傾角對復(fù)合中空熱管傳熱性能的影響

馬志磊，張 琳，肖章平，蔡金龍

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州213016)

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)我國工業(yè)廢熱資源的回收率僅為33.5%，即將近2/3的廢熱資源未得到有效利用［1］?？梢娢覈I(yè)企業(yè)的節(jié)能任務(wù)相當(dāng)艱巨，節(jié)能潛力巨大。重力熱管由于結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，成本低廉，性能優(yōu)良，工作可靠，因此在地面上的各類傳熱設(shè)備中都可作為高效傳熱元件，其應(yīng)用領(lǐng)域與日俱增，已在各行各業(yè)的熱能綜合利用和余熱回收技術(shù)中，發(fā)揮了巨大的優(yōu)越性［2－4］。由于復(fù)合中空熱管必須在重力的輔助下工作，所以重力的方向在很大程度上決定了復(fù)合中空熱管的傳熱能力，也就是說，傾角對復(fù)合中空熱管的傳熱性能有著重要的影響。

截止目前關(guān)于傾角對復(fù)合中空熱管［5－7］傳熱性能影響的報道和文獻(xiàn)還未見，本文研究了定充液比下的復(fù)合中空熱管傾角對其傳熱性能的影響，對比不同傾角下復(fù)合中空熱管的傳熱性能，得到了提高復(fù)合中空熱管傳熱性能一些有價值的結(jié)論，為指導(dǎo)復(fù)合中空熱管在實(shí)際工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)測試裝置以及方法

復(fù)合中空熱管的傳熱性能實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由四大部分組成:帶冷卻水夾套的復(fù)合中空熱管、數(shù)據(jù)測量和采集系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)用熱管尺寸如文獻(xiàn)［6］，其中，中間管與內(nèi)外管之間的蒸汽導(dǎo)流孔為φ2的圓孔，數(shù)量不等，冷卻水夾套有石棉保溫層。冷卻水、蒸汽進(jìn)、出口溫度用熱電阻Pt100溫度傳感器測量，冷卻水流量由LWGY－25BB型渦輪流量傳感器測量。

圖1 復(fù)合中空熱管實(shí)驗(yàn)裝置簡圖

傾角是指熱管軸線方向與水平方向的角度，為了方便實(shí)驗(yàn)要求，本文選取三個不同傾角作為測試條件，充液比為33%(即V+=V工質(zhì)/V內(nèi)外管空腔=1/3)。

不同工況下的傳熱系數(shù)由下式計(jì)算:

式中Ki——以內(nèi)管內(nèi)徑為基準(zhǔn)的傳熱系數(shù)/W·m－2·℃－1;

Ai——復(fù)合中空熱管內(nèi)管的內(nèi)表面積/m2;

Δtm——對數(shù)平均溫差/℃;

Q——傳熱量/W。

傳熱量根據(jù)夾套冷卻水的吸收熱量計(jì)算。

式中 Cp——冷 卻 水 的 定 壓 比 熱 容/J·kg－1·℃－1;

ρ——冷卻水的密度/kg·m－3;

V——冷卻水的體積流量/m3·s－1;

T1、T2——為冷卻水的進(jìn)、出口溫度/℃。

對數(shù)平均溫差根據(jù)下式計(jì)算:

式中T3、T4——為加熱蒸汽的進(jìn)、出口溫度/℃。

冷卻水雷諾數(shù)的計(jì)算公式如下:

式中de——夾套當(dāng)量直徑/m;

u——冷卻水流速/m·s－1;

μ——冷卻水粘度/Pa·s。

系統(tǒng)的測試誤差主要有流量傳感器和溫度傳感器的測量誤差、熱管夾套散熱損失誤差。其中，流量傳感器和溫度傳感器經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)表檢定，測量誤差為±0.1℃，保溫層比較厚，熱損失誤差忽略不計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 純水工質(zhì)下傾角對復(fù)合中空熱管傳熱性能的影響

從圖2可看出:傾角不同(分別為90°、75°、60°)時，工質(zhì)為純水的復(fù)合中空熱管的傳熱性能有異，當(dāng)傾角為90°，即熱管豎直放置時，熱管的傳熱性能較好，而傾角為75°時傳熱性能其次，傾角為60°時的傳熱性能最差。這可能是因?yàn)閮A角越小，液膜所受重力在熱管軸線方向上的分力越小，導(dǎo)致液膜沿管壁的流動越不順暢，液膜厚度增加，總傳熱系數(shù)減小，另外傾角越小，蒸汽對液膜的剪切力也會減小，導(dǎo)致液膜的厚度變大，傳熱系數(shù)也會降低。綜合比較不同傾角對熱管傳熱性能的影響，可以得出，當(dāng)傾角為90°時，傳熱性能最優(yōu)。從圖2還可分析，對于充液比為33%的復(fù)合中空熱管的總傳熱系數(shù)隨著管外冷卻水雷諾數(shù)的增大，呈現(xiàn)先變大后減小再增大的變化趨勢。在實(shí)驗(yàn)剛開始時，復(fù)合真空熱管的外管側(cè)先通冷卻水，內(nèi)管內(nèi)側(cè)后通蒸汽加熱，此時熱管內(nèi)部的工質(zhì)在真空狀態(tài)下，吸收加熱蒸汽熱源的熱量，迅速啟動，蒸汽流動速度快，蒸汽被外管外側(cè)的冷卻水冷卻，冷凝放出熱量，熱管內(nèi)部的給熱系數(shù)高，加上熱管外管側(cè)冷卻水雷諾數(shù)的增大，管外給熱系數(shù)也不斷變大，故總傳熱系數(shù)迅速變大;但是隨著管內(nèi)蒸汽的集聚，蒸汽流動阻力變大，蒸汽的流動速度慢慢下降，導(dǎo)致熱管內(nèi)的給熱系數(shù)減小，故總傳熱系數(shù)也下降;但是隨著熱管外管側(cè)冷卻水雷諾數(shù)的不斷增大，管外給熱系數(shù)也不斷增加，使熱管總傳熱系數(shù)又有所增加。

圖2 純水工質(zhì)下傾角對傳熱系數(shù)的影響

2.2 無水乙醇工質(zhì)下傾角對復(fù)合中空熱管傳熱性能的影響

從圖3可看出:傾角不同(分別為90°、75°、60°)時，工質(zhì)為無水乙醇的復(fù)合中空熱管的傳熱性能也不同。可以做如下解釋:當(dāng)傾角為90°，即熱管豎直放置時，熱管的傳熱性能較好，而傾角為75°時，傳熱性能其次，傾角為60°時的傳熱性能最差。這可能是因?yàn)閮A角較小時，蒸汽流動不會太順暢，使得較多的蒸汽層粘在壁面會造成熱阻的增大導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小;另外傾角越小，液膜所受重力在熱管軸線方向上的分力越小，使得液膜厚度增加，總傳熱系數(shù)減小，同時傾角越小，蒸汽對液膜的剪切力也會減小，導(dǎo)致液膜的厚度變大，傳熱系數(shù)也會降低;綜合比較不同傾角對熱管傳熱性能的影響，可以得出，當(dāng)傾角為90°時，傳熱性能最優(yōu)。

圖3 無水乙醇工質(zhì)下傾角對傳熱系數(shù)的影響

3 結(jié)論

對于充液比為33%，工質(zhì)為純水和乙醇的復(fù)合中空熱管，傾角對其傳熱性能有影響，其中當(dāng)傾角為90°時，熱管的傳熱性能最佳。

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