復(fù)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(xué)機(jī)械工程學(xué)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(xué)者都對(duì)重力熱管展開了實(shí)驗(yàn)和理論的研究。Asghar Alizadehdakhel等[2]對(duì)銅-純水重力熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)充液率為熱管蒸發(fā)段體積的50%時(shí)，蒸發(fā)段加熱功率為500W時(shí)熱管有最佳的傳熱性能；數(shù)值模擬結(jié)果很好地驗(yàn)證了熱管冷凝段液膜層流流動(dòng)的假設(shè)，并且說明數(shù)值模擬是一種有效的研究熱管管內(nèi)流動(dòng)與傳熱的手段。袁達(dá)忠等[3]對(duì)兩相閉式熱管內(nèi)的流動(dòng)與傳熱特性進(jìn)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(duì)熱管流動(dòng)與傳熱特性的影響是必要的，由此獲得的傳熱特性關(guān)聯(lián)式更符合實(shí)際情況。Noie[4]對(duì)銅-純水熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gòu)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(shí)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(xiàn)[6]提出了一種新型結(jié)構(gòu)的重力熱管-復(fù)合中空熱管，能夠有效地解決常規(guī)重力熱管換熱設(shè)備的酸露點(diǎn)腐蝕問題，并廣泛應(yīng)用于回收低溫?zé)煔猓ㄐ∮?00℃）余熱領(lǐng)域。

為了進(jìn)一步探索復(fù)合中空熱管管內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)與傳熱特性，文獻(xiàn)[7]利用可視化實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了管內(nèi)兩相流動(dòng)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(xiàn)[8-9]利用蒸氣作為熱源，把復(fù)合中空熱管等效為管殼式換熱器，以對(duì)流傳熱系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了傾角、充液率及工質(zhì)對(duì)復(fù)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(fù)合中空熱管蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)傳熱性能的研究報(bào)道。

本文建立復(fù)合中空熱管傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)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(fù)合中空熱管冷凝側(cè)的傳熱特性，定量地測(cè)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 復(fù)合中空熱管結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 復(fù)合中空熱管結(jié)構(gòu)和工作原理

復(fù)合中空熱管的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)形室之間工作介質(zhì)的流動(dòng)和熱量的傳遞。當(dāng)熱量從內(nèi)管輸入時(shí)，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(dòng)下上升到熱管的上端，通過上導(dǎo)流槽口進(jìn)入外環(huán)形室，遇外管壁冷卻，形成冷凝液沿著外管壁流回?zé)峁艿撞?，并通過下導(dǎo)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(fù)，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(dāng)熱量從外管輸入時(shí)，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(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。本文實(shí)驗(yàn)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(fù)合中空熱管蒸發(fā)側(cè)，外管定義為冷凝側(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合中空熱管傳熱實(shí)驗(yàn)裝置如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要包括實(shí)驗(yàn)對(duì)象、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量和采集系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為安裝有真空壓力傳感器的復(fù)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(dǎo)流槽分別有孔徑為2mm、數(shù)量不等的圓孔，上端導(dǎo)流槽長度為150mm，下端為50mm。熱管頂部引出細(xì)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(cè)量熱管內(nèi)部的初始?jí)毫凸ぷ鲏毫?。為了測(cè)量熱管冷凝側(cè)管壁溫度，復(fù)合中空熱管外管壁點(diǎn)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(dòng)對(duì)管壁溫度測(cè)量的干擾，每一個(gè)點(diǎn)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(fù)合中空熱管蒸發(fā)側(cè)熱流密度可由式（1）和式（2）計(jì)算。

式中，Qin為復(fù)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(fù)合中空熱管蒸發(fā)側(cè)熱流密度，kW/m2；de和Le分別為復(fù)合中空熱管蒸發(fā)側(cè)的直徑和長度，m。

復(fù)合中空熱管的冷凝側(cè)采用水冷卻方式，整個(gè)水冷卻系統(tǒng)主要由兩個(gè)連通水箱、三相異步電動(dòng)機(jī)、離心泵、管外纏繞包裹30mm厚保溫層的冷卻水夾套和相應(yīng)管路與閥門組成。具體流程為自來水經(jīng)水箱A，通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心泵，由接管進(jìn)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(fù)。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(jìn)出口接管分別焊接有K型熱電偶，用于測(cè)量冷卻水進(jìn)出口溫度。復(fù)合中空熱管冷凝側(cè)的熱流量可由式（3）計(jì)算。

式中，Qout為復(fù)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(jìn)出口溫度，℃。

數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)試儀、智能數(shù)顯儀和計(jì)算機(jī)。K型熱電偶測(cè)量精度±0.5℃，真空壓力傳感器測(cè)量精度±0.1kPa，流量積量儀測(cè)量精度±1L/h。保溫層很厚，熱損失可以忽略，實(shí)驗(yàn)誤差主要來自于測(cè)量誤差。當(dāng)復(fù)合中空熱管冷凝側(cè)管壁溫度的變化在5min內(nèi)小于±1℃時(shí)，則認(rèn)為熱管達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，記錄和導(dǎo)出溫度、壓力和流量等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 復(fù)合中空熱管實(shí)驗(yàn)裝置簡圖（單位：℃）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 復(fù)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(shí)，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(dāng)工作介質(zhì)為甲醇時(shí)，除去浸沒液體工質(zhì)區(qū)域，復(fù)合中空熱管冷凝側(cè)有比較好的軸向均溫性能。當(dāng)充液率為20%時(shí)，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(dāng)充液率為20%熱管有效冷凝長度最大。如圖3(b)所示，當(dāng)充液率為20%時(shí)，依據(jù)Nusselt層流膜狀理論，蒸氣進(jìn)入外環(huán)形室后會(huì)在外管壁冷凝，形成液膜向下流動(dòng)，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(huì)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(huì)有所下降；T2測(cè)溫點(diǎn)管壁處于液池區(qū)域，故而溫度會(huì)比較低；導(dǎo)流槽寬度有50mm，內(nèi)環(huán)形室沸騰的工質(zhì)會(huì)部分通過導(dǎo)流槽與外環(huán)形室內(nèi)工質(zhì)產(chǎn)生對(duì)流傳熱，故而T1溫度又會(huì)有比較大的升高。

圖3 甲醇工質(zhì)時(shí)冷凝側(cè)管壁軸向溫度分布曲線

圖4 甲醇工質(zhì)時(shí)的熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)

3.2 復(fù)合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)分析

復(fù)合中空熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)可由式（4）計(jì)算。

式中，hc為冷凝側(cè)換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Dc和Lc分別為復(fù)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(yùn)行壓力下對(duì)應(yīng)的工質(zhì)飽和溫度作為相變溫度Tsat，計(jì)算公式如式（5） 所示。

式中，p為復(fù)合中空熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(fù)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(dāng)充液率為20%時(shí)，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(shí)，熱管冷凝側(cè)換熱系數(shù)很小，傳熱性能惡化嚴(yán)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(dāng)充液率過大時(shí)，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(gè)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(shí)，蒸發(fā)側(cè)熱流密度對(duì)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(jìn)一步增大，這種影響越來越?。划?dāng)充液率為40%時(shí)，蒸發(fā)側(cè)熱流密度增大到18.96kW/m2時(shí)，隨著熱流密度的進(jìn)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(fù)合中空熱管冷凝側(cè)有良好的均溫性能，當(dāng)充液率為20%時(shí)，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(dāng)充液率為20%時(shí)，復(fù)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(fù)合中空熱管的冷凝側(cè)換熱系數(shù)增大。

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