘上，通过这3个油杯内温度的平均值来测量环境温度。

　　2.2数据测量和处理方法通过连接的功率表读数可看出，由于电压存在波动，通过调压器使得发热元件在每组工况中输入相同的功率。首先测量的是变压器油箱在油温升50K时的散热功率，当变压器的油温差在连续3h内波动不超过1C时，则认为试验达到平衡状态，并开始用HP34970A数据采集仪每隔1min记录数据，连续记录1h后结束试验。然后将变压器油箱与散热器相连接，并测量油温升在50K时的散热功率，判定平衡的条件与记录数据的方法同上。后将热管装入片式散热器中，测量整个散热装置在温升50K的总散热功率。

　　试验中测量油温度的方法是将端头封闭的铜管直插入片式散热器进油口处，铜管中充满了油，将3根热电偶深入铜管中。这样热电偶所测得的温度并非管道中油的真实温度，但考虑到铜的导热系数很大，所测温度差很小。同时通过3个油杯内温度的平均值来测量环境温度。两者的温差就是变压器油温升，并以此来判定试验是否达到平衡。

　　所有测温的热电偶都经过501型恒温水箱的标定。温度测量系统经过标定后，测量精度达到0.1C.后将热电偶测量数据与标准数据制作成图表，以方便应用插值法来处理测量数据。

　　所有工况的充油量在油箱内均保持在同一高度。

　　热电偶，来测量进口油温。在油箱内布置了一个热电偶以观察油箱内的温度是否超出安全范围。考虑到油的时间常数以试验系统周围的地方为圆3试验结果及分析试验数据名称温差/K电压/V电流/A功率/W数值50.2124.803.8474.24表3油箱与片式散热器的试验结果名称固定加热功率/W温差/K电压/V电流/A功率/W总散热功率表4油箱与带单根热管的片式散热器的试验结果名称固定加热功率/W温差/K电压/V电流/A功率/W总散热功率表5油箱与带4根热管的片式散热器的试验结果名称固定加热功率/W温差/K电压/V电流/A功率/W总散热功率名称片式散热器单根热管4试验数据见表2、表3、表4和表5.利用试验数据可以计算出如下项目一是片式散热器在额定温升50K时的散热功率；二是测量单根热管在温升50K时的散热功率；三是测量4根热管在温升50K时的散热功率。计算结果见表6.表2油箱的试验结果32结果分析对比试验的结果表明，加入单根热管的片式散热器比普通的散热器的传热量要大52，而加入4根热管的片式散热器却比普通的散热器的传热量要大31，说明热管的散热量与热管的数量并非呈线性关系。这是因为加入热管后由于进入散热器的油量变化不大，而管道内的油流动空间的减小导致了油流速的加大，使热管加热段的对流换热系数提高，同时热管吸热段的效率也随之增加，因此热管的散热性能大幅度地提高。如果采用风冷的方式，减小空气热阻，带热管的片式散热器的传热效果还会大幅度地提局。

　　由于电压波动影响和环境温度的不断变化，不能保证各组工况的油温升都保持在50K，试验存在误差，但各组工况的温升的波动范围均小于0 5K，试验结果真实可信。

　　33经济性分析从热管与片式散热器的散热率比较来看，片式散热器的散热面积大约为12.85m2左右，根据设计热管的散热面积每根大约在0.8m2左右。因此，单位面积上片式散热器的散热量是389.1W/m2，而热管的为468.8W/m2.从经济性上来看，热管的价格在11000元/吨左右，片式散热器的价格在3000元/台左右。因此片式散热器每散出1 000W的热量需要600元左右，而4根热管的价格在500元左右，每散出1000W的热量需要300元左右，成本大约是片式散热器的一半。

　　4结论通过试验，研究了热管对片式散热器散热特性的影响。试验表明，带4根热管的片式散热器比普通片式散热器的散热功率要提高30左右。从技术角度考虑，热管的强化换流效果更有利于降低变压器的油温，提高片式散热器与变压器自身的使用寿命。

　　从经济角度考虑，使用热管的片式散热器对变压器油进行冷却，价格也会相对便宜。热管使用年限大概在15年左右，且易于拆卸，热管散热器的维护也很方便，该试验为热管在片式散热器上的使用以及制造方面提供了理论支持和试验数据。