倾角对复合中空热管传热性能的影响

马志磊，张 琳，肖章平，蔡金龙

(常州大学 机械工程学院，江苏 常州213016)

据相关资料统计我国工业废热资源的回收率仅为33.5%，即将近2/3的废热资源未得到有效利用［1］。可见我国工业企业的节能任务相当艰巨，节能潜力巨大。重力热管由于结构简单，制造方便，成本低廉，性能优良，工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件，其应用领域与日俱增，已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术中，发挥了巨大的优越性［2－4］。由于复合中空热管必须在重力的辅助下工作，所以重力的方向在很大程度上决定了复合中空热管的传热能力，也就是说，倾角对复合中空热管的传热性能有着重要的影响。

截止目前关于倾角对复合中空热管［5－7］传热性能影响的报道和文献还未见，本文研究了定充液比下的复合中空热管倾角对其传热性能的影响，对比不同倾角下复合中空热管的传热性能，得到了提高复合中空热管传热性能一些有价值的结论，为指导复合中空热管在实际工程领域的应用提供了参考依据。

1 实验测试装置以及方法

复合中空热管的传热性能实验装置如图1所示。由四大部分组成:带冷却水夹套的复合中空热管、数据测量和采集系统、加热系统以及冷却系统，实验用热管尺寸如文献［6］，其中，中间管与内外管之间的蒸汽导流孔为φ2的圆孔，数量不等，冷却水夹套有石棉保温层。冷却水、蒸汽进、出口温度用热电阻Pt100温度传感器测量，冷却水流量由LWGY－25BB型涡轮流量传感器测量。

图1 复合中空热管实验装置简图

倾角是指热管轴线方向与水平方向的角度，为了方便实验要求，本文选取三个不同倾角作为测试条件，充液比为33%(即V+=V工质/V内外管空腔=1/3)。

不同工况下的传热系数由下式计算:

式中Ki——以内管内径为基准的传热系数/W·m－2·℃－1;

Ai——复合中空热管内管的内表面积/m2;

Δtm——对数平均温差/℃;

Q——传热量/W。

传热量根据夹套冷却水的吸收热量计算。

式中 Cp——冷 却 水 的 定 压 比 热 容/J·kg－1·℃－1;

ρ——冷却水的密度/kg·m－3;

V——冷却水的体积流量/m3·s－1;

T1、T2——为冷却水的进、出口温度/℃。

对数平均温差根据下式计算:

式中T3、T4——为加热蒸汽的进、出口温度/℃。

冷却水雷诺数的计算公式如下:

式中de——夹套当量直径/m;

u——冷却水流速/m·s－1;

μ——冷却水粘度/Pa·s。

系统的测试误差主要有流量传感器和温度传感器的测量误差、热管夹套散热损失误差。其中，流量传感器和温度传感器经过标准表检定，测量误差为±0.1℃，保温层比较厚，热损失误差忽略不计。

2 实验结果分析与讨论

2.1 纯水工质下倾角对复合中空热管传热性能的影响

从图2可看出:倾角不同(分别为90°、75°、60°)时，工质为纯水的复合中空热管的传热性能有异，当倾角为90°，即热管竖直放置时，热管的传热性能较好，而倾角为75°时传热性能其次，倾角为60°时的传热性能最差。这可能是因为倾角越小，液膜所受重力在热管轴线方向上的分力越小，导致液膜沿管壁的流动越不顺畅，液膜厚度增加，总传热系数减小，另外倾角越小，蒸汽对液膜的剪切力也会减小，导致液膜的厚度变大，传热系数也会降低。综合比较不同倾角对热管传热性能的影响，可以得出，当倾角为90°时，传热性能最优。从图2还可分析，对于充液比为33%的复合中空热管的总传热系数随着管外冷却水雷诺数的增大，呈现先变大后减小再增大的变化趋势。在实验刚开始时，复合真空热管的外管侧先通冷却水，内管内侧后通蒸汽加热，此时热管内部的工质在真空状态下，吸收加热蒸汽热源的热量，迅速启动，蒸汽流动速度快，蒸汽被外管外侧的冷却水冷却，冷凝放出热量，热管内部的给热系数高，加上热管外管侧冷却水雷诺数的增大，管外给热系数也不断变大，故总传热系数迅速变大;但是随着管内蒸汽的集聚，蒸汽流动阻力变大，蒸汽的流动速度慢慢下降，导致热管内的给热系数减小，故总传热系数也下降;但是随着热管外管侧冷却水雷诺数的不断增大，管外给热系数也不断增加，使热管总传热系数又有所增加。

图2 纯水工质下倾角对传热系数的影响

2.2 无水乙醇工质下倾角对复合中空热管传热性能的影响

从图3可看出:倾角不同(分别为90°、75°、60°)时，工质为无水乙醇的复合中空热管的传热性能也不同。可以做如下解释:当倾角为90°，即热管竖直放置时，热管的传热性能较好，而倾角为75°时，传热性能其次，倾角为60°时的传热性能最差。这可能是因为倾角较小时，蒸汽流动不会太顺畅，使得较多的蒸汽层粘在壁面会造成热阻的增大导致传热系数减小;另外倾角越小，液膜所受重力在热管轴线方向上的分力越小，使得液膜厚度增加，总传热系数减小，同时倾角越小，蒸汽对液膜的剪切力也会减小，导致液膜的厚度变大，传热系数也会降低;综合比较不同倾角对热管传热性能的影响，可以得出，当倾角为90°时，传热性能最优。

图3 无水乙醇工质下倾角对传热系数的影响

3 结论

对于充液比为33%，工质为纯水和乙醇的复合中空热管，倾角对其传热性能有影响，其中当倾角为90°时，热管的传热性能最佳。

［1］陈砺.我国高速增长的经济社会所面临的能源现状及问题［J］.西部资源，2012(3):098－101.

［2］ZHUANG Lin，DU Ming－zhao，Hu ai－ping，et al.The Application of Heat Pipe to Flue Gas Residual Heat System in Thermal Organic Media Furnace with Coal as Fuel［C］.2011 A-sia－Pacific Power and Energy Engineering Conference，Wu Han，China:2011，201－204.

［3］李志亮，金苏敏.热管烟气废热LiBr－H2O制冷机热管管排排列与组合对温度分布的影响［J］.工程热物理学报，2010，31(5):845－848.

［4］柴本银，李选友，马训强，等.热管换热器在精制盐干燥系统余热回收中的实验研究［J］.盐业与化工，2010，39(3):36－39.

［5］朱文通.复合中空热管:中国，ZL200910102074.5.［P］.2010－01－27.

［6］张琳，马志磊，朱文通.复合中空热管两相流的观测及充液比对热管等温性的影响［J］.化工进展，2012，31(2):292－295.

［7］马志磊，张琳，朱文通.复合中空热管传热性能研究［J］.压力容器，2012，29(6):19－23.