同心套管与异心套管管排余热回收装置的实验研究

张正来　韩晓星　王亚雄　吴 伟　李棚辉

(内蒙古科技大学化学与化工学院　包头　014010)



同心套管与异心套管管排余热回收装置的实验研究

张正来韩晓星王亚雄吴 伟李棚辉

(内蒙古科技大学化学与化工学院包头014010)

本文设计了一套以铝为壳体，丙酮为工质的新型热管换热器。研究了不同热负荷，其系统倾角分别为30°、45°、60°、75°、90°，工质充液率为30%条件下的运行特性。通过改变倾斜角度及加热段长度和操作温度来测试余热回收系统的最佳传热性能和效率。结果显示:在实验条件下，最大传热量随着操作温度的升高、蒸发段长度的增长而增大，最佳倾斜角度为60°，最佳长度为270 mm。

重力热管；余热回收；传热性能

能源作为国民经济发展的重要基础，受到人们的广泛关注。就全国范围内召开的能源会议主题不难发现，如何更好地利用能源，尤其是工业领域中排放的余热，成为行业内亟待解决的难题[1]。余热是工业生产设备所排放出来的未被充分利用的能源[2-3]。包括高能耗工厂的高温废气中排放的余热、冷却介质吸收热量之后被排放的余热、可燃三废余热等。根据统计数据可知，各行业的余热总能量约占其燃料消耗总量的17%～67%，其中可回收利用的余热约为总余热的60%[4-5]。鉴于工业余热回收的低品位性及普遍性等问题，对换热器的要求越来越高。主要表现为需要在较小温差下传输较大的热量，此外还要求结构简单紧凑、造价低、能妥善处理低温腐蚀等问题[6-9]。热管换热器具有结构简单、造价低廉等优势，逐渐成为换热系统中的主流核心部件[10-11]。与传统的换热设备相比，热管换热器有输热能力大、均温性能优良、传热方向可逆、阻力损失小、安全耐用等很多优点，能最大限度的回收低品位余热[12]。而且热管换热器是一种静止设备，没有运动部件，几乎没有机械故障[12]。

热管换热器的核心元件是热管，工作原理是利用相变传递热量。热管分为三类：传统热管、两相闭式热虹吸管和脉动热管[13]。其中两相闭式热虹吸管具有无吸液芯，结构简单，传热系数高等优点，成为工业余热回收中首选的热管结构[8, 14-15]。然而，一般热管换热系统采用单一热管作为结构单元，此结构往往会导致热管出现“烧干”现象，影响整个换热系统的稳定性[16]。因此从热管结构优化出发，提出由两相闭式热虹吸管改装成的套管热虹吸管，旨在通过结构的优化与调整使热管在大负荷工况下“烧干”现象得到有效控制。

1 实验装置

1.1 热管材质与结构

图1 装置结构示意图Fig.1 The structure scheme of the device

本文研究的装置包括同心和异心两种结构，二者的结构示意图如图1所示。蒸发段均由5根材质为Al6063的铝管构成，区别在于冷凝段的冷却水通过的管子中心线是否与外套管重合，中心线重合的为同心套管热虹吸管，另一个为异心套管热虹吸管。这两种结构从纵向角度来看，管排内蒸气和回流液的运动状态与传统重力热管相同；但从横向角度看，连通的冷凝段扩展了蒸气和回流液在水平方向的流动，为调节蒸气凝结的位置和蒸发段液池内的工质分布提供可能性，因此能够有效降低烧干现象对传热性能的影响。下面介绍两种换热器元件的性能测试实验。1.2 实验台搭建

实验测试系统由热虹吸管排、数据采集器、铜加热器、流量计、直流电源、冷却水循环水槽构成。此外，铜加热器由电木进行固定。为了减少实验过程中的热量损失，在电木固定的铜加热器外包裹一层保温棉。如前所述，利用二级真空泵将材质为Al6063的管排抽至真空后，将工质丙酮充入热管排并用氩弧焊密封。温度采集系统采用热电偶测温，32个测温点的热电偶分布如下：每根蒸发段平均布置3根热电偶、与蒸发段相对应的冷凝段分别布置两根热电偶、每个绝热段布置1根热电偶、冷却水进出口分别布置两根热电偶。在测试之前，将热管排倒置后再缓慢将热管排倾斜至水平位置，保证丙酮在各热管排中的均匀分布。

2 实验数据及结果分析

2.1 管排等温性测试

由于实验装置热管长度的限制，本文选取蒸发段长度分别为170 mm、220 mm、270 mm三种情况进行实验。进行热管排等温性能测试时，选用蒸发段长度为270 mm的情况。

通过调整冷却水的流量及流速，使操作温度保持在40 ℃～80 ℃，并每隔10 ℃采集热电偶的温度。通过多次采集数据，对每根热管的蒸发段和冷凝段不同位置的稳定温度作关系曲线。

图2 热管排管壁温度分布图Fig.2 The temperature distribution of heat pipe tube wall

在相同的加热功率(490 W)及倾角(60°)下，两种热管壁的温度分布如图2所示。从图中可以看出，在相同加热功率下，热虹吸管排的5根蒸发段表面平均温度均高于冷凝段表面平均温度。此外，随着操作温度的升高，蒸发段各点温度差逐渐减小，冷凝段平均温度和蒸发段平均温度的温差也减小。因此在较高的操作温度下，热虹吸管排表现出良好的等温性。

2.2 倾斜角度对热管排最大传热量的影响

本文中定义倾斜角度为热管排倾斜方向与水平方向的夹角。每隔15°对热管排进行测试，研究热管排在同一加热功率下，倾斜角度对最大传热量的影响。

由于在较低的倾角和加热功率下，同心套管热管排无法正常运行，因此对于同心管排，需要从30°开始实验数据的采集。对倾角为30°～90°(温度梯度为15°)之间的温度数据进行采集并处理，倾斜角度与最大传热量之间的关系曲线如图3所示。

图3 倾斜角度与热管排传热性能的关系曲线Fig.3 The relation curve between tilt angle and the maximum heat transfer

当充液率为30%时，同心及异心套管热虹吸管排的最大传热量均表现为先升高后降低的趋势。即倾角为30°～50°时，最大传热量与倾角呈线性增长；当倾角为50°～60°时，热虹吸管排的最大传热量增长开始放缓，并在60°时达到最大值；倾角大于60°时，最大传热量出现明显下降趋势。因此当充液率不变时，倾斜角对热管排传热性能有明显影响。原因在于当管排倾斜放置时，倾角大小不仅会改变蒸发段液池的液位高度，还会影响冷凝液在热管轴、径向的分布，进而影响液膜的厚度和流动规律。热管排是否倾斜会导致沸腾换热原理的差异，因此热虹吸管排的内壁面上侧换热机理主要是液膜蒸发换热；对于壁面下侧，主要依靠气泡的滑移进行换热。

由图3可知，同心管排与异心管排的最大传热量分别达到850 W和1100 W左右。显然，异心套管排在该工况下拥有更为优异的传热性能。原因在于冷凝段异心结构的液态工质更易回流，强化了管内液态工质的冷凝，提高了冷凝段传热系数，从而提高装置的最大传热量。

图4 不同蒸发段长度下热管排的最大传热能力随操作温度的变化曲线Fig.4 The curve between maximum heat transfer capacity and the change of operating temperature under different evaporation length line

2.3 蒸发段长度对热管排传热性能的影响

对套管热管排而言，蒸发段的长度会影响热管排的整体传热性能。如2.2所述，倾角为60°时，热管排的传热系数最高，传热量最大。因此选用倾角为60°时的工况为基础，通过改变蒸发段长度分析蒸发段长度对传热性能的影响。对两种结构的热管排数据进行整理，不同蒸发段长度下最大传热量随操作温度的变化的关系曲线如图4所示。

由图4可知，当充液率和倾斜角度完全一致时，热虹吸管排的最大传热量明显增加。

当蒸发段长度为170 mm时，最大传热量在各个操作温度下的数值明显小于其他两组。原因在于热管工作过程中，冷凝段太长，冷却率过大，冷凝段和冷源之间热阻小，导致冷凝段工质不易气化；且蒸发段流到冷凝段的蒸气可能在途中又冷凝为液体，热量不能在冷凝段被冷却水带出，所以蒸发段的温度急剧升高，出现明显的过热现象。随着后两组热管排的蒸发段长度逐渐增加，相应的冷凝段缩短，最大传热量的数值呈现明显的上升趋势。

2.4 操作温度对热管排传热性能的影响

热管的工作温度即管内饱和蒸气的温度，为热管的重要参数之一。

由图5可知，随着操作温度的升高，各倾斜角下的最大传热量均呈上升趋势。因此在热管排工质的允许工作温度范围内，提高操作温度有利于增大热管排的传热量。

图5 传热极限曲线Fig.5 The heat transfer limit curve

本实验中的工质为丙酮，提高饱和气化温度会明显降低丙酮的气化潜热。因此，即便热管排的总传热量不变，在管内也会产生更多的工质蒸气，参与蒸发段与冷凝段间的相变传热。此外泡状流在蒸发段内的壁面上会产生蒸气，随着蒸气量的增加也会导致管壁气化核心的增多。因此换热强度会随着气泡数量的增加而增加。

由于液膜厚度被极度削弱，难以维持气化核心而产生环状流，因此壁面上的沸腾过程将由气-液相界面的蒸发代替。液膜拥有较强的导热能力，会通过强迫对流的方式将热量送达至气-液相界面。而该相界面的热量促使液相气化，导致液膜的厚度降低。上述过程可认为是提高换热能力、增加蒸发段沸腾换热系数的主要原因。位于冷凝段的气态工质放热转变为液态工质，因此气-液相界面会产生更大的摩擦力。在该摩擦切应力的作用下，冷凝段的液膜厚度也不断降低，较低的膜厚拥有更高的冷凝换热系数，使最大传热量不断增大。

3 结论

本文对传统热虹吸管进行结构优化后，分别对同心和异心套管热虹吸管排的传热性能进行测试。通过研究倾斜角度、蒸发段长度、操作温度对同心、异心套管排传热性能的影响并结合已有理论分析可以得出以下结论：

1)实验范围内，同心和异心套管热虹吸管排在倾斜角度为60°、蒸发段长度为270 mm时，热管排的传热量最大，传热性能最佳。

2)二者相比，异心套管热虹吸管强化效果优于同心结构。

本文受内蒙古科技大学大学生科技创新基金(2014066)和内蒙古科技大学创新基金(2014QDL027)项目资助。(The project was supported by the College Students′ Science and Technology Innovation Fund of Inner Mongolia University of Science & Technology(No. 2014066) 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.

Experimental Investigation on the Concentric and Nonconcentric Waste Heat Recovery Device

Zhang ZhenglaiHan XiaoxingWang YaxiongWu WeiLi Penghui

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

A series of tests were carried out on a new structure of heat pipe exchanger. It uses acetone as working fluid. The investigation was conducted at different heat loads, the tilt angles of device are 30°、45°、60°、75°、90°and the charging ratio of working fluid is 30%. The angles, length and operation temperature was adjusted in the test to investigate the thermal performance and effectiveness of heat recovery system. It reveals that the maximum heat transport increases with the augment of the operation temperature, evaporation length. Eventually, the experimental data showed that the optimum operating angle is 60°with evaporation length of 270 mm.

thermosyphon; waste heat recovery; heat transfer performance

0253- 4339(2016) 03- 0048- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.03.048

2015年7月10日

TK124； TQ051.5

A

简介

韩晓星，女，讲师，内蒙古科技大学化学与化工学院，15848260434，E-mail: hanxx1208@sina.com。研究方向：热管，高效节能技术与装置。