含不凝氣重力熱管啟動和等溫性能實驗研究

任彬 湯曉英

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 （上海 20006）國家熱交換器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心（上海）（上海 201518）

熱管是一種具有較高真空度、灌裝了一定工作介質(zhì)的密閉中空管子[1]。重力熱管是一種特殊類型的熱管，雖然也是利用工作介質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝來傳遞熱量，但與普通熱管不同，管內(nèi)沒有吸液芯。氣態(tài)工作介質(zhì)在冷凝段凝結(jié)成液態(tài)后，僅依靠重力的作用即可回流到蒸發(fā)段，重新參與熱量傳遞。因此重力熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和價格低廉的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域[2]，如：在石油化工行業(yè)用于加熱爐余熱回收，在動力行業(yè)被用作余熱鍋爐、省煤器，在冶金行業(yè)用于熱風(fēng)爐余熱回收。

鋼-水重力熱管以其成本低和適用溫度范圍廣的特點，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。然而鋼和水會發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，氫氣是一種不凝性氣體[3]。眾所周知，靜止狀態(tài)的混合蒸汽冷凝，僅0.5%體積分數(shù)的不凝性氣體就可使傳熱系數(shù)下降50%[4]。Ren等[5]通過實驗和數(shù)學(xué)模型的方法研究了含不凝氣混合蒸汽在水平管內(nèi)的冷凝特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不凝氣含量為30%時，傳熱系數(shù)最高下降了59.32%，但在高雷諾數(shù)（Re）條件下，較強的氣液界面剪切力能削弱不凝氣對冷凝傳熱的不利影響。

Mantelli[6]建立了含不凝氣條件下萘熱管的回路熱阻模型，并與充有氬氣的萘熱管熱阻實驗值進行了對比，結(jié)果較為吻合，表明該模型可用于該類重力熱管換熱器的工藝設(shè)計。但該模型僅關(guān)注了不凝氣對重力熱管傳熱性能的影響，沒有涉及不凝氣對熱管啟動及等溫性能的影響。本文將通過獨立搭建的實驗裝置，研究不凝氣充氣比和加熱功率對熱管啟動性能的影響，以及加熱功率對等溫性能的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

重力熱管實驗裝置如圖1所示，主要包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及待測重力熱管[7-8]。加熱系統(tǒng)由電加熱套、穩(wěn)壓器、調(diào)壓器、電壓表和電流表組成。冷卻系統(tǒng)由水箱、離心泵、流量計和冷卻水夾套組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集器、電腦和測量儀表組成，測量儀表除上述電壓表、電流表和流量計外，還包括冷卻水進口處的2根鎧裝T型熱電偶，焊接在重力熱管外表面的12根熱電偶測溫線。

待測重力熱管的管殼材料為紫銅，充裝的工作介質(zhì)為去離子水。熱管管壁厚3 mm，外徑為25 mm，總長1 000 mm，其中蒸發(fā)段長350 mm、絕熱段長300 mm、冷凝段長350 mm。管殼和端蓋經(jīng)焊接形成封閉腔體后，還需要進行充液和充氣。重力熱管充液充氣裝置如圖2所示，包括真空泵、真空表、儲液罐、滴定管、氫氣瓶及配套的管路和閥門。在充液充氣前，先打開球閥1、球閥2和針閥1，關(guān)閉球閥3和針閥2；啟動真空泵對整個充裝系統(tǒng)抽真空，直至達到預(yù)設(shè)的真空度要求，然后關(guān)閉球閥2和針閥1；打開球閥3，向滴定管內(nèi)注入一定量的去離子水；關(guān)閉球閥3，緩慢打開針閥1向熱管中充入預(yù)設(shè)量的工作介質(zhì)；關(guān)閉針閥1，緩慢打開針閥2向熱管中充入預(yù)設(shè)量的氫氣；關(guān)閉球閥1，含不凝氣的重力熱管即制備完成。

圖1 重力熱管實驗裝置圖

圖2 重力熱管充液充氣裝置圖

1.2 實驗方法

重力熱管的傳熱量可根據(jù)電加熱帶的加熱量來確定。

式中：U為電加熱帶兩端電壓，V；I為流經(jīng)電加熱帶的電流，A。

重力熱管的傳熱量還根據(jù)冷卻水夾套的吸熱量確定。

式中：cp為冷卻水定壓比熱容，J/(kg·s)；ρ為冷卻水密度，kg/m3；V 為冷卻水體積流量，m3/s；Tco，i，Tco，o分別為冷卻水進出口溫度，℃。

只有電加熱帶的加熱量Q1與冷卻水夾套的吸熱量Q2誤差小于5%時，該組實驗數(shù)據(jù)才會被采用。最終的傳熱量取加熱量和吸熱量的算術(shù)平均值。

通過測量和比較熱管管壁溫度即可評價重力熱管的啟動等溫性能。12根熱電偶測溫線中，4根布置在蒸發(fā)段，2根布置在絕熱段，6根布置在冷凝段。通過對比實驗測得的傳熱系數(shù)與關(guān)聯(lián)式計算得到的傳熱系數(shù)，可驗證實驗裝置中各項儀器儀表的可靠性。因蒸發(fā)段傳熱模式較復(fù)雜，本文僅比較冷凝傳熱系數(shù)，可通過（4）式計算。

式中：Ac為冷凝段傳熱面積，m2；Tc為冷凝段平均壁溫，℃；Ta為絕熱段平均壁溫，℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 裝置可靠性驗證

為驗證裝置可靠性，首先進行了不含不凝氣時重力熱管的傳熱性能實驗。圖3顯示了冷凝傳熱系數(shù)實驗值與計算值的對比情況。由圖3可見，冷凝傳熱系數(shù)實驗值與Chen[9]公式計算值較接近，而小于Nusselt[10]公式計算值。這是因為：在建立Nusselt公式時，假設(shè)蒸汽是靜止狀態(tài)的；在重力熱管冷凝段，蒸汽是自下而上流動的，與向下流動的液膜會產(chǎn)生摩擦，在氣液界面形成向上的剪切力，從而增加了液膜厚度，降低了冷凝傳熱能力。Chen建立的公式中考慮了界面剪切力的作用，因而能準確預(yù)測出冷凝傳熱系數(shù)。實驗值與計算值的最大正誤差為+15%，最大負偏差為-7%，均在合理范圍內(nèi)，驗證了實驗裝置的可靠性。

2.2 啟動性能

圖3 冷凝傳熱系數(shù)對比圖

熱管的啟動性能由啟動時間來衡量，所謂啟動時間是指從開始給熱管加熱到熱管穩(wěn)定工作所需的時間。當熱管絕熱段的壁溫波動不超過1℃/min時，可認為熱管進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖4顯示了相同加熱功率、不同充氣比時絕熱段壁溫隨時間的變化曲線。由圖4可見，含不凝氣重力熱管的啟動不同于常規(guī)重力熱管的啟動，常規(guī)重力熱管啟動時，絕熱段壁溫是緩慢上升到工作溫度的，但充入不凝氣后，絕熱段壁溫在啟動初期沒有變化，經(jīng)過一段時間后，壁溫會先急劇上升到某一溫度，然后再緩慢上升到工作溫度，并最終穩(wěn)定下來。這是因為：充裝不凝氣后，管內(nèi)絕對壓力變大，導(dǎo)致蒸發(fā)段產(chǎn)生蒸汽的時間變長，且在此期間絕熱段沒有蒸汽流過，所以壁溫會保持不動；但當蒸發(fā)段開始產(chǎn)生蒸汽后，蒸汽會立即將不凝氣吹掃到冷凝段，所以壁溫會急劇上升。同時，充氣比越大，啟動時間越長，穩(wěn)定后的工作溫度越高，這是因為壓力越高，對應(yīng)的蒸汽飽和溫度越高。圖5顯示了相同充氣比，不同傳熱量時絕熱段壁溫隨時間的變化曲線。由圖5可見，傳熱量越大，啟動時間越短，穩(wěn)定后的工作溫度越高。當傳熱量足夠大時，幾乎沒有壁溫在某一階段穩(wěn)定不動的現(xiàn)象。

圖4 不同充氣比時重力熱管啟動曲線圖

圖5不同傳熱量時重力熱管啟動曲線圖

2.3 等溫性能

圖6為含不凝氣重力熱管壁溫軸向分布圖。由圖6可見，蒸發(fā)段的壁溫高于絕熱段和冷凝段，這是因為熱量從蒸發(fā)段傳遞至絕熱段和冷凝段，在此過程中蒸汽會產(chǎn)生壓降，蒸汽對應(yīng)的飽和溫度會下降，所以壁溫沿軸向降低。傳熱量越大，蒸發(fā)段壁溫越高，這是由于傳熱量越大意味著加熱帶的功率越大，表面溫度越高，引起與之接觸的蒸發(fā)段壁溫升高。壁溫在蒸發(fā)段和絕熱段分布比較均勻，在冷凝段出現(xiàn)不等溫的現(xiàn)象；這是因為不凝氣被蒸汽吹掃到重力熱管頂部，不凝氣占據(jù)的部分不參與傳熱，所以該處的溫度較低。傳熱量越小，冷凝段壁溫下降越明顯；這是因為傳熱量越小，工作溫度越低，對應(yīng)的飽和壓力越小，不凝氣密度越小，占據(jù)的體積就越大。

圖6 重力熱管壁溫軸向分布圖

3 結(jié)論

通過實驗的方式研究了含不凝氣重力熱管的啟動和等溫性能，定量分析了充氣比和傳熱量對啟動和等溫性能的影響。首先介紹了實驗裝置的組成和實驗方法，其次通過對比冷凝傳熱系數(shù)驗證了裝置的可靠性，最后研究了不凝氣充氣比和傳熱量對熱管啟動性能的影響，以及傳熱量對等溫性能的影響。實驗結(jié)果表明：相同傳熱量時，充氣比越大，啟動時間越長，工作溫度越高；相同充氣比時，傳熱量越大，啟動時間越短，工作溫度越高。蒸發(fā)段的壁溫高于絕熱段和冷凝段，且壁溫在蒸發(fā)段和絕熱段分布較均勻，在冷凝段出現(xiàn)了不等溫的現(xiàn)象；傳熱量越小，不等溫現(xiàn)象越明顯。