1、編號：熱3021熱虹吸換熱組件傳熱性能的試驗研究靳明聰重慶大學熱工教研室中國工程熱物理學會第一屆熱管會議傳熱傳質學會一九八三年八月熱虹吸換熱組件傳熱性能的試驗研究重慶大學熱工教研室 靳明聰摘 要 本文介紹了排氣組合式熱虹吸換熱器.對其換熱組件進行了傳熱性能、充液量和負荷不均勻程度對正常工作影響的試驗研究。結果表明：組件不僅具有單支熱虹吸管的優良性能，而且有較強的自動均載能力.組件輸熱量大，內阻隨充液量的增多而加大。組件存在“遷移極限”,它與充液量有關。符號：di 鋼管內徑，cm；Fc，Fe 冷卻段,加熱段的有效面積，cm2；l 有效充液高度,cmlc，le 冷卻段，加熱段平均長度cmL 充液高

2、度 Q1,Q2 輸入組件的熱量及組件絕熱層外表面的散熱,WQe 組件加熱段有效傳熱量，WQmax,Qmin 組件各管中最大及最小的傳熱量,Wqc ，q e 組件冷卻段，加熱段徑向熱流密度，W/cm2teo 組件加熱段外壁平均溫度,tei 組件加熱段內壁平均高度tco 組件冷卻段外壁平均溫度tci 組件冷卻段內壁平均溫度Ri 組件內阻 /WV1 組件下聯管容積V 組件總充液量組件的最大負荷平均度引言由于廢熱存在的普遍性及低品位性，致使利用余熱的換熱器必須具有熱回收率高，結構簡單，成本低廉，易于推廣等特點，碳鋼水熱虹吸式熱管換熱器從結構原理上能滿足以上基本要求，但是碳鋼水的化學不相容性問題須待解決

3、.圍繞克服碳鋼-水化學不相容性的障礙,國內外研究者進行過不少工作,歸納起來大多按以下辦法：或是物理處理法，在鋼管內壁進行噴鍍或電鍍銅,也可使用鋼銅復合管，避免碳鋼與水直接接觸；或是化學處理法，對鋼管內壁進行予處理及在水中加入緩蝕劑，延緩鋼管內表面腐蝕。這兩種方法國內雖然已有成功使用的例子，但實施起來工藝較為復雜，而且處理效果是否能在長期運行中保持，尚須證實，再則,單支熱管的制造技術要求高，首先必須要有高度氣密性，其次必須予先建立真空，管內清洗過程要求也很嚴格，這整套工藝過程將使換熱器造價至少提高20。針對這一情況,我們根據既要保持熱管工作的優良特性，又要甩掉單支熱管密封容器的技術要求，還要免除

4、不相容性的后顧之憂,得到事后，簡單，運行，高于管液的，構思了碳鋼水排氣組合熱虹吸換熱器,它具有排氣裝置的熱虹吸換熱組件組合而成,如圖1所示,其中，每個組件的基本部分是若干支帶肋片的鋼管,它們兩端均焊接于連通管上，使其上、下彼此相通。上聯管中部裝有排氣裝置及進水閥，下聯管與排液閥相連。中間隔板將煙氣與空氣分隔開。該型換熱器的特點是：文檔為個人收集整理，來源于網絡本文為互聯網收集，請勿用作商業用途1、具有一般熱管換熱器的主要優點,結構緊湊，阻力小。2、組件具有較強的自動均載能力,能在沿流道加熱或冷卻不均的條件下,正常工作.3、定制按需要排放不凝性氣體，解除不相容性的后顧之憂。4、制造簡單，殼材采用

5、碳鋼，工作使用水，不作氣密性檢查，也不用抽真空.制造工藝與一般熱管換熱器相比大大簡化，凡能制造承壓容器的廠家均能生產。制造成本將比一般熱管換熱器大幅度降低，更加易于普及。為了對該型換熱器增強感性認識及對工業試驗裝置提供設計依據,我們研制了碳鋼水排氣熱虹換熱組件，對四管組件的傳熱性能，充液量與負荷不均勻程度對其正常工作的影響,進行了試驗研究。以下將報告試驗研究結果。試驗裝置試驗用碳鋼-水排氣熱虹吸換熱組件,由4根25×2。5×750mm的無縫鋼管組成.每根管子上端（冷卻段）套裝有50片25×1mm的翅片,其間距為6mm，下端(加熱段）無翅片，4管上、下管口分別焊于3

6、8×4×350mm的聯管上，形成一上下連通的組件（工作時，4管汽室，液室各自相通)。組件上聯管中部裝有排氣裝置，左上側有進水管與上聯管相通，下聯管右下側有排液管與下聯管相連。6×1.5×3mm的紫銅管3支，2支經上聯管插入組件1、3管冷卻段250mm深處，1支經上聯管左端插入上聯管160mm深處，供測量蒸汽溫度用。采用電加熱法。電熱絲用玻纖管良好絕緣后,均勻密繞在組件加熱段外管壁上,外部用耐火棉及石棉絕熱.為便于測溫，石棉層外表面用紫銅包裹.電源經自動調壓器、電子交流穩壓器、調壓器引入，加熱功率用0。5級電流、電壓表測量。冷介質為空氣.把組件置于風道中,

7、空氣被風機抽吸引入風道，操作組件冷卻段，風道試驗段前裝有測速儀，溫度計,試驗段前右裝有微壓計測組件壓降。標準的鎳鉻鎳硅熱電偶48對，點焊在各測溫點收，以測量組件加熱段鋼管外表面溫度（12對熱偶，每單管3對），冷卻段鋼管外表面溫度(24對熱偶,每管6對)和絕熱層外殼溫度（12對熱偶，每管3對).標準鎳鉻鎳硅鎧裝熱電偶3支,插入紫銅套管中測量蒸汽溫度.組件外形如圖2所示，熱電偶熱電勢用0。02級電位差計測量，室溫，風溫用標準玻管溫度計測量.熱電勢測試臺示于圖3中，從圖4中可以看出組件與風道的裝配情況。組件試驗裝置及測試系統原則線路圖如圖5所示。試驗進行時，開啟組件排氣裝置和進水管，對組件充入工作液

8、后,用螺旋封頭封閉進水管口。送電至組件。待組件加熱段沸騰，排氣裝置冒蒸汽1分鐘左右，關閉排氣裝置，啟動引風機，調風速使組件在輸入電功率下，保持工作溫度一定,即使組件冷卻段放熱加上組件散熱在一定工作溫度下保持平衡.待達到熱穩定態后，測量電功率，各測點熱電偶，風溫，室溫，風速及組件壓降等值。改變輸入功率，調風速,保持組件工作溫度在各輸入功率下為相同值，重復測量以上各值。在本研究中，我們以組件內工作液的容積與蒸發段內部總容積之比來確定充液高度L,即這樣，組件內液池及液池上液膜所占蒸發段的比例就由充液高度表示出來。組件的充液量V（cc）由充液高度確定。V=V1+12.97Lle在試驗中，組件的工作條件

9、如下表所示充液高度蒸發段熱流密度工作溫度11。95。05W/cm21600.50.330。250.15試驗數據整理、分析1、e-qe c-qc Ri-qe 關系組件加熱段有效面積FeFe=(di=2cm le=32cm)組件冷卻段有效面積FcFc=(lc=37cm)組件加熱段有效傳熱量QeQe=Q1-Q2式中Q2為豎直管自然對流散熱量和對環境輻射散熱量之和，按1提供的公式計算. W/cm2 W/cm2加熱段上各處壁溫測量平均值為加熱段外壁平均溫度teo，扣除管壁導熱溫降，可得內壁平均溫度tei，冷卻段上各處壁溫測量平均值為冷卻段外壁平均tco,加上管壁導熱溫升，可得冷卻段內壁平均溫度tci,由

10、此得蒸發段的換熱系數和冷卻段的 W/cm2·和 W/cm2·式中 ts為組件工作溫度，組件內總溫降tt=teitci于是組件總內阻為-qe，-qc，RI-qe關系分別繪于相應圖中。組件能按熱虹吸原理工作，應該認為其加熱段和冷卻段的傳熱機理和熱虹吸單管基本相同。根據等人的研究2,熱虹吸蒸發段傳熱機理為液池內的沸騰和液池回流液膜的薄液膜蒸發傳熱過程（在本試驗條件下池內沸騰為核態沸騰）。當加熱段熱流密度qe增大時，液池核沸騰和回流液膜蒸發過程都進行得更加強烈，致使加熱段換熱系數急劇增大，圖6就反映了隨qe的這種變化趨勢。從圖6中看出，在各充液高度中,以L=0.25的qe曲線最高即

11、在相同熱流密度范圍內,該充液量的換熱系數最大。這種現象不難理解，因為L=0。25時，蒸發段中池沸騰區較小，回流液膜傳熱所占比例較大，而薄液膜傳熱的強度大大超過池沸騰換熱強度3,故在該充液高度下的換熱系數值最大。另外，根據Andros和L，W，Florschuetz的直觀研究報導（1978），液池上液膜在不同熱流密度下有不同流態。他們在高蒸發段熱流密度下，觀察到回流液膜破裂為帶泡核或不帶泡核的不穩定或穩定的“小溪"。也就是說，液膜中出現局部不穩定或穩定的燒干微區。在L=0.15充液量的情況下，蒸發段回流液膜傳熱區所占比例很大，在高熱流密度區，由于連續的回流液膜分裂為間隔“小溪”向液池流

12、動，致使換熱強度減弱，值很低。而在低熱流密度區，凝液能保持完整液膜回流，回流液膜區大，液膜更薄，換熱強度大大增加,這種現象由圖6中L=0.15的曲線反映出來。文檔為個人收集整理，來源于網絡文檔為個人收集整理，來源于網絡冷凝段中的傳熱當由于蒸發段內沸騰作用產生的兩相混合物未轉移到冷凝段時,可以認為是液膜層流凝結換熱.但由于組件的結構特點，該過程不能滿足Nusselt膜狀凝結理論的前提,不能用此計算，但由圖7中反映出的冷卻段換熱系數隨冷凝段徑向熱流密度增大而減小的趨勢是符合規律的。在回管均載狀況下，應該說的變化與充液高度無多大關系.組件內阻隨蒸發段熱流密度的變化綜合反映了隨qe及L和隨qc變化的規

13、律。從圖8可看出，除L=0。15時，阻件內阻隨qe增大而略為減小，隨充液高度增加而增大.2、組件充液高度L和最大負荷不均勻度對正常工作的影響在幾種充液高度下進行了最大負荷不均勻度對組件正常工作影響的試驗研究.組件負荷的分布情況為中間兩管高負荷，兩側兩管低負荷；左側兩管高負荷，右側兩管低負荷.試驗結果如下表所示：組件各管液室、汽室彼此相通.當各管熱負荷不均勻時，各管的蒸發段換熱強度則不一致，因而產汽量的多少不同。各管因蒸發量的不同,汽室間將出現壓差.在該壓差作用下，引起蒸汽管間遷移。在各管冷卻段冷卻強度基本一致的情況下,將會出現各管凝結液量的差異；高負荷管由于蒸汽遷移,回流液量減少。充液量越小，

14、隨著負荷不均勻度的增大,高負荷管的回流液量不能滿足高蒸發率的要求，于是管內壁出現燒干現象。該最大負荷不均勻度即為組件的“遷移極限”。存在“遷移極限”是組件有別于單支熱虹吸管的一大特點.在組件的“遷移極限"以內，組件各管負荷不均，亦能組件正常工作，因而遷移現象的存在使組件具有優于單支熱虹吸管的自動均載能力。該自動均載能力確保組件在熱、冷介質溫度場及流場不均的條件下發揮熱虹吸熱高效輸熱的優良性能。表2充液高度L能正常運行的加載狀況0.150。250.330.50在我們試驗的qe=1。95。05W/cm2范圍內，未出現組件與單管同樣具有的液阻限,聲速限，沸騰限等性能極限。若將組件稍加改進，

15、在本試驗臺上，可將qe值向高、低端處延。本研究旨在探索熱虹吸換熱組件的可行性，未考慮組件幾何因素的影響。雖然如此,在本組件所得到的一般規律，對工業用排氣組合式換熱器的研制仍不失其指導意義。結論：1、在的條件下，組件在0。15充液高度以上能按熱虹吸原理正常工作.蒸發段徑向熱流密度可達5。05w/cm2。2、組件內阻隨充液高度增高而加大。3、組件存在“遷移極限"。“遷移極限"的出現與充液高度有關.試驗所得組件的“遷移極限”是:L=0.15 L=0。25 L0.33不出現“遷移極限”。組件第一階段試驗屬對其性能的初步探討。第二階段的壽命試驗正在進行中，將在長期運行中考驗排氣裝置的

16、可靠性及考察組件的排氣周期。陳遠國同志對該型換熱器的研制及組件的試驗研究給予了大力支持和熱情幫助.蔣小慶，李勤同志參加了組件試驗及試驗臺組建工作。參加試驗臺建設的還有唐徑文，鄧建云,柏光宏，劉發宣同志。參考文獻1西南交大主編“機械工程手冊 第六篇 熱工學”機械工業出版社 19782 M Shiraish K Kikuchi and T,Yamanishi ,Investigation of Heat Transfer Characteristics of a Two Phase Closed Thermosyphon 4th International Heat Pipe Conference (Int. H。 P. Conf） 95-1043童明偉 “液膜沸騰和采用抑制孔板的池沸騰"重慶大學研究生畢業論文.4 K T Feldman in and D D Kenney “The Compatibility of Mild Carbon Steel and Water in a Heat Pipe Application” 4th Int H P con