張正來　韓曉星　王亞雄　吳 偉　李棚輝

(內(nèi)蒙古科技大學化學與化工學院　包頭　014010)

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同心套管與異心套管管排余熱回收裝置的實驗研究

張正來韓曉星王亞雄吳 偉李棚輝

(內(nèi)蒙古科技大學化學與化工學院包頭014010)

本文設(shè)計了一套以鋁為殼體，丙酮為工質(zhì)的新型熱管換熱器。研究了不同熱負荷，其系統(tǒng)傾角分別為30°、45°、60°、75°、90°，工質(zhì)充液率為30%條件下的運行特性。通過改變傾斜角度及加熱段長度和操作溫度來測試余熱回收系統(tǒng)的最佳傳熱性能和效率。結(jié)果顯示:在實驗條件下，最大傳熱量隨著操作溫度的升高、蒸發(fā)段長度的增長而增大，最佳傾斜角度為60°，最佳長度為270 mm。

重力熱管；余熱回收；傳熱性能

能源作為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)，受到人們的廣泛關(guān)注。就全國范圍內(nèi)召開的能源會議主題不難發(fā)現(xiàn)，如何更好地利用能源，尤其是工業(yè)領(lǐng)域中排放的余熱，成為行業(yè)內(nèi)亟待解決的難題[1]。余熱是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備所排放出來的未被充分利用的能源[2-3]。包括高能耗工廠的高溫廢氣中排放的余熱、冷卻介質(zhì)吸收熱量之后被排放的余熱、可燃三廢余熱等。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，各行業(yè)的余熱總能量約占其燃料消耗總量的17%～67%，其中可回收利用的余熱約為總余熱的60%[4-5]。鑒于工業(yè)余熱回收的低品位性及普遍性等問題，對換熱器的要求越來越高。主要表現(xiàn)為需要在較小溫差下傳輸較大的熱量，此外還要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊、造價低、能妥善處理低溫腐蝕等問題[6-9]。熱管換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)勢，逐漸成為換熱系統(tǒng)中的主流核心部件[10-11]。與傳統(tǒng)的換熱設(shè)備相比，熱管換熱器有輸熱能力大、均溫性能優(yōu)良、傳熱方向可逆、阻力損失小、安全耐用等很多優(yōu)點，能最大限度的回收低品位余熱[12]。而且熱管換熱器是一種靜止設(shè)備，沒有運動部件，幾乎沒有機械故障[12]。

熱管換熱器的核心元件是熱管，工作原理是利用相變傳遞熱量。熱管分為三類：傳統(tǒng)熱管、兩相閉式熱虹吸管和脈動熱管[13]。其中兩相閉式熱虹吸管具有無吸液芯，結(jié)構(gòu)簡單，傳熱系數(shù)高等優(yōu)點，成為工業(yè)余熱回收中首選的熱管結(jié)構(gòu)[8, 14-15]。然而，一般熱管換熱系統(tǒng)采用單一熱管作為結(jié)構(gòu)單元，此結(jié)構(gòu)往往會導致熱管出現(xiàn)“燒干”現(xiàn)象，影響整個換熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性[16]。因此從熱管結(jié)構(gòu)優(yōu)化出發(fā)，提出由兩相閉式熱虹吸管改裝成的套管熱虹吸管，旨在通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與調(diào)整使熱管在大負荷工況下“燒干”現(xiàn)象得到有效控制。

1 實驗裝置

1.1 熱管材質(zhì)與結(jié)構(gòu)

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure scheme of the device

本文研究的裝置包括同心和異心兩種結(jié)構(gòu)，二者的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。蒸發(fā)段均由5根材質(zhì)為Al6063的鋁管構(gòu)成，區(qū)別在于冷凝段的冷卻水通過的管子中心線是否與外套管重合，中心線重合的為同心套管熱虹吸管，另一個為異心套管熱虹吸管。這兩種結(jié)構(gòu)從縱向角度來看，管排內(nèi)蒸氣和回流液的運動狀態(tài)與傳統(tǒng)重力熱管相同；但從橫向角度看，連通的冷凝段擴展了蒸氣和回流液在水平方向的流動，為調(diào)節(jié)蒸氣凝結(jié)的位置和蒸發(fā)段液池內(nèi)的工質(zhì)分布提供可能性，因此能夠有效降低燒干現(xiàn)象對傳熱性能的影響。下面介紹兩種換熱器元件的性能測試實驗。1.2 實驗臺搭建

實驗測試系統(tǒng)由熱虹吸管排、數(shù)據(jù)采集器、銅加熱器、流量計、直流電源、冷卻水循環(huán)水槽構(gòu)成。此外，銅加熱器由電木進行固定。為了減少實驗過程中的熱量損失，在電木固定的銅加熱器外包裹一層保溫棉。如前所述，利用二級真空泵將材質(zhì)為Al6063的管排抽至真空后，將工質(zhì)丙酮充入熱管排并用氬弧焊密封。溫度采集系統(tǒng)采用熱電偶測溫，32個測溫點的熱電偶分布如下：每根蒸發(fā)段平均布置3根熱電偶、與蒸發(fā)段相對應(yīng)的冷凝段分別布置兩根熱電偶、每個絕熱段布置1根熱電偶、冷卻水進出口分別布置兩根熱電偶。在測試之前，將熱管排倒置后再緩慢將熱管排傾斜至水平位置，保證丙酮在各熱管排中的均勻分布。

2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 管排等溫性測試

由于實驗裝置熱管長度的限制，本文選取蒸發(fā)段長度分別為170 mm、220 mm、270 mm三種情況進行實驗。進行熱管排等溫性能測試時，選用蒸發(fā)段長度為270 mm的情況。

通過調(diào)整冷卻水的流量及流速，使操作溫度保持在40 ℃～80 ℃，并每隔10 ℃采集熱電偶的溫度。通過多次采集數(shù)據(jù)，對每根熱管的蒸發(fā)段和冷凝段不同位置的穩(wěn)定溫度作關(guān)系曲線。

圖2 熱管排管壁溫度分布圖Fig.2 The temperature distribution of heat pipe tube wall

在相同的加熱功率(490 W)及傾角(60°)下，兩種熱管壁的溫度分布如圖2所示。從圖中可以看出，在相同加熱功率下，熱虹吸管排的5根蒸發(fā)段表面平均溫度均高于冷凝段表面平均溫度。此外，隨著操作溫度的升高，蒸發(fā)段各點溫度差逐漸減小，冷凝段平均溫度和蒸發(fā)段平均溫度的溫差也減小。因此在較高的操作溫度下，熱虹吸管排表現(xiàn)出良好的等溫性。

2.2 傾斜角度對熱管排最大傳熱量的影響

本文中定義傾斜角度為熱管排傾斜方向與水平方向的夾角。每隔15°對熱管排進行測試，研究熱管排在同一加熱功率下，傾斜角度對最大傳熱量的影響。

由于在較低的傾角和加熱功率下，同心套管熱管排無法正常運行，因此對于同心管排，需要從30°開始實驗數(shù)據(jù)的采集。對傾角為30°～90°(溫度梯度為15°)之間的溫度數(shù)據(jù)進行采集并處理，傾斜角度與最大傳熱量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 傾斜角度與熱管排傳熱性能的關(guān)系曲線Fig.3 The relation curve between tilt angle and the maximum heat transfer

當充液率為30%時，同心及異心套管熱虹吸管排的最大傳熱量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。即傾角為30°～50°時，最大傳熱量與傾角呈線性增長；當傾角為50°～60°時，熱虹吸管排的最大傳熱量增長開始放緩，并在60°時達到最大值；傾角大于60°時，最大傳熱量出現(xiàn)明顯下降趨勢。因此當充液率不變時，傾斜角對熱管排傳熱性能有明顯影響。原因在于當管排傾斜放置時，傾角大小不僅會改變蒸發(fā)段液池的液位高度，還會影響冷凝液在熱管軸、徑向的分布，進而影響液膜的厚度和流動規(guī)律。熱管排是否傾斜會導致沸騰換熱原理的差異，因此熱虹吸管排的內(nèi)壁面上側(cè)換熱機理主要是液膜蒸發(fā)換熱；對于壁面下側(cè)，主要依靠氣泡的滑移進行換熱。

由圖3可知，同心管排與異心管排的最大傳熱量分別達到850 W和1100 W左右。顯然，異心套管排在該工況下?lián)碛懈鼮閮?yōu)異的傳熱性能。原因在于冷凝段異心結(jié)構(gòu)的液態(tài)工質(zhì)更易回流，強化了管內(nèi)液態(tài)工質(zhì)的冷凝，提高了冷凝段傳熱系數(shù)，從而提高裝置的最大傳熱量。

圖4 不同蒸發(fā)段長度下熱管排的最大傳熱能力隨操作溫度的變化曲線Fig.4 The curve between maximum heat transfer capacity and the change of operating temperature under different evaporation length line

2.3 蒸發(fā)段長度對熱管排傳熱性能的影響

對套管熱管排而言，蒸發(fā)段的長度會影響熱管排的整體傳熱性能。如2.2所述，傾角為60°時，熱管排的傳熱系數(shù)最高，傳熱量最大。因此選用傾角為60°時的工況為基礎(chǔ)，通過改變蒸發(fā)段長度分析蒸發(fā)段長度對傳熱性能的影響。對兩種結(jié)構(gòu)的熱管排數(shù)據(jù)進行整理，不同蒸發(fā)段長度下最大傳熱量隨操作溫度的變化的關(guān)系曲線如圖4所示。

由圖4可知，當充液率和傾斜角度完全一致時，熱虹吸管排的最大傳熱量明顯增加。

當蒸發(fā)段長度為170 mm時，最大傳熱量在各個操作溫度下的數(shù)值明顯小于其他兩組。原因在于熱管工作過程中，冷凝段太長，冷卻率過大，冷凝段和冷源之間熱阻小，導致冷凝段工質(zhì)不易氣化；且蒸發(fā)段流到冷凝段的蒸氣可能在途中又冷凝為液體，熱量不能在冷凝段被冷卻水帶出，所以蒸發(fā)段的溫度急劇升高，出現(xiàn)明顯的過熱現(xiàn)象。隨著后兩組熱管排的蒸發(fā)段長度逐漸增加，相應(yīng)的冷凝段縮短，最大傳熱量的數(shù)值呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

2.4 操作溫度對熱管排傳熱性能的影響

熱管的工作溫度即管內(nèi)飽和蒸氣的溫度，為熱管的重要參數(shù)之一。

由圖5可知，隨著操作溫度的升高，各傾斜角下的最大傳熱量均呈上升趨勢。因此在熱管排工質(zhì)的允許工作溫度范圍內(nèi)，提高操作溫度有利于增大熱管排的傳熱量。

圖5 傳熱極限曲線Fig.5 The heat transfer limit curve

本實驗中的工質(zhì)為丙酮，提高飽和氣化溫度會明顯降低丙酮的氣化潛熱。因此，即便熱管排的總傳熱量不變，在管內(nèi)也會產(chǎn)生更多的工質(zhì)蒸氣，參與蒸發(fā)段與冷凝段間的相變傳熱。此外泡狀流在蒸發(fā)段內(nèi)的壁面上會產(chǎn)生蒸氣，隨著蒸氣量的增加也會導致管壁氣化核心的增多。因此換熱強度會隨著氣泡數(shù)量的增加而增加。

由于液膜厚度被極度削弱，難以維持氣化核心而產(chǎn)生環(huán)狀流，因此壁面上的沸騰過程將由氣-液相界面的蒸發(fā)代替。液膜擁有較強的導熱能力，會通過強迫對流的方式將熱量送達至氣-液相界面。而該相界面的熱量促使液相氣化，導致液膜的厚度降低。上述過程可認為是提高換熱能力、增加蒸發(fā)段沸騰換熱系數(shù)的主要原因。位于冷凝段的氣態(tài)工質(zhì)放熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)工質(zhì)，因此氣-液相界面會產(chǎn)生更大的摩擦力。在該摩擦切應(yīng)力的作用下，冷凝段的液膜厚度也不斷降低，較低的膜厚擁有更高的冷凝換熱系數(shù)，使最大傳熱量不斷增大。

3 結(jié)論

本文對傳統(tǒng)熱虹吸管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，分別對同心和異心套管熱虹吸管排的傳熱性能進行測試。通過研究傾斜角度、蒸發(fā)段長度、操作溫度對同心、異心套管排傳熱性能的影響并結(jié)合已有理論分析可以得出以下結(jié)論：

1)實驗范圍內(nèi)，同心和異心套管熱虹吸管排在傾斜角度為60°、蒸發(fā)段長度為270 mm時，熱管排的傳熱量最大，傳熱性能最佳。

2)二者相比，異心套管熱虹吸管強化效果優(yōu)于同心結(jié)構(gòu)。

本文受內(nèi)蒙古科技大學大學生科技創(chuàng)新基金(2014066)和內(nèi)蒙古科技大學創(chuàng)新基金(2014QDL027)項目資助。(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

簡介

韓曉星，女，講師，內(nèi)蒙古科技大學化學與化工學院，15848260434，E-mail: hanxx1208@sina.com。研究方向：熱管，高效節(jié)能技術(shù)與裝置。