徑向重力熱管在雙管水平偏心結(jié)構(gòu)下的試驗(yàn)與應(yīng)用

陳 軍 邱 芬 楊 峻

南京圣諾熱管有限公司（江蘇南京 210008）

重力熱管的相關(guān)應(yīng)用，大部分是利用其軸向傳熱的特性，研究者在這方面已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與研究[1-5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，國外學(xué)者提出了雙管同心結(jié)構(gòu)，并在兩管之間放置了吸液芯，進(jìn)行了傳熱性能研究[6-7]，國內(nèi)也有學(xué)者做了同軸結(jié)構(gòu)的一系列實(shí)驗(yàn)研究[8]，得到了相關(guān)性能曲線。由于雙管的兩軸同心，限制了內(nèi)管外壁面冷凝換熱面積的調(diào)節(jié)。如果內(nèi)外管采用不同軸的偏心結(jié)構(gòu)型式，可有效增加內(nèi)管外壁面冷凝換熱面積，提高換熱效果。同時，考慮簡化結(jié)構(gòu)，易于工程中應(yīng)用，取消了內(nèi)部吸液芯，通過系列實(shí)驗(yàn)，得到了可行的數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)，為工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。所研制的偏心式徑向重力熱管換熱器，提高了在低溫或腐蝕性環(huán)境中余熱回收設(shè)備的安全可靠性，可低成本地用于制酸系統(tǒng)余熱回收、加熱爐及鍋爐尾部的煙氣深度余熱回收等，取得了顯著的節(jié)能效果。

1 結(jié)構(gòu)與傳熱過程

徑向重力熱管是一種結(jié)構(gòu)型式特殊的水平夾套兩相閉式熱虹吸管，也稱雙管式熱虹吸管。圖1（a）為內(nèi)外管同軸型式；圖1（b）為結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的徑向偏心重力熱管，將內(nèi)管適當(dāng)抬高，使其位于工質(zhì)（液池）之上，增加了內(nèi)管的外表面在環(huán)狀間隙蒸汽腔的面積，相對于同軸布置的結(jié)構(gòu)，增加了冷凝換熱面積。工質(zhì)在其夾套管內(nèi)的換熱過程較為復(fù)雜，當(dāng)外管外流經(jīng)熱流體、內(nèi)管流經(jīng)冷流體時，主要傳熱過程包含管壁的導(dǎo)熱、液池沸騰和蒸發(fā)、冷凝換熱。在內(nèi)、外管之間的環(huán)狀間隙中，又分為上部的蒸汽腔和下部的液體腔。蒸汽腔內(nèi)的蒸汽主要來自液體腔（液池）中工質(zhì)的沸騰及其蒸發(fā)過程中攜帶到外管內(nèi)壁面上方的飛濺液膜的蒸發(fā)；內(nèi)管基本處于蒸汽腔內(nèi)，蒸汽在水平內(nèi)管外表面上冷凝放出凝結(jié)潛熱，熱量沿徑向通過內(nèi)管壁導(dǎo)入到流經(jīng)內(nèi)管里的冷流體，實(shí)現(xiàn)冷、熱流體的熱交換。

圖1 徑向重力熱管

當(dāng)徑向重力熱管處于工作狀態(tài)時，主要過程有對流、蒸發(fā)、凝結(jié)和導(dǎo)熱幾個部分。圖2是它的一個軸向斷面圖，內(nèi)、外管呈水平狀態(tài)，當(dāng)其處于工作狀態(tài)時，包含以下8個主要傳熱過程，按熱量傳導(dǎo)方向依次由外管向內(nèi)管為：（1）外部熱流體與外管的對流換熱；（2）熱量由外管外壁面向其內(nèi)壁面的傳熱；（3）內(nèi)管與外管間隙內(nèi)，液池中工質(zhì)的蒸發(fā)與沸騰換熱；（4）內(nèi)管與外管間隙內(nèi)，液池外上方，外管內(nèi)壁面上液膜的傳熱與蒸發(fā)；（5）內(nèi)管與外管間隙內(nèi)，蒸汽與內(nèi)管外壁面上的凝結(jié)換熱；（6）熱量通過內(nèi)管外壁面上液膜的傳熱；（7）熱量通過內(nèi)管管壁的傳熱；（8）內(nèi)管內(nèi)壁對液體的對流換熱。

2 可視化試驗(yàn)

2.1 可視化試驗(yàn)方法

可視化試驗(yàn)管采用耐高溫玻璃管，內(nèi)管為?15 mm×2 mm，外管為?40 mm×2 mm，長度為660 mm；內(nèi)、外管水平布置，外管外套裝螺旋狀電爐絲，形成輻射加熱狀態(tài)；在內(nèi)外管間隙中加入工質(zhì)，觀察充液量、熱流密度對工作介質(zhì)的流動狀態(tài)帶來的影響，以及內(nèi)管在圖3所示的1，2，3號位時對流態(tài)的影響，對觀察結(jié)果進(jìn)行定性分析。

2.2 管內(nèi)蒸發(fā)狀態(tài)分析

初步觀察，在內(nèi)、外管間隙內(nèi)，隨管內(nèi)工質(zhì)不斷受熱蒸發(fā)，徑向蒸汽量逐漸增加，流型逐漸由細(xì)泡狀、氣塞狀、波狀分層狀變化到汽彈狀。內(nèi)管處于1號位置時，內(nèi)外管間隙內(nèi)高液位處，內(nèi)管大部分處于液池中，液面上產(chǎn)生的許多細(xì)小汽泡包圍在內(nèi)管上部，大大減弱了內(nèi)管的換熱效果。隨著充液量的減小，液位下降，內(nèi)管外壁面有一部分在蒸汽中進(jìn)行凝結(jié)換熱，還有部分被氣泡包圍，對傳熱效果也有影響。當(dāng)液位下降到內(nèi)管底部以下時，內(nèi)管外壁基本處于蒸汽腔中，其凝結(jié)換熱面積最大，換熱效果好，是一種較理想的狀態(tài)，內(nèi)外管處于1號位時是容易實(shí)現(xiàn)這種狀態(tài)的。與普通的水平管外凝結(jié)換熱相比，普通水平管外凝結(jié)換熱后，冷凝液沿管壁向下流動，水平管底部聚集了較厚的冷凝液膜，部分影響了換熱效果；而在內(nèi)管偏心的結(jié)構(gòu)型式中，內(nèi)管外壁底部下方存在液池，并產(chǎn)生沸騰，破壞了該處的凝結(jié)液膜，增強(qiáng)了換熱效果。因此，對于內(nèi)外管偏心，較好的結(jié)構(gòu)型式是內(nèi)管采用1號位布置，合理的液池高度為：內(nèi)外管間隙中液池的高度控制在內(nèi)管底部以下。

3 傳熱性能試驗(yàn)研究

水平雙管偏心熱虹吸管內(nèi)部的傳熱包含對流、沸騰、蒸發(fā)與凝結(jié)。雖然在每種獨(dú)立狀態(tài)下的理論分析和計(jì)算方法均已成熟，但是，這些過程綜合疊加起來就變得較為復(fù)雜，邊界條件的假設(shè)、計(jì)算方式的選擇均沒有十分的把握，因此，對其進(jìn)行性能測試。

單支試驗(yàn)管的內(nèi)、外管材均選用GB/T 3087—2008《低中壓鍋爐用無縫鋼管》20#鋼，內(nèi)管?25 mm×3.0 mm，外管?57 mm×3.5 mm；管外纏繞高頻焊螺旋翅片，翅片高20 mm、厚2 mm、螺距10 mm；管外壁布置有6組24對測溫?zé)犭娕迹拷M4對熱電偶在熱管軸向垂直截面呈上、下、左、右對稱分布，圖4給出了6個截面上的測溫點(diǎn)位置和編號。加熱采用兩臺KSY系列可控硅溫度控制器管式電爐，其額定功率為每臺5 kW，額定溫度為1000℃。內(nèi)管通水冷卻，采用LZB-15玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制水流量，溫度數(shù)據(jù)采用微機(jī)測量系統(tǒng)進(jìn)行記錄。

圖4 試驗(yàn)管熱電偶布置編號圖

根據(jù)可視化試驗(yàn)結(jié)果，圖3中1號位的結(jié)構(gòu)型式，能使內(nèi)管盡可能地離開液池。在該內(nèi)、外管布置結(jié)構(gòu)中，調(diào)整兩管偏心距為5～7 mm，可增加內(nèi)管的凝結(jié)換熱面積，提高換熱量。在此基礎(chǔ)上開展不同充液率下的性能試驗(yàn)。

圖5給出了不同充液率下液池表面的蒸發(fā)面積和內(nèi)管外表面的冷凝換熱面積。由圖5可見，對于圖3中1號位的結(jié)構(gòu)型式，在內(nèi)、外管布置結(jié)構(gòu)中，兩管偏心距為5～7 mm時：當(dāng)充液率小于40%時，內(nèi)管位于液池上方，其冷凝表面積即為內(nèi)管的外表面積，隨充液率的增加，液池的蒸發(fā)面積增大；當(dāng)充液率大于40%時，液池的蒸發(fā)面積和冷凝面積都開始減小。內(nèi)、外管處于同心位置時，隨充液率的增加，內(nèi)管上冷凝表面積和液池的蒸發(fā)面積都逐漸減小。

圖5 不同充液率下蒸發(fā)與冷凝面積

3.1 啟動性能

啟動性能主要取決于管內(nèi)工作介質(zhì)的物性、加熱和冷卻的方式與強(qiáng)度、加熱功率增長速率、初始溫度以及熱管的原始真空度等。內(nèi)、外管處于水平受熱狀態(tài)，外管部分所有加熱表面均勻受熱，軸向溫度分布相對均勻，蒸汽在兩管之間沿徑向方向流動，流動距離短、摩擦阻力小，因此，啟動較迅速。

圖6給出了在輸入功率相同的情況下，不同充液量時相同截面處（2-2截面）測點(diǎn)溫度與時間的關(guān)系曲線。從圖6曲線可以看出：在輸入功率相同的條件下，充液率低的溫度上升速率較快；在同一時間內(nèi)，充液率低的其溫度明顯較高。

圖6 30%、60%充液率下的性能曲線

3.2 等溫性能

等溫性能通常指在一定熱負(fù)荷和工作條件下，沿軸向呈現(xiàn)的管壁溫度均勻性特征。

與軸向傳熱相比，水平徑向偏心熱虹吸管具有較好的軸向等溫性能，由于是徑向傳熱，沿管長軸方向基本處于同一飽和蒸汽溫度范圍，因此，無論在低功率水平還是高功率水平下，沿軸向水平管內(nèi)的等溫性能均較好。然而，在徑向由于下部存在液池，所以有一定的溫差。圖7給出了相同輸入功率下同一個截面周向在30%和60%充液率下的溫度曲線。從圖7可看出：30%充液率時，最大溫差有37℃，這與213測點(diǎn)處于液池底部有關(guān)；而在60%充液率條件下，徑向溫差較小，由213，210和215測點(diǎn)在液池中所致。

圖7 徑向等溫性能曲線

3.3 傳熱功率

在充液率分別為30%、60%、80%的不同狀態(tài)下，相同輸入功率下充液量與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系見圖8。充液率為30%時，內(nèi)管外壁面在液池上方，冷凝面積大，傳輸功率高；隨充液率增大，內(nèi)管在液池中的面積逐漸增大，其冷凝面積減小，傳輸功率隨之降低。

圖8 30%、60%、80%充液率下的傳輸功率

4 應(yīng)用

由水平徑向偏心熱管傳熱元件組成的偏心熱管換熱器，通常徑向熱管水平置于熱流體（氣體）通道內(nèi)，熱流體自下而上掠過外管，需要加熱的液態(tài)冷流體（如給水）走內(nèi)管內(nèi)部。徑向熱管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得液態(tài)冷流體（給水）系統(tǒng)完全和熱流體分隔，給水加熱不受煙氣的直接沖刷，特別是當(dāng)熱流體流經(jīng)的熱管外管壁遭到破壞時，內(nèi)管內(nèi)的水也不會漏入熱流體側(cè)，增加了設(shè)備的可靠性；同時，水平徑向熱管具有很好的等溫性能，不凝性氣體對其影響極小，傳熱性能較好。該設(shè)備主要應(yīng)用于煙氣中含有腐蝕性介質(zhì)以及煙氣的深度余熱回收中，如鍋爐、廢熱鍋爐尾部低低溫省煤器、制酸系統(tǒng)余熱鍋爐給水預(yù)熱器等。目前，已成功應(yīng)用在硫酸余熱回收系統(tǒng)、電站鍋爐的低低溫省煤器以及煙氣深度余熱回收的各系統(tǒng)中，為連續(xù)生產(chǎn)、安全節(jié)能起到一定的作用。

圖9為某電站鍋爐配套的低低溫省煤器結(jié)構(gòu)示意及部分制造、安裝圖，該設(shè)備投入運(yùn)行后，可將鍋爐排煙溫度由原來的125～150℃降低到90～110℃后排放，為后續(xù)除塵增效，利用余熱增加發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)煤1～4 g/（kW·h），機(jī)組效率提高了0.2%～1.2%。

圖9 某低低溫省煤器示意圖

5 結(jié)論

由可視化試驗(yàn)可知，內(nèi)外管采用1號位布置結(jié)構(gòu)型式較好；合理的工質(zhì)（液池）高度應(yīng)控制在內(nèi)管底部以下，這種情況下內(nèi)管外壁基本處于蒸汽腔中，使其凝結(jié)換熱面積最大化，是一種較理想的狀態(tài)。

通過對試驗(yàn)管的一系列性能測試，得到了啟動、等溫和傳輸功率的性能曲線。對于啟動性能，在充液率低的情況下溫度上升速率較快，并且溫度明顯高于充液率高的情況。徑向等溫性與液池高度（即充液率）有關(guān)；由相同輸入功率下的充液量與輸出功率的對應(yīng)關(guān)系可知，較好的充液率為30%左右，試驗(yàn)管偏心距在5～7 mm之間，這與可視化試驗(yàn)所得到的分析結(jié)果基本一致。