含不凝氣重力熱管啟動和等溫性能實驗研究

任彬 湯曉英

上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術研究院 （上海 20006）國家熱交換器產品質量檢驗中心（上海）（上海 201518）

熱管是一種具有較高真空度、灌裝了一定工作介質的密閉中空管子[1]。重力熱管是一種特殊類型的熱管，雖然也是利用工作介質的蒸發(fā)和冷凝來傳遞熱量，但與普通熱管不同，管內沒有吸液芯。氣態(tài)工作介質在冷凝段凝結成液態(tài)后，僅依靠重力的作用即可回流到蒸發(fā)段，重新參與熱量傳遞。因此重力熱管具有結構簡單、制造方便和價格低廉的優(yōu)點，被廣泛應用于各種工業(yè)領域[2]，如：在石油化工行業(yè)用于加熱爐余熱回收，在動力行業(yè)被用作余熱鍋爐、省煤器，在冶金行業(yè)用于熱風爐余熱回收。

鋼-水重力熱管以其成本低和適用溫度范圍廣的特點，在工業(yè)上得到了廣泛應用。然而鋼和水會發(fā)生化學或電化學反應產生氫氣，氫氣是一種不凝性氣體[3]。眾所周知，靜止狀態(tài)的混合蒸汽冷凝，僅0.5%體積分數的不凝性氣體就可使傳熱系數下降50%[4]。Ren等[5]通過實驗和數學模型的方法研究了含不凝氣混合蒸汽在水平管內的冷凝特性。結果發(fā)現(xiàn)，不凝氣含量為30%時，傳熱系數最高下降了59.32%，但在高雷諾數（Re）條件下，較強的氣液界面剪切力能削弱不凝氣對冷凝傳熱的不利影響。

Mantelli[6]建立了含不凝氣條件下萘熱管的回路熱阻模型，并與充有氬氣的萘熱管熱阻實驗值進行了對比，結果較為吻合，表明該模型可用于該類重力熱管換熱器的工藝設計。但該模型僅關注了不凝氣對重力熱管傳熱性能的影響，沒有涉及不凝氣對熱管啟動及等溫性能的影響。本文將通過獨立搭建的實驗裝置，研究不凝氣充氣比和加熱功率對熱管啟動性能的影響，以及加熱功率對等溫性能的影響。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

重力熱管實驗裝置如圖1所示，主要包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)及待測重力熱管[7-8]。加熱系統(tǒng)由電加熱套、穩(wěn)壓器、調壓器、電壓表和電流表組成。冷卻系統(tǒng)由水箱、離心泵、流量計和冷卻水夾套組成。數據采集系統(tǒng)由數據采集器、電腦和測量儀表組成，測量儀表除上述電壓表、電流表和流量計外，還包括冷卻水進口處的2根鎧裝T型熱電偶，焊接在重力熱管外表面的12根熱電偶測溫線。

待測重力熱管的管殼材料為紫銅，充裝的工作介質為去離子水。熱管管壁厚3 mm，外徑為25 mm，總長1 000 mm，其中蒸發(fā)段長350 mm、絕熱段長300 mm、冷凝段長350 mm。管殼和端蓋經焊接形成封閉腔體后，還需要進行充液和充氣。重力熱管充液充氣裝置如圖2所示，包括真空泵、真空表、儲液罐、滴定管、氫氣瓶及配套的管路和閥門。在充液充氣前，先打開球閥1、球閥2和針閥1，關閉球閥3和針閥2；啟動真空泵對整個充裝系統(tǒng)抽真空，直至達到預設的真空度要求，然后關閉球閥2和針閥1；打開球閥3，向滴定管內注入一定量的去離子水；關閉球閥3，緩慢打開針閥1向熱管中充入預設量的工作介質；關閉針閥1，緩慢打開針閥2向熱管中充入預設量的氫氣；關閉球閥1，含不凝氣的重力熱管即制備完成。

圖1 重力熱管實驗裝置圖

圖2 重力熱管充液充氣裝置圖

1.2 實驗方法

重力熱管的傳熱量可根據電加熱帶的加熱量來確定。

式中：U為電加熱帶兩端電壓，V；I為流經電加熱帶的電流，A。

重力熱管的傳熱量還根據冷卻水夾套的吸熱量確定。

式中：cp為冷卻水定壓比熱容，J/(kg·s)；ρ為冷卻水密度，kg/m3；V 為冷卻水體積流量，m3/s；Tco，i，Tco，o分別為冷卻水進出口溫度，℃。

只有電加熱帶的加熱量Q1與冷卻水夾套的吸熱量Q2誤差小于5%時，該組實驗數據才會被采用。最終的傳熱量取加熱量和吸熱量的算術平均值。

通過測量和比較熱管管壁溫度即可評價重力熱管的啟動等溫性能。12根熱電偶測溫線中，4根布置在蒸發(fā)段，2根布置在絕熱段，6根布置在冷凝段。通過對比實驗測得的傳熱系數與關聯(lián)式計算得到的傳熱系數，可驗證實驗裝置中各項儀器儀表的可靠性。因蒸發(fā)段傳熱模式較復雜，本文僅比較冷凝傳熱系數，可通過（4）式計算。

式中：Ac為冷凝段傳熱面積，m2；Tc為冷凝段平均壁溫，℃；Ta為絕熱段平均壁溫，℃。

2 結果與討論

2.1 裝置可靠性驗證

為驗證裝置可靠性，首先進行了不含不凝氣時重力熱管的傳熱性能實驗。圖3顯示了冷凝傳熱系數實驗值與計算值的對比情況。由圖3可見，冷凝傳熱系數實驗值與Chen[9]公式計算值較接近，而小于Nusselt[10]公式計算值。這是因為：在建立Nusselt公式時，假設蒸汽是靜止狀態(tài)的；在重力熱管冷凝段，蒸汽是自下而上流動的，與向下流動的液膜會產生摩擦，在氣液界面形成向上的剪切力，從而增加了液膜厚度，降低了冷凝傳熱能力。Chen建立的公式中考慮了界面剪切力的作用，因而能準確預測出冷凝傳熱系數。實驗值與計算值的最大正誤差為+15%，最大負偏差為-7%，均在合理范圍內，驗證了實驗裝置的可靠性。

2.2 啟動性能

圖3 冷凝傳熱系數對比圖

熱管的啟動性能由啟動時間來衡量，所謂啟動時間是指從開始給熱管加熱到熱管穩(wěn)定工作所需的時間。當熱管絕熱段的壁溫波動不超過1℃/min時，可認為熱管進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。圖4顯示了相同加熱功率、不同充氣比時絕熱段壁溫隨時間的變化曲線。由圖4可見，含不凝氣重力熱管的啟動不同于常規(guī)重力熱管的啟動，常規(guī)重力熱管啟動時，絕熱段壁溫是緩慢上升到工作溫度的，但充入不凝氣后，絕熱段壁溫在啟動初期沒有變化，經過一段時間后，壁溫會先急劇上升到某一溫度，然后再緩慢上升到工作溫度，并最終穩(wěn)定下來。這是因為：充裝不凝氣后，管內絕對壓力變大，導致蒸發(fā)段產生蒸汽的時間變長，且在此期間絕熱段沒有蒸汽流過，所以壁溫會保持不動；但當蒸發(fā)段開始產生蒸汽后，蒸汽會立即將不凝氣吹掃到冷凝段，所以壁溫會急劇上升。同時，充氣比越大，啟動時間越長，穩(wěn)定后的工作溫度越高，這是因為壓力越高，對應的蒸汽飽和溫度越高。圖5顯示了相同充氣比，不同傳熱量時絕熱段壁溫隨時間的變化曲線。由圖5可見，傳熱量越大，啟動時間越短，穩(wěn)定后的工作溫度越高。當傳熱量足夠大時，幾乎沒有壁溫在某一階段穩(wěn)定不動的現(xiàn)象。

圖4 不同充氣比時重力熱管啟動曲線圖

圖5不同傳熱量時重力熱管啟動曲線圖

2.3 等溫性能

圖6為含不凝氣重力熱管壁溫軸向分布圖。由圖6可見，蒸發(fā)段的壁溫高于絕熱段和冷凝段，這是因為熱量從蒸發(fā)段傳遞至絕熱段和冷凝段，在此過程中蒸汽會產生壓降，蒸汽對應的飽和溫度會下降，所以壁溫沿軸向降低。傳熱量越大，蒸發(fā)段壁溫越高，這是由于傳熱量越大意味著加熱帶的功率越大，表面溫度越高，引起與之接觸的蒸發(fā)段壁溫升高。壁溫在蒸發(fā)段和絕熱段分布比較均勻，在冷凝段出現(xiàn)不等溫的現(xiàn)象；這是因為不凝氣被蒸汽吹掃到重力熱管頂部，不凝氣占據的部分不參與傳熱，所以該處的溫度較低。傳熱量越小，冷凝段壁溫下降越明顯；這是因為傳熱量越小，工作溫度越低，對應的飽和壓力越小，不凝氣密度越小，占據的體積就越大。

圖6 重力熱管壁溫軸向分布圖

3 結論

通過實驗的方式研究了含不凝氣重力熱管的啟動和等溫性能，定量分析了充氣比和傳熱量對啟動和等溫性能的影響。首先介紹了實驗裝置的組成和實驗方法，其次通過對比冷凝傳熱系數驗證了裝置的可靠性，最后研究了不凝氣充氣比和傳熱量對熱管啟動性能的影響，以及傳熱量對等溫性能的影響。實驗結果表明：相同傳熱量時，充氣比越大，啟動時間越長，工作溫度越高；相同充氣比時，傳熱量越大，啟動時間越短，工作溫度越高。蒸發(fā)段的壁溫高于絕熱段和冷凝段，且壁溫在蒸發(fā)段和絕熱段分布較均勻，在冷凝段出現(xiàn)了不等溫的現(xiàn)象；傳熱量越小，不等溫現(xiàn)象越明顯。