環(huán)型流熱管傳熱性能的實驗研究

曹宵瑜 藍樺 任杰 田小亮

摘要：? 針對熱管的研究現(xiàn)狀及當(dāng)前醫(yī)藥食品行業(yè)的背景，本文對一種新型環(huán)型流熱管的傳熱性能進行研究?；诃h(huán)形流熱管的工作原理，對環(huán)形流熱管換熱器的傳熱系數(shù)進行計算，在相同充注量及不同傾斜角的情況下，分別對兩種冷熱水進口溫度的傳熱量及傳熱系數(shù)進行對比分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)充注量為40%，傾斜角為5°時，環(huán)型流熱管換熱最好，達到環(huán)型熱管的最佳工作狀態(tài)，充注量過多與過少以及傾斜角接近于豎直或水平都會降低熱管的換熱效果。該研究完全避免了交叉污染，滿足無菌要求，有效降低了電能與蒸汽的消耗量，具有較高的實用價值，對我國能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃具有重要意義。

關(guān)鍵詞：? 熱管; 環(huán)形流熱管; 換熱系數(shù); 傾斜角; 充注量

中圖分類號： TK172.2 文獻標識碼： A

目前，我國能源存在利用效率低、經(jīng)濟效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大等問題，因此節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率成為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容，是我國能源問題解決的根本途徑[1]。近年來，提升余熱利用率和節(jié)能減排成為推進我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[2]。熱管因其結(jié)構(gòu)獨特和相變傳熱機理，具有安全可靠性高、導(dǎo)熱性強、等溫性好、熱流密度可變性及環(huán)境的適應(yīng)性強、使用壽命長和應(yīng)用領(lǐng)域廣[3]等特點，在余熱回收領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。李永等人[4]設(shè)計了一種熱管余熱鍋爐，可有效回收鋼管退火的煙氣余熱;王璐等人[5]利用熱管式氣氣換熱器對煙氣余熱進行回收，結(jié)果表明，采用熱管式煙氣回收技術(shù)后，天然氣消耗量可節(jié)約24%～28%;王晶晶等人[610]利用熱管的特性，對空調(diào)方面的余熱回收進行研究，提出了不同的熱管換熱器，顯著降低了原料消耗，增強經(jīng)濟與環(huán)保效益。但制藥和食品等行業(yè)的某些產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程都有高溫滅菌工藝的要求，該工藝過程的加熱和冷卻會消耗大量的熱量和冷卻水，運行成本高，經(jīng)濟效益低，不利于節(jié)能環(huán)保[11]。上述研究所設(shè)計的熱管系統(tǒng)都能有效的回收余熱，但無法保證無菌環(huán)境與交叉污染。因此，本文利用重力熱管的特性，設(shè)計了一種高效節(jié)能型無菌熱管能量回收裝置環(huán)形流熱管。該裝置保證生產(chǎn)和清洗無死角，滅菌前與滅菌后的溶液分別在不同管道中流動，完全避免了交叉污染，滿足了生產(chǎn)過程中的無菌要求。同時，搭建環(huán)形流熱管系統(tǒng)實驗臺，對環(huán)型流熱管傳熱性能進行研究。結(jié)果表明，充注量過多與過少及傾斜角接近于豎直或水平都會降低熱管的換熱效果。該研究對我國提高能源綜合利用率具有重要作用。

1 環(huán)形流熱管工作原理

環(huán)形流熱管原理如圖1所示。當(dāng)換熱器工作時，恒溫?zé)崴毓苈纷陨隙铝鲃?，套管?nèi)的制冷劑吸收熱水側(cè)的能量，發(fā)生液氣相變過程，熱水溫度逐漸下降，出口時溫度最低;套管內(nèi)的制冷劑蒸汽通過重力作用逐漸上升，通過套管通道接觸到冷水側(cè);冷水沿管路自下而上流動，套管內(nèi)的制冷劑蒸汽對冷水側(cè)放出熱量，發(fā)生氣液相變過程，冷水溫度逐漸上升，出口時溫度最高;而制冷劑蒸汽在冷水側(cè)凝結(jié)為液體，在重力作用下返回底部，從而實現(xiàn)循環(huán)[1217]。

由圖1可以看出，相對于水平面的角度，通過改變環(huán)形流熱管可以得到不同工況、不同角度下?lián)Q熱器的換熱性能。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

本實驗考慮到影響換熱系數(shù)的因素有冷熱水進出口溫度、環(huán)型熱管工質(zhì)的充注量和環(huán)型熱管裝置的傾斜角度。在相同充注量及不同傾斜角的情況下，分別對兩種冷熱水進口溫度的傳熱量及傳熱系數(shù)進行對比分析。在完全隔絕外界散熱及穩(wěn)定換熱的情況下，熱水與冷水的換熱量應(yīng)完全相同，但由于實驗條件的限制及兩相流換熱的不穩(wěn)定性，熱水與冷水的換熱量有細微的偏差，因此取平均值進行分析。

3.1 20%充注量時數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為20%時，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線如圖2所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖3所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進行膜狀凝結(jié)，水蒸氣在豎管外進行凝結(jié)換熱，液膜厚度隨管徑在重力作用下變厚，使熱阻增大，換熱效果大幅減弱，因此，傾角為90°時，換熱量與換熱系數(shù)較低。隨著傾角減小，換熱量與換熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)傾角為0°時，有利于液膜排泄，但回流的液體無法在重力作用下有效回到蒸發(fā)段，因此換熱能力較差。實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°～10°時，冷凝換熱效果最好，有利于液膜排泄和液體有效回流。

在豎直狀況下，環(huán)形流熱管套管內(nèi)的蒸發(fā)段，蒸餾水沉積在底部，有效換熱面積僅為底部面積，熱側(cè)水管上部為無效換熱，換熱較差。隨著傾角的減小，有效換熱面積逐漸增大，工質(zhì)在重力作用下回流，蒸汽向上運動的阻力較小，換熱能力逐漸增強。當(dāng)呈水平時，蒸餾水在同一水平面上，充注量較低，使熱側(cè)水管與制冷劑蒸餾水的接觸面積較少，同時制冷工質(zhì)靜止，水蒸氣運行阻力較大，換熱效果較差。實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°～15°時，蒸發(fā)換熱效果較好。熱水進口在70 ℃，冷水進口為40 ℃時，整體換熱效果比熱水進口為60 ℃，冷水進口為30 ℃時略好[1920]。

3.2 40%充注量時數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為40%時，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線如圖5所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖6所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系如曲線圖7所示。

由圖5～圖7可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進行膜狀凝結(jié)，換熱情況與20%充注量時類似，傾角水平與豎直換熱效果較差。

當(dāng)傾角為5°～10°時，換熱效果最好。當(dāng)充注量達到40%時，蒸發(fā)段環(huán)型熱管內(nèi)的工質(zhì)隨傾角的增大，逐漸覆蓋整個熱側(cè)水管，換熱能力達到最強，換熱效果在水平與豎直情況下較差;當(dāng)傾角為10°～15°時，換熱效果較好。熱水進口在70 ℃，冷水進口為40 ℃時，整體換熱效果比熱水進口為60 ℃，冷水進口為30 ℃時略好。

3.3 60%充注量時數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為60%時，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線如圖8所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖9所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖10所示。

由圖8～圖10可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進行膜狀凝結(jié)，換熱情況與20%，40%充注量時類似，傾角水平與豎直換熱效果較差，實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°時，換熱效果最好。當(dāng)充注量達到60%，蒸發(fā)段環(huán)型熱管內(nèi)的工質(zhì)隨傾角的增大，可以逐漸覆蓋整個熱側(cè)水管，換熱能力較強，換熱效果在水平與豎直情況下較差。實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角在5°～10°時，換熱效果較好。熱水進口在70 ℃，冷水進口為40 ℃時，整體換熱效果比熱水進口為60 ℃，冷水進口為30 ℃時略好。

3.4 80%充注量時數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為80%時，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線如圖11所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖12所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線如圖13所示。

由圖11～圖13可以看出，當(dāng)充注量達到80%時，制冷劑工質(zhì)幾乎占據(jù)了整個環(huán)形套管，運行阻力大幅增加。當(dāng)傾角分別為90°，60°，45°時，幾乎沒有相變換熱，工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)后沒有發(fā)生有效流動，使蒸發(fā)段換熱系數(shù)數(shù)值較大，而冷凝段換熱系數(shù)較小。當(dāng)傾角逐漸變小時，蒸發(fā)冷凝換熱得以有效進行，蒸發(fā)段換熱系數(shù)下降，冷凝段換熱系數(shù)上升，水平時達到最大。

3.5 各充注量傳熱系數(shù)綜合對比

以冷凝段為例，在不同充注量下，換熱量與傾斜角關(guān)系曲線如圖14所示。由圖14可以看出，熱管工作的最佳充注量為40%，最佳傾角為5°，充注量較大或較小都會影響熱管的工作性能。較小的充注量使熱管啟動困難，不能充分發(fā)揮熱管的換熱性能，無法有效的發(fā)揮蒸發(fā)段的全部性能;較大的充注量使可容納的工質(zhì)蒸汽空間減少，蒸汽的運行阻力增大，影響換熱。傾斜角度也是影響換熱的因素，豎直與水平都不利于熱管的換熱。因此，實驗時要選用合適的充注量和傾斜角，充注量過小或過大都會影響環(huán)型熱管的工作性能。

4 結(jié)束語

本文對一種新型環(huán)型流熱管的傳熱性能進行研究，并對不同傾斜角與充注量下的傳熱原理進行討論。實驗結(jié)果表明，當(dāng)充注量為40%，傾斜角為5°時，環(huán)型流熱管充分發(fā)揮換熱能力，達到環(huán)型熱管的最佳工作狀態(tài)。當(dāng)充注量與傾斜角增大或減小時，傳熱系數(shù)隨之減小;傾斜角處于垂直或水平時，不利于環(huán)形流熱管的傳熱;冷熱水的進口溫度上升時，提升環(huán)形流熱管的換熱性能。本文設(shè)計的高效節(jié)能型無菌熱管能量回收裝置，達到了無菌需求，同時完全避免了交叉污染，可有效降低電能與蒸汽的消耗量，減少對冷凍水的需求，具有較高的經(jīng)濟效益與實用價值，對我國提高能源綜合利用率具有重要作用。

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