傾角與冷卻水溫度對(duì)新型閉式重力熱管換熱器傳熱性能影響

李棚輝 韓曉星 王亞雄 吳 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 包頭 014010)

傾角與冷卻水溫度對(duì)新型閉式重力熱管換熱器傳熱性能影響

李棚輝 韓曉星 王亞雄 吳 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 包頭 014010)

本文以丙酮為工作流體，設(shè)計(jì)了一套新型重力熱管換熱器，該裝置由五根底部連通的垂直蒸發(fā)管共用一根水平同心套管冷凝管構(gòu)成。采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，分析了裝置的傳熱性能，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究了當(dāng)傾斜角度為15°～90°、操作溫度為40～80 ℃、冷卻水溫度為10～30 ℃時(shí)裝置的傳熱性能。結(jié)果表明：新型重力熱管換熱器具有良好的等溫性能及操作穩(wěn)定性；當(dāng)充液率為15%、傾斜角度為60°、冷卻水溫度為30 ℃時(shí)，換熱器達(dá)到最佳工作狀態(tài)；最大傳熱量可達(dá)1 700 W左右，此時(shí)平均熱阻為0.042 ℃/W。

重力熱管；余熱回收；傳熱性能

隨著21世紀(jì)的來臨，我國國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，能源消耗越來越大，隨之環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，因此能源消耗問題亟待解決。我國能源利用率較低[1-4]，很大一部分的余熱被排放，造成能源浪費(fèi)。近年來，余熱回收問題越來越受到重視。目前，在工業(yè)余熱回收裝置中，主要采用熱管換熱器，具有以下優(yōu)點(diǎn)：傳熱效率高、冷熱流體間接接觸、屬于無源工件、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、性價(jià)比高，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。一般將熱管分類三類：傳統(tǒng)熱管(CHP)、重力熱管(TPCT)和脈動(dòng)熱管(OHP)[5]，三種熱管的工作原理均利用工作流體“相變吸熱-冷凝放熱”進(jìn)行熱量傳遞。其中傳統(tǒng)熱管(CHP)是利用吸液芯實(shí)現(xiàn)工作流體從冷端到熱端的回流[6-10]，因此沒有工作角度的限制。與其相對(duì)應(yīng)的重力熱管，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)無吸液芯，工作流體依靠重力回流[11-12]，因此工作時(shí)必須與水平面有一定傾斜角度。由于重力熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，在實(shí)際生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，但局部燒干現(xiàn)象[5]會(huì)嚴(yán)重影響熱管換熱器的最大傳熱能力。本文設(shè)計(jì)的新型重力熱管換熱器，可以解決局部燒干問題，為后續(xù)工業(yè)應(yīng)用做好充足的實(shí)驗(yàn)及理論分析。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1新型重力熱管換熱器的結(jié)構(gòu)及工作原理

新型重力熱管換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為蒸發(fā)段、冷凝段和絕熱段三部分。其中蒸發(fā)段為加熱絲纏繞加熱部分，該部分可隨加熱絲纏繞的匝數(shù)以及長(zhǎng)短不同而改變；冷凝段為冷卻水帶走熱量的部分；絕熱段為蒸發(fā)段與冷凝段的中間部分。圖1標(biāo)明了蒸發(fā)段和絕熱段熱電偶的測(cè)試位置，冷凝段熱電偶位置分別位于每根蒸發(fā)段與絕熱段熱電偶的正上方，冷卻水進(jìn)出口分別布置兩根熱電偶以測(cè)量冷卻水進(jìn)出口溫差。絕熱段平均溫度定義為操作溫度。換熱器的冷凝段由同心套管結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)部均勻設(shè)置五個(gè)半圓形擋板，內(nèi)外管環(huán)隙部分與下方蒸發(fā)段相通。蒸發(fā)段是由五根底部連在一起的蒸發(fā)管構(gòu)成，冷卻水在冷凝段的內(nèi)管中循環(huán)流動(dòng)帶走熱量。換熱器的工作原理如圖2所示。蒸發(fā)段吸收熱量，工作流體受熱汽化，經(jīng)過五根蒸發(fā)管上升至冷凝段；冷卻水流經(jīng)冷凝段內(nèi)管，吸收熱量，工作流體在內(nèi)管外壁放熱冷凝，在重力作用下回流至蒸發(fā)段液池內(nèi)。以此往復(fù)，完成下一個(gè)循環(huán)，由于冷凝段設(shè)置半圓形擋板，因此可以增加冷卻水的擾動(dòng)，強(qiáng)化傳熱，具體換熱器參數(shù)見表1。

圖1 換熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the novel heat pipe array

圖2 新型換熱器的工作原理示意圖Fig.2 Working principle of the novel heat exchanger

表1 熱管參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

1恒溫冷卻水槽；2球閥；3液體流量計(jì)；4熱管排；5支架；6直流電源；7數(shù)據(jù)采集器；8電腦圖3 新型熱管排傳熱性能測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Schematic view of the system for measuring the thermal performance of the novel heat pipe array

新型重力熱管換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由新型重力熱管換熱器、加熱系統(tǒng)(直流穩(wěn)壓電源)，冷卻系統(tǒng)(恒溫冷卻水槽)、數(shù)據(jù)采集器、電磁流量計(jì)及配套電腦構(gòu)成。考慮熱管換熱器向環(huán)境散熱會(huì)造成很大的實(shí)驗(yàn)誤差，在熱管底部表面均勻地纏繞好電阻絲后，再在熱管外壁緊密包裹一層巖棉。由于電阻絲沒有絕緣層，為防止電阻絲與熱管直接接觸造成短路事故，需要在熱管外壁包上剛玉管起絕緣作用。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將熱管換熱器水平安裝在小型熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，為了保證底部連通管中的工質(zhì)均勻，安裝時(shí)用水平儀校準(zhǔn)。校準(zhǔn)并固定熱電偶，并將其與數(shù)據(jù)采集器連接。熱電偶分布在冷卻水進(jìn)出口，蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段以測(cè)得各個(gè)部分的溫度，熱電偶分布見圖1。其中換熱器材質(zhì)為Al 6063，按照設(shè)計(jì)圖紙加工后對(duì)其進(jìn)行抽真空處理。將充液率定義為工作流體與換熱器內(nèi)腔體積之比，由于換熱器在改造之前對(duì)充液率為10%和15%的裝置進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，充液率15%的傳熱性能較好，因此實(shí)驗(yàn)選用15%的充液率。當(dāng)抽真空到1.0×10-3Pa以下時(shí)，將充液率為15%的工作流體(丙酮)充入管內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行氬弧焊焊接，并進(jìn)行24 h老化，確保裝置的可靠性。

1.3不確定度分析

根據(jù)不確定度疊加原理[13-14]，熱電偶不確定度為0.75%，功率表不確定度為1%，電磁流量計(jì)不確定度為0.5%，熱損失占總熱量的10%。因此整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相對(duì)不確定度為10.09%。綜上所述：實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試精度較高，測(cè)試結(jié)果可靠。

2 實(shí)驗(yàn)過程

傾斜角度調(diào)整范圍為15°～90°，間隔15°；冷卻水溫度調(diào)整范圍為10～30 ℃，間隔10 ℃。利用單一變量實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行測(cè)試。例如首先將傾斜角度固定為15°，冷卻水溫度調(diào)整至10 ℃，從100 W開始加大加熱功率，對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)熱管的工作溫度在5 min內(nèi)變化小于1 ℃時(shí)，視熱管達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)熱流密度過大，冷凝后的工作流體無法回流到蒸發(fā)段，造成蒸發(fā)段干涸，出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為管壁溫度急劇上升，認(rèn)為此時(shí)的傳熱量為該裝置的最大傳熱量。

3 數(shù)據(jù)處理原理

穩(wěn)壓直流電源的輸入功率：

Qin=UI

(1)

式中：U和I分別為直流電源顯示的電壓和電流，單位分別為V和A。

裝置回收的熱量：

Qout=cp,cmc(Tc,o-Tc,i)

(2)

式中：cp,c為冷卻水的比熱容，kJ/(kg·℃)；mc為冷卻水的質(zhì)量流量，m3/h；Tc,i和Tc,o分別為冷卻水的進(jìn)出口溫度，℃。

蒸發(fā)段的熱通量為：

Qe=Qinη-Qloss

(3)

式中：η為直流電源的工作效率；Qloss為裝置的熱損失，W。

通過測(cè)量熱管的表面溫度，可以確定熱管排的等溫性，熱阻和最大傳熱能力。

其中熱阻是評(píng)價(jià)一個(gè)換熱器傳熱性能的重要參數(shù)之一，計(jì)算方法：

(4)

式中：R為熱阻，℃/W，Te和Tc分別為蒸發(fā)段和冷凝段的溫度，℃。

4 結(jié)果和討論

在不同操作溫度和不同影響因素下對(duì)新型熱虹吸管排進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分別對(duì)其進(jìn)行理論分析。

4.1傾斜角度對(duì)裝置傳熱性能的影響

隨著熱管使用的小型化以及小溫差、大熱流密度等趨勢(shì)，熱管使用的穩(wěn)定性越來越重要[15]。相對(duì)于垂直狀態(tài)，在一定傾斜狀態(tài)下，熱虹吸管的傳熱穩(wěn)定性較好。

冷卻水流量為0.5 m3/h時(shí)，分別對(duì)不同傾斜角度(30°～90°，間隔10°)及不同操作溫度下(40～80 ℃，間隔10 ℃)裝置的最大傳熱量進(jìn)行測(cè)試，以此確定最佳傾斜角度。

圖4 傾斜角度對(duì)最大傳熱量的影響Fig.4 The effect of inclination angle on the maximum heat transport capacity

由圖4可知，不同操作溫度下，隨著傾斜角度的增大，最大傳熱量呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，最大傳熱量出現(xiàn)在θ為60°左右。換熱器的核心元件是重力熱管，工作流體回流的動(dòng)力為重力在垂直方向上的分力。當(dāng)傾斜角度小時(shí)，分力小，動(dòng)力小，因此回流速度慢，傳熱性能低；隨著傾斜角度的增大，重力在垂直方向上的分力逐漸增大，因此最大傳熱量隨之增加。隨著傾角的增大，管內(nèi)上升的工質(zhì)蒸氣與回流液體的剪切力也變大，會(huì)大大的阻礙蒸氣的上升和液體的回流，降低熱管的傳熱能力。當(dāng)熱管處于垂直狀態(tài)附近時(shí)，管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)處于環(huán)狀流狀態(tài)，液膜厚度較均勻，不存在傳熱性能周向不均勻，蒸發(fā)段轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤鲃?dòng)沸騰為主[16]，總傳熱系數(shù)下降。此外，隨著操作溫度的增加，最大傳熱量呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象。當(dāng)操作溫度為80 ℃時(shí)，傳熱量最大，為1 700 W。

4.2 熱管排的等溫性

通過上述實(shí)驗(yàn)得知最佳傾角為60 ℃左右，在操作溫度為40～80 ℃、不同加熱功率工況下，用熱電偶測(cè)定各個(gè)部分的溫度，并對(duì)其進(jìn)行分析，如圖5所示。由圖5可知，在管排燒干之前，同一操作溫度下，熱管排的蒸發(fā)段及冷凝段的平均溫度分別維持在某一數(shù)值左右，等溫性良好。

圖5 新型熱管換熱器的管壁溫度分布圖Fig.5 Wall temperature distribution of the novel heat exchanger

4.3冷卻水溫度對(duì)熱阻的影響

從熱阻的定義來看，影響熱阻的因素主要是蒸發(fā)段和冷凝段的溫差和加熱功率。不同操作溫度和加熱功率下的熱阻如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)加熱功率較小時(shí)，熱阻較大；隨著加熱功率的增大，熱阻逐漸減??；當(dāng)降到最低熱阻時(shí)，系統(tǒng)維持在最低熱阻工作；當(dāng)加熱功率增大到某一值時(shí)，熱阻劇增。原因在于當(dāng)加熱功率較低時(shí)，熱管內(nèi)的工作流體沒有發(fā)生相變，主要靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱；當(dāng)增大加熱功率時(shí)，工作流體吸熱發(fā)生相變，靠相變傳熱，因此熱阻降低[17]；在正常工作范圍內(nèi)，熱阻是穩(wěn)定的；當(dāng)加熱功率增大到某一值時(shí)，熱流密度過大，液化的工作流體無法回流到蒸發(fā)段，造成液池干涸，達(dá)到裝置的傳熱極限。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，隨著冷卻水溫度的升高，重力熱管換熱器的最大傳熱量也隨之增加，最大傳熱量為1 700 W，熱阻也有所降低。

圖6 不同冷卻水溫度下最大傳熱量和熱阻的變化曲線Fig.6 Variation curves of the max heat transfer and thermal resistance under different cooling water temperature

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了新型重力熱管換熱器，并對(duì)其傳熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和相應(yīng)的理論分析。該裝置的特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了蒸發(fā)段和冷凝段換熱系數(shù)，同時(shí)增加了加熱和冷凝的面積。

與傳統(tǒng)熱管相比，新型重力熱管換熱器有更好的換熱性能。在傾斜角度為15°～90°、操作溫度為40～80 ℃、冷卻水溫度10～30 ℃的工況下對(duì)裝置傳熱性能進(jìn)行了測(cè)試。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)傾斜角度為60°，操作溫度為80 ℃，冷卻水溫度為30 ℃時(shí)，該換熱器達(dá)到最佳工作狀態(tài)。最大傳熱量為1 700 W，此時(shí)平均熱阻為0.042 ℃/W。

本文受內(nèi)蒙古科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金(2015031、2015036)和內(nèi)蒙古科技大學(xué)創(chuàng)新基金(2014QDL027)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the College Students′ Science and Technology Innovation Fund of Inner Mongolia University of Science & Technology(No. 2015031 & No. 2015036)and Innovation Fund of Inner Mongolia University of Science & Technology(No. 2014QDL027).)

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About the corresponding author

Han Xiaoxing, female, lecturer, School of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, +86 15848260434, E-mail: hanxx1208@sina.com. Research fields: heat pipe, efficient energy-saving technology and equipment.

Influence of Inclination Angle and Cooling Water Temperature on the Heat Transfer Performance of a Novel Closed Gravity Heat Pipe Exchanger

Li Penghui Han Xiaoxing Wang Yaxiong Wu Wei

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, 014010, China)

The heat transfer performance of a heat pipe using acetone as working fluid is experimentally studied and discussed in this paper. A novel heat pipe array was designed and expected to be utilized in integrated waste heat recovery equipment with higher heat transfer efficiency at lower temperature heat sources. The device is composed of five vertical evaporation sections which are connected at the bottom, and a horizontal concentric tube condensing section. The heat transfer performance of a new type of thermosiphon waste heat recovery unit was analyzed by theoretical and experimental methods, and the structural parameters of the device were optimized. The influence of inclination angle of 15°～90°, operation temperature of 40～80 ℃ and cooling water temperature of 10～30 ℃ on heat transfer performance of the device was studied. It is found that the new gravity heat pipe waste heat recovery device has good isothermal performance and operation stability. When the liquid filling ratio is 15%, the inclination angle is 60°, the cooling water temperature is 30 ℃, the heat exchanger reaches the best working state. The maximum heat transfer rate is about 1 700 W, and the average thermal resistance is 0.042 ℃/W.

gravity heat pipe; waste heat recovery; heat transfer characteristic

0253- 4339(2017) 02- 0029- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.029

2016年7月6日

TQ051.5;TK115;TK124

A

韓曉星，女，講師，內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，15848260434，E-mail: hanxx1208@sina.com。研究方向：熱管，高效節(jié)能技術(shù)與裝置。