倾角与冷却水温度对新型闭式重力热管换热器传热性能影响

李棚辉 韩晓星 王亚雄 吴 伟

(内蒙古科技大学化学与化工学院 包头 014010)

倾角与冷却水温度对新型闭式重力热管换热器传热性能影响

李棚辉 韩晓星 王亚雄 吴 伟

(内蒙古科技大学化学与化工学院 包头 014010)

本文以丙酮为工作流体，设计了一套新型重力热管换热器，该装置由五根底部连通的垂直蒸发管共用一根水平同心套管冷凝管构成。采用理论和实验相结合的研究方法，分析了装置的传热性能，并对其结构参数进行优化。研究了当倾斜角度为15°～90°、操作温度为40～80 ℃、冷却水温度为10～30 ℃时装置的传热性能。结果表明：新型重力热管换热器具有良好的等温性能及操作稳定性；当充液率为15%、倾斜角度为60°、冷却水温度为30 ℃时，换热器达到最佳工作状态；最大传热量可达1 700 W左右，此时平均热阻为0.042 ℃/W。

重力热管；余热回收；传热性能

随着21世纪的来临，我国国民经济飞速发展，能源消耗越来越大，随之环境污染越来越严重，因此能源消耗问题亟待解决。我国能源利用率较低[1-4]，很大一部分的余热被排放，造成能源浪费。近年来，余热回收问题越来越受到重视。目前，在工业余热回收装置中，主要采用热管换热器，具有以下优点：传热效率高、冷热流体间接接触、属于无源工件、环境适应性强、可靠性高、性价比高，具有良好的经济和社会效益。一般将热管分类三类：传统热管(CHP)、重力热管(TPCT)和脉动热管(OHP)[5]，三种热管的工作原理均利用工作流体“相变吸热-冷凝放热”进行热量传递。其中传统热管(CHP)是利用吸液芯实现工作流体从冷端到热端的回流[6-10]，因此没有工作角度的限制。与其相对应的重力热管，由于内部结构无吸液芯，工作流体依靠重力回流[11-12]，因此工作时必须与水平面有一定倾斜角度。由于重力热管内部结构简单，制造成本低，在实际生产中有广泛应用，但局部烧干现象[5]会严重影响热管换热器的最大传热能力。本文设计的新型重力热管换热器，可以解决局部烧干问题，为后续工业应用做好充足的实验及理论分析。

1 实验研究

1.1新型重力热管换热器的结构及工作原理

新型重力热管换热器结构如图1所示，分为蒸发段、冷凝段和绝热段三部分。其中蒸发段为加热丝缠绕加热部分，该部分可随加热丝缠绕的匝数以及长短不同而改变；冷凝段为冷却水带走热量的部分；绝热段为蒸发段与冷凝段的中间部分。图1标明了蒸发段和绝热段热电偶的测试位置，冷凝段热电偶位置分别位于每根蒸发段与绝热段热电偶的正上方，冷却水进出口分别布置两根热电偶以测量冷却水进出口温差。绝热段平均温度定义为操作温度。换热器的冷凝段由同心套管结构构成，内部均匀设置五个半圆形挡板，内外管环隙部分与下方蒸发段相通。蒸发段是由五根底部连在一起的蒸发管构成，冷却水在冷凝段的内管中循环流动带走热量。换热器的工作原理如图2所示。蒸发段吸收热量，工作流体受热汽化，经过五根蒸发管上升至冷凝段；冷却水流经冷凝段内管，吸收热量，工作流体在内管外壁放热冷凝，在重力作用下回流至蒸发段液池内。以此往复，完成下一个循环，由于冷凝段设置半圆形挡板，因此可以增加冷却水的扰动，强化传热，具体换热器参数见表1。

图1 换热器结构图Fig.1 Schematic of the novel heat pipe array

图2 新型换热器的工作原理示意图Fig.2 Working principle of the novel heat exchanger

表1 热管参数

1.2 实验台搭建

1恒温冷却水槽；2球阀；3液体流量计；4热管排；5支架；6直流电源；7数据采集器；8电脑图3 新型热管排传热性能测试系统Fig.3 Schematic view of the system for measuring the thermal performance of the novel heat pipe array

新型重力热管换热器实验台如图3所示，实验测试系统由新型重力热管换热器、加热系统(直流稳压电源)，冷却系统(恒温冷却水槽)、数据采集器、电磁流量计及配套电脑构成。考虑热管换热器向环境散热会造成很大的实验误差，在热管底部表面均匀地缠绕好电阻丝后，再在热管外壁紧密包裹一层岩棉。由于电阻丝没有绝缘层，为防止电阻丝与热管直接接触造成短路事故，需要在热管外壁包上刚玉管起绝缘作用。实验时，将热管换热器水平安装在小型热管实验台上，为了保证底部连通管中的工质均匀，安装时用水平仪校准。校准并固定热电偶，并将其与数据采集器连接。热电偶分布在冷却水进出口，蒸发段、绝热段、冷凝段以测得各个部分的温度，热电偶分布见图1。其中换热器材质为Al 6063，按照设计图纸加工后对其进行抽真空处理。将充液率定义为工作流体与换热器内腔体积之比，由于换热器在改造之前对充液率为10%和15%的装置进行了测试，经过数据分析，充液率15%的传热性能较好，因此实验选用15%的充液率。当抽真空到1.0×10-3Pa以下时，将充液率为15%的工作流体(丙酮)充入管内，对其进行氩弧焊焊接，并进行24 h老化，确保装置的可靠性。

1.3不确定度分析

根据不确定度叠加原理[13-14]，热电偶不确定度为0.75%，功率表不确定度为1%，电磁流量计不确定度为0.5%，热损失占总热量的10%。因此整个实验系统的相对不确定度为10.09%。综上所述：实验台测试精度较高，测试结果可靠。

2 实验过程

倾斜角度调整范围为15°～90°，间隔15°；冷却水温度调整范围为10～30 ℃，间隔10 ℃。利用单一变量实验的方法进行测试。例如首先将倾斜角度固定为15°，冷却水温度调整至10 ℃，从100 W开始加大加热功率，对装置进行测试。当热管的工作温度在5 min内变化小于1 ℃时，视热管达到稳定工作状态。当热流密度过大，冷凝后的工作流体无法回流到蒸发段，造成蒸发段干涸，出现烧干现象，主要表现为管壁温度急剧上升，认为此时的传热量为该装置的最大传热量。

3 数据处理原理

稳压直流电源的输入功率：

Qin=UI

(1)

式中：U和I分别为直流电源显示的电压和电流，单位分别为V和A。

装置回收的热量：

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

(2)

式中：cp,c为冷却水的比热容，kJ/(kg·℃)；mc为冷却水的质量流量，m3/h；Tc,i和Tc,o分别为冷却水的进出口温度，℃。

蒸发段的热通量为：

Qe=Qinη-Qloss

(3)

式中：η为直流电源的工作效率；Qloss为装置的热损失，W。

通过测量热管的表面温度，可以确定热管排的等温性，热阻和最大传热能力。

其中热阻是评价一个换热器传热性能的重要参数之一，计算方法：

(4)

式中：R为热阻，℃/W，Te和Tc分别为蒸发段和冷凝段的温度，℃。

4 结果和讨论

在不同操作温度和不同影响因素下对新型热虹吸管排进行了实验研究，并分别对其进行理论分析。

4.1倾斜角度对装置传热性能的影响

随着热管使用的小型化以及小温差、大热流密度等趋势，热管使用的稳定性越来越重要[15]。相对于垂直状态，在一定倾斜状态下，热虹吸管的传热稳定性较好。

冷却水流量为0.5 m3/h时，分别对不同倾斜角度(30°～90°，间隔10°)及不同操作温度下(40～80 ℃，间隔10 ℃)装置的最大传热量进行测试，以此确定最佳倾斜角度。

图4 倾斜角度对最大传热量的影响Fig.4 The effect of inclination angle on the maximum heat transport capacity

由图4可知，不同操作温度下，随着倾斜角度的增大，最大传热量呈现先增大后降低的趋势，最大传热量出现在θ为60°左右。换热器的核心元件是重力热管，工作流体回流的动力为重力在垂直方向上的分力。当倾斜角度小时，分力小，动力小，因此回流速度慢，传热性能低；随着倾斜角度的增大，重力在垂直方向上的分力逐渐增大，因此最大传热量随之增加。随着倾角的增大，管内上升的工质蒸气与回流液体的剪切力也变大，会大大的阻碍蒸气的上升和液体的回流，降低热管的传热能力。当热管处于垂直状态附近时，管内气液两相流动处于环状流状态，液膜厚度较均匀，不存在传热性能周向不均匀，蒸发段转变为以流动沸腾为主[16]，总传热系数下降。此外，随着操作温度的增加，最大传热量呈现逐渐增大的现象。当操作温度为80 ℃时，传热量最大，为1 700 W。

4.2 热管排的等温性

通过上述实验得知最佳倾角为60 ℃左右，在操作温度为40～80 ℃、不同加热功率工况下，用热电偶测定各个部分的温度，并对其进行分析，如图5所示。由图5可知，在管排烧干之前，同一操作温度下，热管排的蒸发段及冷凝段的平均温度分别维持在某一数值左右，等温性良好。

图5 新型热管换热器的管壁温度分布图Fig.5 Wall temperature distribution of the novel heat exchanger

4.3冷却水温度对热阻的影响

从热阻的定义来看，影响热阻的因素主要是蒸发段和冷凝段的温差和加热功率。不同操作温度和加热功率下的热阻如图6所示。从图中可以看出，当加热功率较小时，热阻较大；随着加热功率的增大，热阻逐渐减小；当降到最低热阻时，系统维持在最低热阻工作；当加热功率增大到某一值时，热阻剧增。原因在于当加热功率较低时，热管内的工作流体没有发生相变，主要靠热传导进行传热；当增大加热功率时，工作流体吸热发生相变，靠相变传热，因此热阻降低[17]；在正常工作范围内，热阻是稳定的；当加热功率增大到某一值时，热流密度过大，液化的工作流体无法回流到蒸发段，造成液池干涸，达到装置的传热极限。在其他实验条件不变的情况下，随着冷却水温度的升高，重力热管换热器的最大传热量也随之增加，最大传热量为1 700 W，热阻也有所降低。

图6 不同冷却水温度下最大传热量和热阻的变化曲线Fig.6 Variation curves of the max heat transfer and thermal resistance under different cooling water temperature

5 结论

本文设计了新型重力热管换热器，并对其传热性能进行了实验研究和相应的理论分析。该装置的特殊结构强化了蒸发段和冷凝段换热系数，同时增加了加热和冷凝的面积。

与传统热管相比，新型重力热管换热器有更好的换热性能。在倾斜角度为15°～90°、操作温度为40～80 ℃、冷却水温度10～30 ℃的工况下对装置传热性能进行了测试。由实验结果可知：当倾斜角度为60°，操作温度为80 ℃，冷却水温度为30 ℃时，该换热器达到最佳工作状态。最大传热量为1 700 W，此时平均热阻为0.042 ℃/W。

本文受内蒙古科技大学大学生科技创新基金(2015031、2015036)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. 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

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。