一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法与流程

本发明涉及农业耕耘机械技术领域，具体是一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法。

背景技术：

犁胸是摆式犁体重要的耕作部件，而胫刃区是犁胸最关键的工作部位。当摆式犁田间作业时，胫刃的主要作用是将犁铧移来的土壤继续进行破碎和翻转，此时，土壤因原有结合力的联系破坏而变形、破裂；胫刃区也会因土壤、砂石的反复扰动和凿削作用，诱发耕犁损伤：形成塑性变形冲击坑、造成微区冷作硬化、出现磨屑剥落，对犁体的切削寿命和使用性能影响较大。研究人员在选取新疆沙粘土为研究对象，对复杂耦合外场耕作条件下，摆式犁体上温度场的分布变化、犁体-土壤相互作用状况，分别进行了深入的数值计算和实验研究。结果证实，局部高温、土壤流变对犁体面的凿削作用与犁体的耕犁损伤程度密切相关。因此，我们提出“降低摆式犁犁体作业区温度，减少土壤流变对犁体损伤区的凿削耦合作用”来延长犁体切削寿命的新方法。

热管是一种一端靠近热源，另一端靠近温度较低区域，以较小温差传输热量，而无需外加动力的组件。其最大优点在于：传热效率极高、工作温度范围广(-2000℃～2000℃)、性能安全可靠；价格便宜、形状多变、且位置布置灵活；因而被广泛地应用在机械、宇航和铁路等领域，但是，目前热管在农业耕耘机械领域中的应用却鲜有报道。

热管是一种传热元件，热管工作时，外部热量传入其蒸发段；管内工作介质由此汽化，将热量传至冷凝段，且释放出热量；蒸汽在冷凝段液化，并在管内毛细力的驱动下回流至蒸发段。热管正是在上述汽-液相变不断反复转化的作用下，实现传输热量的性能。但是要实现热管在摆式犁中的高效传热性能，确定其在耕作环境下的等效传热系数非常关键。

目前确定热管等效传热系数的方法主要有热阻法、公式法。热阻法，计算过程复杂；公式法，精度较低。更为重要的是，上述两种方法确定的热管热阻均未考虑具体的实际使用环境，最后得到的数据在实际工作中参考性不大。

因此，需要一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法，来获取可靠的性能参数，以计算出热管在真实土壤环境下的等效传热系数。

技术实现要素：

本发明提供一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法，为计算热管在真实土壤环境下的等效传热系数，提供可靠的性能参数。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法，包括如下步骤：

s1、调节土壤含水率：取适量江淮土壤进行烘干一段时间后，测量其含水率，通过继续烘干或者加水的方式调节其含水率，使其实际含水率接近新疆土壤的含水率；

s2、测试热管的极限热功率pmax：包括如下步骤：

a、首先，将热管的蒸发段、冷凝段分别连接温度采集模块以采集其温度；然后，将热管嵌入犁胸中，犁胸的制作材料为合金钢；犁胸紧密接触加热块，加热块的制作材料为紫铜；然后，接通逆变直流电阻焊接电源对加热块加热，并通过电阻调节的方法控制加热量；最后将整个装置放置在步骤s1中的新疆土壤中；

b、接通逆变直流电阻焊接电源，加热加热块，将热量传递到犁胸，并以此进一步传递到嵌入犁胸中的热管的蒸发段。加热块的起始加热功率为p0，加热800s后，若热管蒸发段的温度趋于恒定，但没有达到热管的极限热功率pmax时，待热管冷却到室温后，在加热块起始加热功率p0的基础上，每次增加5w再进行测试，直至达到热管的极限热功率pmax；若热管蒸发段的温度不能趋于恒定，待热管冷却到室温后，在加热块起始加热功率p0的基础上，每次减小5w再进行测试，直到获取热管的极限热功率pmax。

c、重复实验步骤a到步骤c三次，取三次热管的极限热功率pmax平均值；

s3、测试热管最佳传热功率下的蒸发段和冷凝段的温度：获取热管的极限热功率pmax值后，再对热管加热至0.7pmax，并记录此时热管蒸发段和冷凝段的温度th和tc；0.7pmax是热管的最佳传热功率，其中，0.7是逆变直流电阻焊接电源对加热块加热的热效率；

s4、测量并计算热管横截面积a；

s5、根据公式keff＝μ·λ·pin·l/[(th-tc)·a]计算热管在新疆土壤中的等效传热系数keff；其中，keff为等效传热系数；μ是加热块传递热量给犁胸的热传递效率，其值为75％；λ是逆变直流电阻焊接电源对加热块加热的热效率，其值为70％；pin是热管的最佳传热功率，pin＝0.7pmax；l为热管的长度；th与tc是对热管加热pin功率后，热管蒸发段和冷凝段的温度；a是热管的横截面积。

优选的，温度采集模块通过两根k型热电偶测温线与热管蒸发段、冷凝段连接。

优选的，温度采集模块将采集的温度信号传输给计算机。

优选的，步骤s3中，所述极限热功率pmax是在热管的冷凝段处于空冷条件下测得。

优选的，步骤s3中，所述极限热功率pmax是在热管的冷凝段紧密连接冷却块的条件下测得，所述冷却块为铁块、铝块或铜块。

本发明的有益效果在于：

本发明借助江淮土壤，通过配比的方法制作新疆土壤，并以此提供一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1：本发明实验平台示意图。

图2：本发明热管在空冷条件下的温度th与tc变化图。

图3：本发明热管在铁块条件下的温度th与tc变化图。

图4：本发明热管在铝块条件下的温度th与tc变化图。

图5：本发明热管在铜块条件下的温度th与tc变化图。

图6：本发明热管在四种不同冷却块条件下测量出的等效传热系数值。

图7：本发明热管在四种不同材料冷却块条件下测量出的等效传热系数曲线图。

具体实施方式

以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施：

实施例一：在空冷条件下热管的等效传系数keff的计算

本发明提供一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法，包括如下步骤：

s1、由于土壤密度和含水率是决定土壤传热效果的主要因素，尤其与含水率有关，所以需要对土壤特性的改变，而对土壤特性的改变，主要是通过调节含水率来实现。如表1是新疆土壤参数，表2是江淮土壤参数，由此可知新疆土壤与江淮土壤的密度相差不大，主要差距在是含水率上，因此，调节江淮土壤含水率是模拟新疆土壤的关键因素，调节的方法是：取适量江淮土壤在42℃的烘箱中，加热8小时至恒重，取样烘干后的江淮土壤100g，测量其含水率并与新疆土壤的含水率进行比较，若不能接近，则继续加水或烘干，从而进行调整江淮土壤含水率，再次测量结果直至江淮土壤含水率接近新疆土壤含水率，本实施例中最终得出江淮土壤含水率为16.6％

表1

表2

s2、测试热管在空冷条件下的极限热功率pmax，即热管的冷凝段不安装冷却块，包括如下步骤：

a、首先，将热管的蒸发段、冷凝段分别连接温度采集模块以采集其温度；然后，将热管嵌入犁胸中，犁胸的制作材料为合金钢；犁胸紧密接触加热块，加热块的制作材料为紫铜；然后，接通逆变直流电阻焊接电源对加热块加热，并通过电阻调节的方法控制加热量；最后将整个装置放置在步骤s1中经过调节后的江淮土壤中，如图1所示。

b、接通逆变直流电阻焊接电源，加热加热块，将热量传递到犁胸，并以此进一步传递到嵌入犁胸中的热管的蒸发段。加热块的起始加热功率为p0，加热800s后，若热管蒸发段的温度趋于恒定，但没有达到热管的极限热功率pmax时，待热管冷却到室温后，在加热块起始加热功率p0的基础上，每次增加5w再进行测试，直至达到热管的极限热功率pmax；若热管蒸发段的温度不能趋于恒定，待热管冷却到室温后，在加热块起始加热功率p0的基础上，每次减小5w再进行测试，直到获取热管的极限热功率pmax。

c、重复实验步骤a到步骤c三次，取三次热管的极限热功率pmax平均值；

s3、获取热管的极限热功率pmax值后，再对热管加热pin功率，并记录此时热管蒸发段和冷凝段的温度th和tc，此时热管蒸发段和冷凝段的温度th和tc变化如图2所示。

s4、测量并计算热管横截面积a。

s5、根据公式keff＝μ·λ·pin·l/[(th-tc)·a]计算热管在新疆土壤中的等效传热系数keff；其中，keff为等效传热系数；μ是加热块传递热量给犁胸的热传递效率，其值为75％；λ是逆变直流电阻焊接电源的通电给加热块加热的效率，其值为70％；pin是热管的最佳传热功率，pin＝0.7pmax，其中，0.7是逆变直流电阻焊接电源对加热块加热的热效率；l为热管的长度；th与tc是对热管加热pin功率后，热管蒸发段和冷凝段的温度；a是热管的横截面积。

实施例二、三、四：

一种确定内嵌于摆式犁犁胸的热管等效传热系数的方法，其步骤与实施例一基本相同，不同点在于：

将热管的冷凝段紧密连接冷却块进行测试，冷却块进行测试时，温度采集模块通过两根k型热电偶测温线分别与热管的蒸发段和安装在热管上的冷却块连接，重复步骤s2中的步骤b到c再到s3，测出热管的极限pmax值以及热管的th和tc值，然后根据公式keff＝μ·λ·pin·l/[(th-tc)·a]得出热管在冷却块的条件下的等效传热系数keff值。

冷却块可以采用铁块，铁块紧密连接在热管的冷凝段。图3所示的是热管冷凝段在紧密连接铁块的情况下测得的温度th和tc变化图。

冷却块可以采用铝块，铝块紧密连接在热管的冷凝段。图4所示的是热管冷凝段在紧密连接铝块的情况下测得的温度th和tc变化图。

冷却块可以采用铜块，铜块紧密连接在热管的冷凝段。图5所示的是热管冷凝段在紧密连接铜块的情况下测得的温度th和tc变化图。

综合实施例一至实施例四，可以得出热管的冷凝段在空冷下以及铁块、铝块、铜块条件下的等效传热系数kerf，如图6所示，将热管的冷凝段在空冷下以及铁块、铝块、铜块条件下的等效传热系数keff形成图7所示的曲线图，由于等传热系数keff越大，代表冷却块的冷却效果越好，由此，从热传性能角度分析，铜块最为合适；从成本经济角度分析，铁与铝块较为合适；综合传热性能和经济成本分析，可以考虑使用铝块+热管的组合形式来降低犁胸的作业温度。

本发明的最大应用价值在于：可为研究内嵌于摆式犁犁胸热管的传热规律、评价内嵌有热管摆式犁体的作业性能提供关键的功能参数。

上述对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。