环型流热管传热性能的实验研究

曹宵瑜 蓝桦 任杰 田小亮

摘要：  针对热管的研究现状及当前医药食品行业的背景，本文对一种新型环型流热管的传热性能进行研究。基于环形流热管的工作原理，对环形流热管换热器的传热系数进行计算，在相同充注量及不同倾斜角的情况下，分别对两种冷热水进口温度的传热量及传热系数进行对比分析。分析结果表明，当充注量为40%，倾斜角为5°时，环型流热管换热最好，达到环型热管的最佳工作状态，充注量过多与过少以及倾斜角接近于竖直或水平都会降低热管的换热效果。该研究完全避免了交叉污染，满足无菌要求，有效降低了电能与蒸汽的消耗量，具有较高的实用价值，对我国能源发展战略规划具有重要意义。

关键词：  热管; 环形流热管; 换热系数; 倾斜角; 充注量

中图分类号： TK172.2 文献标识码： A

目前，我国能源存在利用效率低、经济效益差、生态环境压力大等问题，因此节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率成为能源发展战略规划的重要内容，是我国能源问题解决的根本途径[1]。近年来，提升余热利用率和节能减排成为推进我国节能减排工作的重要内容[2]。热管因其结构独特和相变传热机理，具有安全可靠性高、导热性强、等温性好、热流密度可变性及环境的适应性强、使用寿命长和应用领域广[3]等特点，在余热回收领域应用广泛。李永等人[4]设计了一种热管余热锅炉，可有效回收钢管退火的烟气余热;王璐等人[5]利用热管式气气换热器对烟气余热进行回收，结果表明，采用热管式烟气回收技术后，天然气消耗量可节约24%～28%;王晶晶等人[610]利用热管的特性，对空调方面的余热回收进行研究，提出了不同的热管换热器，显著降低了原料消耗，增强经济与环保效益。但制药和食品等行业的某些产品，其生产过程都有高温灭菌工艺的要求，该工艺过程的加热和冷却会消耗大量的热量和冷却水，运行成本高，经济效益低，不利于节能环保[11]。上述研究所设计的热管系统都能有效的回收余热，但无法保证无菌环境与交叉污染。因此，本文利用重力热管的特性，设计了一种高效节能型无菌热管能量回收装置环形流热管。该装置保证生产和清洗无死角，灭菌前与灭菌后的溶液分别在不同管道中流动，完全避免了交叉污染，满足了生产过程中的无菌要求。同时，搭建环形流热管系统实验台，对环型流热管传热性能进行研究。结果表明，充注量过多与过少及倾斜角接近于竖直或水平都会降低热管的换热效果。该研究对我国提高能源综合利用率具有重要作用。

1 环形流热管工作原理

环形流热管原理如图1所示。当换热器工作时，恒温热水沿管路自上而下流动，套管内的制冷剂吸收热水侧的能量，发生液气相变过程，热水温度逐渐下降，出口时温度最低;套管内的制冷剂蒸汽通过重力作用逐渐上升，通过套管通道接触到冷水侧;冷水沿管路自下而上流动，套管内的制冷剂蒸汽对冷水侧放出热量，发生气液相变过程，冷水温度逐渐上升，出口时温度最高;而制冷剂蒸汽在冷水侧凝结为液体，在重力作用下返回底部，从而实现循环[1217]。

由图1可以看出，相对于水平面的角度，通过改变环形流热管可以得到不同工况、不同角度下换热器的换热性能。

3 实验数据分析

本实验考虑到影响换热系数的因素有冷热水进出口温度、环型热管工质的充注量和环型热管装置的倾斜角度。在相同充注量及不同倾斜角的情况下，分别对两种冷热水进口温度的传热量及传热系数进行对比分析。在完全隔绝外界散热及稳定换热的情况下，热水与冷水的换热量应完全相同，但由于实验条件的限制及两相流换热的不稳定性，热水与冷水的换热量有细微的偏差，因此取平均值进行分析。

3.1 20%充注量时数据分析

当充注量为20%时，换热量与倾斜角的关系曲线如图2所示，蒸发段k与倾斜角的关系曲线如图3所示，冷凝段k与倾斜角的关系曲线如图4所示。

由图2～图4可以看出，环型流热管套管内的冷凝段，制冷工质水蒸气在冷水管外进行膜状凝结，水蒸气在竖管外进行凝结换热，液膜厚度随管径在重力作用下变厚，使热阻增大，换热效果大幅减弱，因此，倾角为90°时，换热量与换热系数较低。随着倾角减小，换热量与换热系数逐渐增大，当倾角为0°时，有利于液膜排泄，但回流的液体无法在重力作用下有效回到蒸发段，因此换热能力较差。实验研究发现，当倾角为5°～10°时，冷凝换热效果最好，有利于液膜排泄和液体有效回流。

在竖直状况下，环形流热管套管内的蒸发段，蒸馏水沉积在底部，有效换热面积仅为底部面积，热侧水管上部为无效换热，换热较差。随着倾角的减小，有效换热面积逐渐增大，工质在重力作用下回流，蒸汽向上运动的阻力较小，换热能力逐渐增强。当呈水平时，蒸馏水在同一水平面上，充注量较低，使热侧水管与制冷劑蒸馏水的接触面积较少，同时制冷工质静止，水蒸气运行阻力较大，换热效果较差。实验研究发现，当倾角为5°～15°时，蒸发换热效果较好。热水进口在70 ℃，冷水进口为40 ℃时，整体换热效果比热水进口为60 ℃，冷水进口为30 ℃时略好[1920]。

3.2 40%充注量时数据分析

当充注量为40%时，换热量与倾斜角的关系曲线如图5所示，蒸发段k与倾斜角的关系曲线如图6所示，冷凝段k与倾斜角的关系如曲线图7所示。

由图5～图7可以看出，环型流热管套管内的冷凝段，制冷工质水蒸气在冷水管外进行膜状凝结，换热情况与20%充注量时类似，倾角水平与竖直换热效果较差。

当倾角为5°～10°时，换热效果最好。当充注量达到40%时，蒸发段环型热管内的工质随倾角的增大，逐渐覆盖整个热侧水管，换热能力达到最强，换热效果在水平与竖直情况下较差;当倾角为10°～15°时，换热效果较好。热水进口在70 ℃，冷水进口为40 ℃时，整体换热效果比热水进口为60 ℃，冷水进口为30 ℃时略好。

3.3 60%充注量时数据分析

当充注量为60%时，换热量与倾斜角的关系曲线如图8所示，蒸发段k与倾斜角的关系曲线如图9所示，冷凝段k与倾斜角的关系曲线如图10所示。

由图8～图10可以看出，环型流热管套管内的冷凝段，制冷工质水蒸气在冷水管外进行膜状凝结，换热情况与20%，40%充注量时类似，倾角水平与竖直换热效果较差，实验研究发现，当倾角为5°时，换热效果最好。当充注量达到60%，蒸发段环型热管内的工质随倾角的增大，可以逐渐覆盖整个热侧水管，换热能力较强，换热效果在水平与竖直情况下较差。实验研究发现，当倾角在5°～10°时，换热效果较好。热水进口在70 ℃，冷水进口为40 ℃时，整体换热效果比热水进口为60 ℃，冷水进口为30 ℃时略好。

3.4 80%充注量时数据分析

当充注量为80%时，换热量与倾斜角的关系曲线如图11所示，蒸发段k与倾斜角的关系曲线如图12所示，冷凝段k与倾斜角的关系曲线如图13所示。

由图11～图13可以看出，当充注量达到80%时，制冷剂工质几乎占据了整个环形套管，运行阻力大幅增加。当倾角分别为90°，60°，45°时，几乎没有相变换热，工质在蒸发段蒸发后没有发生有效流动，使蒸发段换热系数数值较大，而冷凝段换热系数较小。当倾角逐渐变小时，蒸发冷凝换热得以有效进行，蒸发段换热系数下降，冷凝段换热系数上升，水平时达到最大。

3.5 各充注量传热系数综合对比

以冷凝段为例，在不同充注量下，换热量与倾斜角关系曲线如图14所示。由图14可以看出，热管工作的最佳充注量为40%，最佳倾角为5°，充注量较大或较小都会影响热管的工作性能。较小的充注量使热管启动困难，不能充分发挥热管的换热性能，无法有效的发挥蒸发段的全部性能;较大的充注量使可容纳的工质蒸汽空间减少，蒸汽的运行阻力增大，影响换热。倾斜角度也是影响换热的因素，竖直与水平都不利于热管的换热。因此，实验时要选用合适的充注量和倾斜角，充注量过小或过大都会影响环型热管的工作性能。

4 结束语

本文对一种新型环型流热管的传热性能进行研究，并对不同倾斜角与充注量下的传热原理进行讨论。实验结果表明，当充注量为40%，倾斜角为5°时，环型流热管充分发挥换热能力，达到环型热管的最佳工作状态。当充注量与倾斜角增大或减小时，传热系数随之减小;倾斜角处于垂直或水平时，不利于环形流热管的传热;冷热水的进口温度上升时，提升环形流热管的换热性能。本文设计的高效节能型无菌热管能量回收装置，达到了无菌需求，同时完全避免了交叉污染，可有效降低电能与蒸汽的消耗量，减少对冷冻水的需求，具有较高的经济效益与实用价值，对我国提高能源综合利用率具有重要作用。

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