径向重力热管在双管水平偏心结构下的试验与应用

陈 军 邱 芬 杨 峻

南京圣诺热管有限公司（江苏南京 210008）

重力热管的相关应用，大部分是利用其轴向传热的特性，研究者在这方面已进行了大量的实验与研究[1-5]。随着技术的发展，国外学者提出了双管同心结构，并在两管之间放置了吸液芯，进行了传热性能研究[6-7]，国内也有学者做了同轴结构的一系列实验研究[8]，得到了相关性能曲线。由于双管的两轴同心，限制了内管外壁面冷凝换热面积的调节。如果内外管采用不同轴的偏心结构型式，可有效增加内管外壁面冷凝换热面积，提高换热效果。同时，考虑简化结构，易于工程中应用，取消了内部吸液芯，通过系列实验，得到了可行的数据与结构，为工程化应用奠定基础。所研制的偏心式径向重力热管换热器，提高了在低温或腐蚀性环境中余热回收设备的安全可靠性，可低成本地用于制酸系统余热回收、加热炉及锅炉尾部的烟气深度余热回收等，取得了显著的节能效果。

1 结构与传热过程

径向重力热管是一种结构型式特殊的水平夹套两相闭式热虹吸管，也称双管式热虹吸管。图1（a）为内外管同轴型式；图1（b）为结构优化后的径向偏心重力热管，将内管适当抬高，使其位于工质（液池）之上，增加了内管的外表面在环状间隙蒸汽腔的面积，相对于同轴布置的结构，增加了冷凝换热面积。工质在其夹套管内的换热过程较为复杂，当外管外流经热流体、内管流经冷流体时，主要传热过程包含管壁的导热、液池沸腾和蒸发、冷凝换热。在内、外管之间的环状间隙中，又分为上部的蒸汽腔和下部的液体腔。蒸汽腔内的蒸汽主要来自液体腔（液池）中工质的沸腾及其蒸发过程中携带到外管内壁面上方的飞溅液膜的蒸发；内管基本处于蒸汽腔内，蒸汽在水平内管外表面上冷凝放出凝结潜热，热量沿径向通过内管壁导入到流经内管里的冷流体，实现冷、热流体的热交换。

图1 径向重力热管

当径向重力热管处于工作状态时，主要过程有对流、蒸发、凝结和导热几个部分。图2是它的一个轴向断面图，内、外管呈水平状态，当其处于工作状态时，包含以下8个主要传热过程，按热量传导方向依次由外管向内管为：（1）外部热流体与外管的对流换热；（2）热量由外管外壁面向其内壁面的传热；（3）内管与外管间隙内，液池中工质的蒸发与沸腾换热；（4）内管与外管间隙内，液池外上方，外管内壁面上液膜的传热与蒸发；（5）内管与外管间隙内，蒸汽与内管外壁面上的凝结换热；（6）热量通过内管外壁面上液膜的传热；（7）热量通过内管管壁的传热；（8）内管内壁对液体的对流换热。

2 可视化试验

2.1 可视化试验方法

可视化试验管采用耐高温玻璃管，内管为Ø15 mm×2 mm，外管为Ø40 mm×2 mm，长度为660 mm；内、外管水平布置，外管外套装螺旋状电炉丝，形成辐射加热状态；在内外管间隙中加入工质，观察充液量、热流密度对工作介质的流动状态带来的影响，以及内管在图3所示的1，2，3号位时对流态的影响，对观察结果进行定性分析。

2.2 管内蒸发状态分析

初步观察，在内、外管间隙内，随管内工质不断受热蒸发，径向蒸汽量逐渐增加，流型逐渐由细泡状、气塞状、波状分层状变化到汽弹状。内管处于1号位置时，内外管间隙内高液位处，内管大部分处于液池中，液面上产生的许多细小汽泡包围在内管上部，大大减弱了内管的换热效果。随着充液量的减小，液位下降，内管外壁面有一部分在蒸汽中进行凝结换热，还有部分被气泡包围，对传热效果也有影响。当液位下降到内管底部以下时，内管外壁基本处于蒸汽腔中，其凝结换热面积最大，换热效果好，是一种较理想的状态，内外管处于1号位时是容易实现这种状态的。与普通的水平管外凝结换热相比，普通水平管外凝结换热后，冷凝液沿管壁向下流动，水平管底部聚集了较厚的冷凝液膜，部分影响了换热效果；而在内管偏心的结构型式中，内管外壁底部下方存在液池，并产生沸腾，破坏了该处的凝结液膜，增强了换热效果。因此，对于内外管偏心，较好的结构型式是内管采用1号位布置，合理的液池高度为：内外管间隙中液池的高度控制在内管底部以下。

3 传热性能试验研究

水平双管偏心热虹吸管内部的传热包含对流、沸腾、蒸发与凝结。虽然在每种独立状态下的理论分析和计算方法均已成熟，但是，这些过程综合叠加起来就变得较为复杂，边界条件的假设、计算方式的选择均没有十分的把握，因此，对其进行性能测试。

单支试验管的内、外管材均选用GB/T 3087—2008《低中压锅炉用无缝钢管》20#钢，内管Ø25 mm×3.0 mm，外管Ø57 mm×3.5 mm；管外缠绕高频焊螺旋翅片，翅片高20 mm、厚2 mm、螺距10 mm；管外壁布置有6组24对测温热电偶，每组4对热电偶在热管轴向垂直截面呈上、下、左、右对称分布，图4给出了6个截面上的测温点位置和编号。加热采用两台KSY系列可控硅温度控制器管式电炉，其额定功率为每台5 kW，额定温度为1000℃。内管通水冷却，采用LZB-15玻璃转子流量计控制水流量，温度数据采用微机测量系统进行记录。

图4 试验管热电偶布置编号图

根据可视化试验结果，图3中1号位的结构型式，能使内管尽可能地离开液池。在该内、外管布置结构中，调整两管偏心距为5～7 mm，可增加内管的凝结换热面积，提高换热量。在此基础上开展不同充液率下的性能试验。

图5给出了不同充液率下液池表面的蒸发面积和内管外表面的冷凝换热面积。由图5可见，对于图3中1号位的结构型式，在内、外管布置结构中，两管偏心距为5～7 mm时：当充液率小于40%时，内管位于液池上方，其冷凝表面积即为内管的外表面积，随充液率的增加，液池的蒸发面积增大；当充液率大于40%时，液池的蒸发面积和冷凝面积都开始减小。内、外管处于同心位置时，随充液率的增加，内管上冷凝表面积和液池的蒸发面积都逐渐减小。

图5 不同充液率下蒸发与冷凝面积

3.1 启动性能

启动性能主要取决于管内工作介质的物性、加热和冷却的方式与强度、加热功率增长速率、初始温度以及热管的原始真空度等。内、外管处于水平受热状态，外管部分所有加热表面均匀受热，轴向温度分布相对均匀，蒸汽在两管之间沿径向方向流动，流动距离短、摩擦阻力小，因此，启动较迅速。

图6给出了在输入功率相同的情况下，不同充液量时相同截面处（2-2截面）测点温度与时间的关系曲线。从图6曲线可以看出：在输入功率相同的条件下，充液率低的温度上升速率较快；在同一时间内，充液率低的其温度明显较高。

图6 30%、60%充液率下的性能曲线

3.2 等温性能

等温性能通常指在一定热负荷和工作条件下，沿轴向呈现的管壁温度均匀性特征。

与轴向传热相比，水平径向偏心热虹吸管具有较好的轴向等温性能，由于是径向传热，沿管长轴方向基本处于同一饱和蒸汽温度范围，因此，无论在低功率水平还是高功率水平下，沿轴向水平管内的等温性能均较好。然而，在径向由于下部存在液池，所以有一定的温差。图7给出了相同输入功率下同一个截面周向在30%和60%充液率下的温度曲线。从图7可看出：30%充液率时，最大温差有37℃，这与213测点处于液池底部有关；而在60%充液率条件下，径向温差较小，由213，210和215测点在液池中所致。

图7 径向等温性能曲线

3.3 传热功率

在充液率分别为30%、60%、80%的不同状态下，相同输入功率下充液量与输出功率的对应关系见图8。充液率为30%时，内管外壁面在液池上方，冷凝面积大，传输功率高；随充液率增大，内管在液池中的面积逐渐增大，其冷凝面积减小，传输功率随之降低。

图8 30%、60%、80%充液率下的传输功率

4 应用

由水平径向偏心热管传热元件组成的偏心热管换热器，通常径向热管水平置于热流体（气体）通道内，热流体自下而上掠过外管，需要加热的液态冷流体（如给水）走内管内部。径向热管的独特结构使得液态冷流体（给水）系统完全和热流体分隔，给水加热不受烟气的直接冲刷，特别是当热流体流经的热管外管壁遭到破坏时，内管内的水也不会漏入热流体侧，增加了设备的可靠性；同时，水平径向热管具有很好的等温性能，不凝性气体对其影响极小，传热性能较好。该设备主要应用于烟气中含有腐蚀性介质以及烟气的深度余热回收中，如锅炉、废热锅炉尾部低低温省煤器、制酸系统余热锅炉给水预热器等。目前，已成功应用在硫酸余热回收系统、电站锅炉的低低温省煤器以及烟气深度余热回收的各系统中，为连续生产、安全节能起到一定的作用。

图9为某电站锅炉配套的低低温省煤器结构示意及部分制造、安装图，该设备投入运行后，可将锅炉排烟温度由原来的125～150℃降低到90～110℃后排放，为后续除尘增效，利用余热增加发电功率，实现节煤1～4 g/（kW·h），机组效率提高了0.2%～1.2%。

图9 某低低温省煤器示意图

5 结论

由可视化试验可知，内外管采用1号位布置结构型式较好；合理的工质（液池）高度应控制在内管底部以下，这种情况下内管外壁基本处于蒸汽腔中，使其凝结换热面积最大化，是一种较理想的状态。

通过对试验管的一系列性能测试，得到了启动、等温和传输功率的性能曲线。对于启动性能，在充液率低的情况下温度上升速率较快，并且温度明显高于充液率高的情况。径向等温性与液池高度（即充液率）有关；由相同输入功率下的充液量与输出功率的对应关系可知，较好的充液率为30%左右，试验管偏心距在5～7 mm之间，这与可视化试验所得到的分析结果基本一致。