復合中空熱管冷凝側(cè)傳熱特性

崔騰飛，肖章平，曹馬林，張琳，蔣楓

（1常州大學機械工程學院，江蘇 常州213016；2 泰州梅蘭化工有限公司，江蘇 泰州321200）

重力熱管是一種高效的傳熱元件[1]。國內(nèi)外很多學者都對重力熱管展開了實驗和理論的研究。Asghar Alizadehdakhel等[2]對銅-純水重力熱管進行了實驗研究和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)當充液率為熱管蒸發(fā)段體積的50%時，蒸發(fā)段加熱功率為500W時熱管有最佳的傳熱性能；數(shù)值模擬結(jié)果很好地驗證了熱管冷凝段液膜層流流動的假設，并且說明數(shù)值模擬是一種有效的研究熱管管內(nèi)流動與傳熱的手段。袁達忠等[3]對兩相閉式熱管內(nèi)的流動與傳熱特性進行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明考慮熱管內(nèi)界面剪切力和充液率對熱管流動與傳熱特性的影響是必要的，由此獲得的傳熱特性關聯(lián)式更符合實際情況。Noie[4]對銅-純水熱管進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)熱管蒸發(fā)段熱流密度、充液率、蒸發(fā)段長度與熱管總長的比值對熱管的傳熱性能有很重要的影響。為克服常規(guī)重力熱管的攜帶限和沸騰限，研究人員開發(fā)出了眾多新型結(jié)構的重力熱管。何曙等[5]提出了一種帶內(nèi)循環(huán)管的重力熱管，克服了常規(guī)重力熱管的攜帶限和沸騰限，在蒸發(fā)段實現(xiàn)了降膜蒸發(fā)，大大提高了熱管的傳熱傳質(zhì)性能。文獻[6]提出了一種新型結(jié)構的重力熱管-復合中空熱管，能夠有效地解決常規(guī)重力熱管換熱設備的酸露點腐蝕問題，并廣泛應用于回收低溫煙氣（小于200℃）余熱領域。

為了進一步探索復合中空熱管管內(nèi)的工質(zhì)流動與傳熱特性，文獻[7]利用可視化實驗觀測了管內(nèi)兩相流動情況，研究結(jié)果表明熱管蒸發(fā)側(cè)發(fā)生核態(tài)沸騰，冷凝側(cè)發(fā)生液膜層流；文獻[8-9]利用蒸氣作為熱源，把復合中空熱管等效為管殼式換熱器，以對流傳熱系數(shù)為評價指標，研究了傾角、充液率及工質(zhì)對復合中空熱管總體傳熱性能的影響。除本文作者課題組上述研究外，未見有復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)傳熱性能的研究報道。

本文建立復合中空熱管傳熱實驗平臺，對不同充液率（15%≤V+≤40%，V+=V工質(zhì)/V內(nèi)外管空腔）和不同蒸發(fā)側(cè)熱流密度（9.48kW/m2≤q≤37.91kW/m2）下復合中空熱管冷凝側(cè)的傳熱特性，定量地測試熱管在不同工況下的冷凝側(cè)軸向均溫性能和冷凝側(cè)換熱系數(shù)大小，為工業(yè)應用提供了基礎。

1 復合中空熱管結(jié)構和工作原理

圖1 復合中空熱管結(jié)構和工作原理

復合中空熱管的結(jié)構和工作原理如圖1所示。 它由內(nèi)管、中間管和外管組成，兩端由端蓋密封，內(nèi)管和外管組成封閉的環(huán)形空間，中間管把環(huán)形空間分隔成內(nèi)環(huán)形室和外環(huán)形室，中間管上下各有倒流槽口，實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)形室之間工作介質(zhì)的流動和熱量的傳遞。當熱量從內(nèi)管輸入時，內(nèi)環(huán)形室內(nèi)的工質(zhì)吸收熱量氣化為蒸氣，在壓差的推動下上升到熱管的上端，通過上導流槽口進入外環(huán)形室，遇外管壁冷卻，形成冷凝液沿著外管壁流回熱管底部，并通過下導流槽口回到內(nèi)環(huán)形室，并再次受熱氣化，如此循環(huán)往復，連續(xù)不斷地將熱量由內(nèi)環(huán)形室傳向外環(huán)形室。反之，當熱量從外管輸入時，可連續(xù)不斷地將熱量由外環(huán)形室傳向內(nèi)環(huán)形室，實現(xiàn)熱量的傳遞。本文實驗裝置是由內(nèi)管輸入熱量，故而把內(nèi)管加熱部分定義為復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)，外管定義為冷凝側(cè)。

2 實驗裝置與實驗方法

復合中空熱管傳熱實驗裝置如圖2(a)所示，實驗裝置主要包括實驗對象、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)。

實驗對象為安裝有真空壓力傳感器的復合中空熱管。熱管的管材為不銹鋼，熱管總長為L=1080mm，外管為外徑×厚度=60mm×1.2mm，內(nèi)管為外徑×厚度=38mm×2.2mm，中間管為外徑×厚度=50mm×0.4mm，中間管上下導流槽分別有孔徑為2mm、數(shù)量不等的圓孔，上端導流槽長度為150mm，下端為50mm。熱管頂部引出細長管道，管道上裝有球形真空閥和真空壓力傳感器，真空壓力傳感器用于測量熱管內(nèi)部的初始壓力和工作壓力。為了測量熱管冷凝側(cè)管壁溫度，復合中空熱管外管壁點焊有8組K型熱電偶，具體位置如圖2(b)所示。為了減小冷卻水流動對管壁溫度測量的干擾，每一個點焊位置都均勻涂有耐高溫防水絕熱膠（耐溫170℃）。

加熱系統(tǒng)由調(diào)壓器、纏繞翅片的加熱管和銅線組成，加熱管長度為500mm，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓，可以調(diào)節(jié)加熱管的輸出功率，從而調(diào)節(jié)熱管的熱量輸入。復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)熱流密度可由式（1）和式（2）計算。

式中，Qin為復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)熱流量，kW；U為隔離調(diào)壓器輸出電壓，V；R為加熱管的電阻，Ω；q為復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)熱流密度，kW/m2；de和Le分別為復合中空熱管蒸發(fā)側(cè)的直徑和長度，m。

復合中空熱管的冷凝側(cè)采用水冷卻方式，整個水冷卻系統(tǒng)主要由兩個連通水箱、三相異步電動機、離心泵、管外纏繞包裹30mm厚保溫層的冷卻水夾套和相應管路與閥門組成。具體流程為自來水經(jīng)水箱A，通過電動機驅(qū)動的離心泵，由接管進入夾套冷卻熱管，夾套出口水流又通過管路流回水箱B，如此循環(huán)往復。管路上安裝有球閥，用于調(diào)節(jié)冷卻水流量大小，流量積量儀顯示冷卻水流量的大小，夾套進出口接管分別焊接有K型熱電偶，用于測量冷卻水進出口溫度。復合中空熱管冷凝側(cè)的熱流量可由式（3）計算。

式中，Qout為復合中空熱管冷凝側(cè)熱流量，kW；ρ為冷卻水的密度，kg/m3；qv為冷卻水的流量；m3/s；cp為水的定壓比熱容，kJ/(kg·K)；Tin和Tout分別為冷卻水的進出口溫度，℃。

數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)主要包括K型熱電偶、真空壓力傳感器、流量積量儀，采集系統(tǒng)主要包括多路溫度測試儀、智能數(shù)顯儀和計算機。K型熱電偶測量精度±0.5℃，真空壓力傳感器測量精度±0.1kPa，流量積量儀測量精度±1L/h。保溫層很厚，熱損失可以忽略，實驗誤差主要來自于測量誤差。當復合中空熱管冷凝側(cè)管壁溫度的變化在5min內(nèi)小于±1℃時，則認為熱管達到穩(wěn)定工作狀態(tài)，記錄和導出溫度、壓力和流量等實驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析。

圖2 復合中空熱管實驗裝置簡圖（單位：℃）

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 復合中空熱管冷凝側(cè)管壁溫度的軸向分布

甲醇作為工質(zhì)時，冷凝段管壁軸向溫度的分布曲線如圖3所示。從圖3可看出，當工作介質(zhì)為甲醇時，除去浸沒液體工質(zhì)區(qū)域，復合中空熱管冷凝側(cè)有比較好的軸向均溫性能。當充液率為20%時，熱管冷凝側(cè)的軸向均溫性能最佳。隨著蒸發(fā)側(cè)熱流密度的增加，熱管有效冷凝長度增加；在相同蒸發(fā)側(cè)熱流密度下，隨著充液率的增加，熱管有效冷凝長度先增大后減小，當充液率為20%熱管有效冷凝長度最大。如圖3(b)所示，當充液率為20%時，依據(jù)Nusselt層流膜狀理論，蒸氣進入外環(huán)形室后會在外管壁冷凝，形成液膜向下流動，相變傳熱發(fā)生在蒸氣與液膜交界面上，并通過液膜傳遞到管壁，故而熱管冷凝側(cè)上部區(qū)域（T5、T6、T7、T8）會有良好的均溫性能；但是隨著液膜厚度的增加，傳熱熱阻增大，所以T3、T4溫度會有所下降；T2測溫點管壁處于液池區(qū)域，故而溫度會比較低；導流槽寬度有50mm，內(nèi)環(huán)形室沸騰的工質(zhì)會部分通過導流槽與外環(huán)形室內(nèi)工質(zhì)產(chǎn)生對流傳熱，故而T1溫度又會有比較大的升高。

圖3 甲醇工質(zhì)時冷凝側(cè)管壁軸向溫度分布曲線

圖4 甲醇工質(zhì)時的熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)

3.2 復合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)分析

復合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)可由式（4）計算。

式中，hc為冷凝側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Dc和Lc分別為復合中空熱管冷凝側(cè)直徑和長度，m；Tc為冷凝側(cè)管壁平均溫度，℃；Tsat為熱管內(nèi)的相變溫度，℃，這里采用熱管穩(wěn)定運行壓力下對應的工質(zhì)飽和溫度作為相變溫度Tsat，計算公式如式（5） 所示。

式中，p為復合中空熱管穩(wěn)定運行時管內(nèi)壓力，Pa；A、B和C都是常數(shù)，分別為16.5732、3626.55和34.29。

復合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)如圖4所示。從圖4中可以看出，當充液率為20%時，熱管有最大的冷凝側(cè)換熱系數(shù)，熱管傳熱性能最好；充液率過大或者過小時，熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)很小，傳熱性能惡化嚴重。這是由于在過小的充液率下，工質(zhì)量過少，蒸發(fā)側(cè)管壁容易發(fā)生干涸現(xiàn)象，產(chǎn)生干涸振蕩，傳熱不穩(wěn)定；而當充液率過大時，在較小的熱流密度下，容易出現(xiàn)間歇沸騰，在液池中難以形成穩(wěn)定的核態(tài)沸騰，傳熱不穩(wěn)定，在很大的熱流密度下，冷凝液膜的厚度增大，傳熱熱阻增大，傳熱性能同樣下降。熱流密度也是影響傳熱性能的一個重要因素，從圖4可看出，熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)隨著蒸發(fā)側(cè)熱流密度的增加而增大，在充液率為20%時，蒸發(fā)側(cè)熱流密度對冷凝側(cè)換熱系數(shù)大小的影響最為明顯，隨著充液率的進一步增大，這種影響越來越小；當充液率為40%時，蒸發(fā)側(cè)熱流密度增大到18.96kW/m2時，隨著熱流密度的進一步增大，冷凝側(cè)換熱系數(shù)基本保持不變。

4 結(jié) 論

（1）除去浸沒液體工質(zhì)區(qū)域，復合中空熱管冷凝側(cè)有良好的均溫性能，當充液率為20%時，熱管的均溫性能最佳，有效冷凝長度最大；隨著蒸發(fā)側(cè)熱流密度的增大，熱管的有效冷凝長度增大。

（2）當充液率為20%時，復合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)最大，熱管傳熱性能最佳；隨著蒸發(fā)側(cè)熱流密度的增大，復合中空熱管的冷凝側(cè)換熱系數(shù)增大。

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