徑向重力熱管在雙管水平偏心結構下的試驗與應用

陳 軍 邱 芬 楊 峻

南京圣諾熱管有限公司（江蘇南京 210008）

重力熱管的相關應用，大部分是利用其軸向傳熱的特性，研究者在這方面已進行了大量的實驗與研究[1-5]。隨著技術的發展，國外學者提出了雙管同心結構，并在兩管之間放置了吸液芯，進行了傳熱性能研究[6-7]，國內也有學者做了同軸結構的一系列實驗研究[8]，得到了相關性能曲線。由于雙管的兩軸同心，限制了內管外壁面冷凝換熱面積的調節。如果內外管采用不同軸的偏心結構型式，可有效增加內管外壁面冷凝換熱面積，提高換熱效果。同時，考慮簡化結構，易于工程中應用，取消了內部吸液芯，通過系列實驗，得到了可行的數據與結構，為工程化應用奠定基礎。所研制的偏心式徑向重力熱管換熱器，提高了在低溫或腐蝕性環境中余熱回收設備的安全可靠性，可低成本地用于制酸系統余熱回收、加熱爐及鍋爐尾部的煙氣深度余熱回收等，取得了顯著的節能效果。

1 結構與傳熱過程

徑向重力熱管是一種結構型式特殊的水平夾套兩相閉式熱虹吸管，也稱雙管式熱虹吸管。圖1（a）為內外管同軸型式；圖1（b）為結構優化后的徑向偏心重力熱管，將內管適當抬高，使其位于工質（液池）之上，增加了內管的外表面在環狀間隙蒸汽腔的面積，相對于同軸布置的結構，增加了冷凝換熱面積。工質在其夾套管內的換熱過程較為復雜，當外管外流經熱流體、內管流經冷流體時，主要傳熱過程包含管壁的導熱、液池沸騰和蒸發、冷凝換熱。在內、外管之間的環狀間隙中，又分為上部的蒸汽腔和下部的液體腔。蒸汽腔內的蒸汽主要來自液體腔（液池）中工質的沸騰及其蒸發過程中攜帶到外管內壁面上方的飛濺液膜的蒸發；內管基本處于蒸汽腔內，蒸汽在水平內管外表面上冷凝放出凝結潛熱，熱量沿徑向通過內管壁導入到流經內管里的冷流體，實現冷、熱流體的熱交換。

圖1 徑向重力熱管

當徑向重力熱管處于工作狀態時，主要過程有對流、蒸發、凝結和導熱幾個部分。圖2是它的一個軸向斷面圖，內、外管呈水平狀態，當其處于工作狀態時，包含以下8個主要傳熱過程，按熱量傳導方向依次由外管向內管為：（1）外部熱流體與外管的對流換熱；（2）熱量由外管外壁面向其內壁面的傳熱；（3）內管與外管間隙內，液池中工質的蒸發與沸騰換熱；（4）內管與外管間隙內，液池外上方，外管內壁面上液膜的傳熱與蒸發；（5）內管與外管間隙內，蒸汽與內管外壁面上的凝結換熱；（6）熱量通過內管外壁面上液膜的傳熱；（7）熱量通過內管管壁的傳熱；（8）內管內壁對液體的對流換熱。

2 可視化試驗

2.1 可視化試驗方法

可視化試驗管采用耐高溫玻璃管，內管為?15 mm×2 mm，外管為?40 mm×2 mm，長度為660 mm；內、外管水平布置，外管外套裝螺旋狀電爐絲，形成輻射加熱狀態；在內外管間隙中加入工質，觀察充液量、熱流密度對工作介質的流動狀態帶來的影響，以及內管在圖3所示的1，2，3號位時對流態的影響，對觀察結果進行定性分析。

2.2 管內蒸發狀態分析

初步觀察，在內、外管間隙內，隨管內工質不斷受熱蒸發，徑向蒸汽量逐漸增加，流型逐漸由細泡狀、氣塞狀、波狀分層狀變化到汽彈狀。內管處于1號位置時，內外管間隙內高液位處，內管大部分處于液池中，液面上產生的許多細小汽泡包圍在內管上部，大大減弱了內管的換熱效果。隨著充液量的減小，液位下降，內管外壁面有一部分在蒸汽中進行凝結換熱，還有部分被氣泡包圍，對傳熱效果也有影響。當液位下降到內管底部以下時，內管外壁基本處于蒸汽腔中，其凝結換熱面積最大，換熱效果好，是一種較理想的狀態，內外管處于1號位時是容易實現這種狀態的。與普通的水平管外凝結換熱相比，普通水平管外凝結換熱后，冷凝液沿管壁向下流動，水平管底部聚集了較厚的冷凝液膜，部分影響了換熱效果；而在內管偏心的結構型式中，內管外壁底部下方存在液池，并產生沸騰，破壞了該處的凝結液膜，增強了換熱效果。因此，對于內外管偏心，較好的結構型式是內管采用1號位布置，合理的液池高度為：內外管間隙中液池的高度控制在內管底部以下。

3 傳熱性能試驗研究

水平雙管偏心熱虹吸管內部的傳熱包含對流、沸騰、蒸發與凝結。雖然在每種獨立狀態下的理論分析和計算方法均已成熟，但是，這些過程綜合疊加起來就變得較為復雜，邊界條件的假設、計算方式的選擇均沒有十分的把握，因此，對其進行性能測試。

單支試驗管的內、外管材均選用GB/T 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》20#鋼，內管?25 mm×3.0 mm，外管?57 mm×3.5 mm；管外纏繞高頻焊螺旋翅片，翅片高20 mm、厚2 mm、螺距10 mm；管外壁布置有6組24對測溫熱電偶，每組4對熱電偶在熱管軸向垂直截面呈上、下、左、右對稱分布，圖4給出了6個截面上的測溫點位置和編號。加熱采用兩臺KSY系列可控硅溫度控制器管式電爐，其額定功率為每臺5 kW，額定溫度為1000℃。內管通水冷卻，采用LZB-15玻璃轉子流量計控制水流量，溫度數據采用微機測量系統進行記錄。

圖4 試驗管熱電偶布置編號圖

根據可視化試驗結果，圖3中1號位的結構型式，能使內管盡可能地離開液池。在該內、外管布置結構中，調整兩管偏心距為5～7 mm，可增加內管的凝結換熱面積，提高換熱量。在此基礎上開展不同充液率下的性能試驗。

圖5給出了不同充液率下液池表面的蒸發面積和內管外表面的冷凝換熱面積。由圖5可見，對于圖3中1號位的結構型式，在內、外管布置結構中，兩管偏心距為5～7 mm時：當充液率小于40%時，內管位于液池上方，其冷凝表面積即為內管的外表面積，隨充液率的增加，液池的蒸發面積增大；當充液率大于40%時，液池的蒸發面積和冷凝面積都開始減小。內、外管處于同心位置時，隨充液率的增加，內管上冷凝表面積和液池的蒸發面積都逐漸減小。

圖5 不同充液率下蒸發與冷凝面積

3.1 啟動性能

啟動性能主要取決于管內工作介質的物性、加熱和冷卻的方式與強度、加熱功率增長速率、初始溫度以及熱管的原始真空度等。內、外管處于水平受熱狀態，外管部分所有加熱表面均勻受熱，軸向溫度分布相對均勻，蒸汽在兩管之間沿徑向方向流動，流動距離短、摩擦阻力小，因此，啟動較迅速。

圖6給出了在輸入功率相同的情況下，不同充液量時相同截面處（2-2截面）測點溫度與時間的關系曲線。從圖6曲線可以看出：在輸入功率相同的條件下，充液率低的溫度上升速率較快；在同一時間內，充液率低的其溫度明顯較高。

圖6 30%、60%充液率下的性能曲線

3.2 等溫性能

等溫性能通常指在一定熱負荷和工作條件下，沿軸向呈現的管壁溫度均勻性特征。

與軸向傳熱相比，水平徑向偏心熱虹吸管具有較好的軸向等溫性能，由于是徑向傳熱，沿管長軸方向基本處于同一飽和蒸汽溫度范圍，因此，無論在低功率水平還是高功率水平下，沿軸向水平管內的等溫性能均較好。然而，在徑向由于下部存在液池，所以有一定的溫差。圖7給出了相同輸入功率下同一個截面周向在30%和60%充液率下的溫度曲線。從圖7可看出：30%充液率時，最大溫差有37℃，這與213測點處于液池底部有關；而在60%充液率條件下，徑向溫差較小，由213，210和215測點在液池中所致。

圖7 徑向等溫性能曲線

3.3 傳熱功率

在充液率分別為30%、60%、80%的不同狀態下，相同輸入功率下充液量與輸出功率的對應關系見圖8。充液率為30%時，內管外壁面在液池上方，冷凝面積大，傳輸功率高；隨充液率增大，內管在液池中的面積逐漸增大，其冷凝面積減小，傳輸功率隨之降低。

圖8 30%、60%、80%充液率下的傳輸功率

4 應用

由水平徑向偏心熱管傳熱元件組成的偏心熱管換熱器，通常徑向熱管水平置于熱流體（氣體）通道內，熱流體自下而上掠過外管，需要加熱的液態冷流體（如給水）走內管內部。徑向熱管的獨特結構使得液態冷流體（給水）系統完全和熱流體分隔，給水加熱不受煙氣的直接沖刷，特別是當熱流體流經的熱管外管壁遭到破壞時，內管內的水也不會漏入熱流體側，增加了設備的可靠性；同時，水平徑向熱管具有很好的等溫性能，不凝性氣體對其影響極小，傳熱性能較好。該設備主要應用于煙氣中含有腐蝕性介質以及煙氣的深度余熱回收中，如鍋爐、廢熱鍋爐尾部低低溫省煤器、制酸系統余熱鍋爐給水預熱器等。目前，已成功應用在硫酸余熱回收系統、電站鍋爐的低低溫省煤器以及煙氣深度余熱回收的各系統中，為連續生產、安全節能起到一定的作用。

圖9為某電站鍋爐配套的低低溫省煤器結構示意及部分制造、安裝圖，該設備投入運行后，可將鍋爐排煙溫度由原來的125～150℃降低到90～110℃后排放，為后續除塵增效，利用余熱增加發電功率，實現節煤1～4 g/（kW·h），機組效率提高了0.2%～1.2%。

圖9 某低低溫省煤器示意圖

5 結論

由可視化試驗可知，內外管采用1號位布置結構型式較好；合理的工質（液池）高度應控制在內管底部以下，這種情況下內管外壁基本處于蒸汽腔中，使其凝結換熱面積最大化，是一種較理想的狀態。

通過對試驗管的一系列性能測試，得到了啟動、等溫和傳輸功率的性能曲線。對于啟動性能，在充液率低的情況下溫度上升速率較快，并且溫度明顯高于充液率高的情況。徑向等溫性與液池高度（即充液率）有關；由相同輸入功率下的充液量與輸出功率的對應關系可知，較好的充液率為30%左右，試驗管偏心距在5～7 mm之間，這與可視化試驗所得到的分析結果基本一致。