傾斜重力型分離式熱管的換熱性能研究

劉玉清 郭佳超 李浩鵬 田小亮

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266000)

對生產(chǎn)過程中的能量進(jìn)行回收，能夠有效提高廠家的節(jié)能減排水準(zhǔn)，對管道上的熱量進(jìn)行回收，需要使用到特殊的換熱器。熱管近年來被進(jìn)行了廣泛的研究，由于其在熱量傳遞性能上的優(yōu)秀表現(xiàn)，在眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用，如熱管熱泵聯(lián)合干燥[1]、航空航天[2]、太陽能利用[3]、化工生產(chǎn)[4]、數(shù)據(jù)中心冷卻[5]等。熱管的種類形式有很多，包括虹吸式熱管、重力型熱管、分離式熱管、動力型熱管等，影響熱管換熱的因素也有很多，其中對重力型熱管而言，一個重要的影響因素就是熱管的傾斜角度。梁玉輝等[6]人對并聯(lián)式脈動熱管進(jìn)行了研究，將該類熱管以60°、90°的傾斜角度進(jìn)行放置，并施加以35%、50%、70%充注率的工況，發(fā)現(xiàn)在同一充注率時，傾斜角度60°時的傳熱性能明顯要比90°要差。戰(zhàn)洪仁等[7]人對重力型熱管應(yīng)用Fluent 進(jìn)行了模擬研究，并根據(jù)對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重力型熱管的性能最優(yōu)點出現(xiàn)在57°。史維秀等人對多通路并聯(lián)脈動熱管進(jìn)行了研究，通過對壁面溫度和傳熱熱阻的分析得出，在60°、75°、90°傾斜角度中，隨著傾斜角度的變小，傳熱熱阻逐漸增大，傳熱極限逐漸變小，重力對于該類熱管的影響效果是十分顯著的。對于環(huán)狀管中的多傾角換熱性能研究，國內(nèi)的文獻(xiàn)略有空缺，Kang 等[8,9]人對多傾角環(huán)狀管內(nèi)的換熱現(xiàn)象進(jìn)行了研究，同時與圓管內(nèi)的沸騰做了對比，表示環(huán)狀管中的沸騰與圓管略有區(qū)別，其最佳換熱性能出現(xiàn)在90°傾角。

綜合上述討論，傾斜角度對于熱管這種高效換熱器具有明顯的影響，對于熱管換熱器最佳傾斜角度的研究是很有意義的，故本文搭建重力型分離式熱管試驗臺，采用環(huán)狀管蒸發(fā)器，對環(huán)狀熱管蒸發(fā)器這一熱量吸收單元進(jìn)行多傾角研究，提供重力型熱管關(guān)于多傾角方面的試驗結(jié)論。

1 多傾角重力型分離式熱管試驗臺

對重力型分離式熱管進(jìn)行多傾角的實驗，其關(guān)鍵在于如何將換熱器轉(zhuǎn)換角度。本文設(shè)計了如圖1 所示的多傾角重力型分離式熱管試驗臺，蒸發(fā)器與冷凝器之間采用不銹鋼編織水管連接，對所有區(qū)域采用15mm 橡塑保溫棉進(jìn)行保溫，主要試驗部件為一內(nèi)管30mm、外管60mm、環(huán)空間隙15mm 的不銹鋼材質(zhì)環(huán)形管蒸發(fā)器，管長1450mm，沿軸向設(shè)置有5 組溫度傳感器，并在入口和出口處設(shè)置壓力傳感器，用于監(jiān)控工況，循環(huán)工質(zhì)使用的是蒸餾水。

圖1 多傾角重力型分離式熱管試驗臺

環(huán)狀管蒸發(fā)器采用熱水供熱，冷凝器采取風(fēng)冷形式。實驗開始前，先對重力型分離式熱管系統(tǒng)抽真空，之后分別充注36.7%、40%、43.3%、48.3%的工質(zhì)水，開啟循環(huán)熱水系統(tǒng)，為蒸發(fā)器供熱，待循環(huán)熱水平均溫度達(dá)到約75℃時，打開冷凝器風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)循環(huán)熱水加熱功率，使熱管蒸發(fā)壓力穩(wěn)定在26000 Pa，使環(huán)狀管蒸發(fā)器在45°、60°、75°、90°進(jìn)行試驗。

2 實驗結(jié)果處理

環(huán)狀管與循環(huán)熱水之間的換熱量可以通過式（1）獲得

其中Q0為環(huán)狀管換熱量，m0為循環(huán)熱水質(zhì)量流量，cp為循環(huán)熱水比熱容，△T0為循環(huán)熱水進(jìn)出口溫差，Tin、Tout為循環(huán)熱水進(jìn)出口溫度，環(huán)狀管蒸發(fā)器的蒸發(fā)側(cè)平均表面換熱系數(shù)havg，采用式（3）進(jìn)行計算

其中q 為平均熱流密度，由式（4）計算得到，A0為整管換熱面積，Ti,o為循環(huán)熱水內(nèi)管外壁面的特征溫度，由式（5）計算得到，Tsat為獲取得到的工況壓力對應(yīng)的飽和溫度。

3 實驗結(jié)果分析

圖2 循環(huán)水溫度與蒸發(fā)過熱度隨角度的變化

圖3 蒸發(fā)側(cè)平均表面換熱系數(shù)隨角度的變化

如圖2 所示蒸發(fā)側(cè)平均表面換熱系數(shù)havg隨環(huán)狀管蒸發(fā)器傾斜角度的變化，可以明顯的觀察到，havg在45～90°范圍內(nèi)存在一個極小值，對36.7%和48.3%而言，極小值發(fā)生在60°，對40%和43.3%而言，極小值發(fā)生在75°，故可認(rèn)為，帶有環(huán)狀管蒸發(fā)器的重力型分離式熱管，在36.7%至48.3%充注量時，蒸發(fā)管在45°至90°范圍內(nèi)的蒸發(fā)側(cè)表面換熱系數(shù)變化趨勢為先減小后增大。

如圖3 所示，當(dāng)該類熱管蒸發(fā)器傾角處于最差換熱性能對應(yīng)工況時，循環(huán)熱水溫度也是處于峰值狀態(tài)，同時過熱度的表現(xiàn)趨勢也與循環(huán)熱水溫度趨勢一致，同havg變化趨勢恰好相反，由式（3）可知這是符合物理規(guī)律的。

4 結(jié)論

綜上所述，在工程應(yīng)用中，若要使得該類重力型分離式熱管能夠有效回收管道的能量，應(yīng)當(dāng)避免用于吸收熱量的環(huán)狀管蒸發(fā)器安裝在60～75°管道上，且應(yīng)安裝在豎直管道，或傾斜角度較小的管道上，以獲取最大的換熱性能，實現(xiàn)有效的能量回收。