具有内置管的多相流闭式重力热管传热性能

徐晓萍，史金涛，姜 峰，李修伦

具有内置管的多相流闭式重力热管传热性能

徐晓萍1,2，史金涛1，姜 峰1，李修伦1

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津农学院基础科学学院，天津 300384)

通过在闭式重力热管中加内置管，考察内置管对两相流及三相流体系传热性能的影响．结果表明：加入内置管后，等效对流传热系数、冷凝段对流传热系数较未加入内管时有所提高，而内置管对加热段的对流传热影响不明显；在具有内置管的体系中，当加入沙子的固含率达到2%以上时，等效对流传热系数较两相流体系有明显提高，最大增加了30.7%；随着加热功率的增大，两相流及三相流体系的等效对流传热系数增加．

内置管；多相流；强化传热；两相流闭式重力热管；三相流闭式重力热管

在加热段(蒸发段)加入内置管构成内热虹吸装置，不仅可强化沸腾传热，使加热段的传热系数和无内置管的热虹吸管相比提高2～3倍[1]，且具有抗结垢的优点[2]．在加热段与冷凝段内分别插入内置管后，操作稳定，加热段的传热系数提高，同时提高了冷凝段的液泛极限[3]；通过可视化研究发现，由于插入内置管，沸腾发生在环隙，不易形成大的汽泡，流型以搅动流和环状流为主，不会出现空管状况下的弹状流．文献[2]进一步提出了最佳环隙宽度为2～ 3,mm．在汽-液两相流沸腾传热过程中，加入适量的一定粒度的固体颗粒，即为三相流沸腾传热，由于固体颗粒的存在，对传热具有明显的强化作用[4]. 文献[5-8]将三相流强化传热技术应用于重力热管，在一定的条件下，三相流闭式重力热管具有一定的强化传热效果．

笔者在前人研究的基础上，分别对具有内置管的两相流及三相流重力热管的传热性能进一步开展研究．

1 具有内置管的重力热管的结构及强化传热机理

1.1 结 构

在重力热管的加热段放置内置管．结合所选用颗粒的尺寸，实验中采用如下两种内置管，材质均为硬质玻璃．1号管的管径为φ,20,mm×1.5,mm，长665,mm，热管内壁与内置管外壁之间的环隙宽度为7.65,mm．2号管的管径为φ,26,mm×2.0,mm，长665,mm，环隙宽度为4.65,mm．

1.2 机 理

加热段流体流动的物理模型如图1所示．插入内置管后，热管内壁与内置管外壁之间形成环隙．当加热段外管被加热时，管内液体温度上升，环隙间液体受热较好，首先沸腾，形成汽-液两相混合物，而内置管的内部仍为液相．由于环隙内两相流体密度小于内置管中液体密度，在此密度差的推动下，沸腾的汽-液两相自环隙上升到绝热段后，蒸汽上升，液相连同冷凝段的冷凝液一起由内管下降，经内管底部缝隙进入环隙内，形成一个内热虹吸循环系统[3]．

图1 具有内置管的重力热管结构示意Fig.1 Schematic diagram of closed thermosyphonwith built-in pipe

2 实 验

2.1 实验装置及流程

实验装置及流程如图2所示．实验中所用热管材质为镀锌管，长1,635,mm，管径为φ,42.3,mm× 3.5,mm．其中，加热段、绝热段和冷凝段长度分别为665,mm、235,mm和735,mm．整个热管沿轴向共装有15对铜-康铜热电偶用以测量壁温，同一轴向位置装有两支热电偶，测量点夹角为180°．冷凝段采用夹套冷却，在夹套的进、出口安装有热电偶来测量冷却水的进、出口温度．冷却介质采用自来水，用玻璃转子流量计测量其流量．

图2 重力热管装置及流程Fig.2 Schematic diagram of closed thermosyphon

实验液相工质采用室温下的自来水；固相工质采用湿沙子，尺寸为φ,1.0,mm．

2.2 实验参数范围

用充液率R来表示液体工质加入量．充液率指加入工质体积占加热段体积的百分率．由于内置管占有一定的体积，在加入内置管后会使液面高度增加，所以计算所需加入的液体工质的量时需将内置管所占的体积减去．本实验中R分别为51%、85%、95%和100%．

用固含率sε来表示固相工质加入量．固含率是指所加固体颗粒实际体积占液相工质体积的百分率．本实验采用量筒来量取固体颗粒的堆体积，然后测出颗粒床层空隙率ε，从而计算出所用颗粒实际体积．sε分别为0、1%、2%、3%和4%．

本实验中所采用的加热功率hQ分别为900,W、1,200,W、1,500,W、1,800,W和2,000,W．

实验中冷却水的流量为80,L/h．

2.3 实验数据处理

研究中采用对流传热系数作为评价传热性能的指标，包括加热段对流传热系数、冷凝段对流传热系数和等效对流传热系数[9]．等效对流传热系数eqα是介于加热段对流传热系数hα与冷凝对流传热系数cα之间的一个加权平均值，是热管内部沸腾与凝结两种传热过程的综合反映．

加热段对流传热系数

冷凝段对流传热系数

等效对流传热系数

式中：cp为冷却水的定压比热容，取冷却水进、出口温度下的平均值，J/(kg·K)；di为热管内径，m；do为热管外径，m；Lc为冷凝段长度，m；Lh为加热段长度，m；ti为冷却水进口温度，℃；to为冷却水出口温度，℃；tsat为工质饱和温度，℃；twi,c为冷凝段内壁温，℃；twi,h为加热段内壁温，℃；qV为冷却水的体积流量，m3/s；qm为冷却水的质量流量，kg/s；λ为工质导热系数，W/(m·K)；ρw为冷却水的密度，取冷却水进、出口温度下的平均值，kg/m3．

2.4 实验的不确定性分析

实验参数的测量误差会导致实验数据的不确定性．实验参数如表1所示．

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

不确定性计算式为

式中：ϕ为导出参数；xi为测量参数．

分别得出Q、twi,h、twi,c、αh、αc和αeq的不确定性为：Q≤3.1204%，twi,h≤0.6285%，twi,c≤0.6565%，αh≤3.1237%，αc≤3.1264%，αeq≤3.2778%.

3 结果与讨论

3.1 内置管对两相流闭式重力热管传热性能的影响

图3 内置管对两相流重力热管传热性能的影响Fig.3Effect of built-in pipe on the heat transfer performance of two-phase closed thermosyphon

由图3(a)可知，两种内置管对加热段均未起到强化传热作用，其原因主要是由于考虑经过环隙的固体颗粒的大小，并未严格按照最佳环隙宽度2～3,mm的结论[2]来选择内置管的直径；但在冷凝段，带两种内置管的重力热管的对流传热系数均比空管高.以1号管为例，加入内置管后加热段传热系数降低了6.8%～15.6%，而冷凝段传热系数提高了14.1%～24.6%，等效对流传热系数亦提高了6.3%～14.9%，且加热功率越大，提高越多．其原因在于内置管对传热的影响可能有两个方面．一方面，加入内置管后，如图1所示，环隙流体与内置管内流体密度差足够大，形成较好的内循环，将汽泡迅速带走，强化传热；另一方面，如果没有形成良好的内循环，则加入内置管后，沸腾仅发生在环隙中，汽泡在跃离壁面时由于碰到内置管管壁，就没有在空管中跃离容易了，从而在壁面形成汽膜，使热阻增大、加热段传热系数下降．在本研究范围内，内置管对传热的抑制作用起到主要作用，故加入内置管后，加热段对流传热系数降低．对于冷凝段，由于加入内置管后，内置管对汽泡有一定的破坏能力，使汽泡变小，从而减小了汽泡携带液滴的能力，使冷凝液膜相对于空管时较薄，故冷凝段对流传热系数升高．在实验中可以听到液滴在冷凝段撞击管壁的声音明显比空管小．

从图3中还可以看到，在加热段，加入2号管的传热效果比1号管要好一些，提高了3.0%～11.0%；但在冷凝段则相反，加2号管的传热效果较差，比1号管低3.9%～13.5%．上述现象的原因在于[2]，较小的环隙能提供较高的热功率密度(单位体积流体获得的热功率)，即使在较低的热通量条件下，也能得到较高的蒸汽干度和传热系数．但环隙也不能过小，否则两相流阻力剧增，循环液量下降，不足以维持管壁全部润湿．这时，管子上部就会出现雾状流或干壁现象.

同时，由于汽流速度增大，雾沫夹带增多，使得冷凝段液膜变厚，传热系数减小．由于冷凝段所占的比重较大，所以等效对流传热系数与冷凝段对流传热系数的变化趋势相似．关于环隙对热管传热性能的影响，将在后续研究中进一步开展．

3.2 加热功率对带有内置管的重力热管传热性能的影响

由图3可知，加热功率增大，加热段、冷凝段和等效对流传热系数均增大．对于加热段，其原因在于，随着加热功率增大，加热壁面温度上升，壁面过热度增加，汽化核心增多，这有利于泡核沸腾传热．汽泡生成频率增加，单位时间有更多的汽泡上升到液池的表面，增加了对液池的扰动，提高了池沸腾对流传热系数．对于冷凝段，原因则更为复杂一些．一方面，随着加热功率的提高，由于加热段单位时间有更多的液体汽化，将有更多的蒸汽从加热段流向冷凝段，增加了对下降冷凝液膜的阻力，增加了冷凝段液膜的厚度[3]；同时，在一定的冷却水流量和进口温度下，随着加热功率的增加，系统的操作压力和温度将升高，这将增大冷凝段传热温差，增加单位时间蒸汽冷凝量，也会增大冷凝段液膜厚度，这些都将降低冷凝段对流传热系数．但另一方面，上升汽速的增大，将会增加对冷凝段液膜的扰动，这有利于增加冷凝段对流传热系数；同时，加热功率增大，有助于加快环隙内液体的汽化，增大环隙内和内置管内流体的密度差，强化加热段内循环，进而进一步促进汽泡脱离壁面，减小汽泡脱离直径，减小其携带液滴的能力，减少冷凝段液膜的厚度．在实验范围内，由于后者的影响高于前者，所以使冷凝段的对流传热系数随着加热功率的增加而增加．由于加热段和冷凝段对流传热系数的变化趋势一致，所以等效对流传热系数亦随加热功率的增加而增加．

3.3 充液率对带有内置管的重力热管传热性能的影响

图4充液率对带有1号内置管的重力热管的传热性能的影响Fig.4 Effect of liquid filling ratio on the heat transfer performance of closed thermosyphon with built-in pipe No.1

图4 为充液率对带有1号内置管的重力热管的传热性能的影响．由图4(a)可知，对于实验中所采用的1号内置管，随充液率(R)的增加，加热段的对流传热系数减小，这与无内置管的情况相同．同时也可看到，随加热功率的增大，不同充液率下传热系数的差别逐渐缩小. 其原因在于：当加热功率较小时，对于较大的充液率，传热阻力大且不易形成内循环，因此沸腾对流传热系数显著低于充液率低的时候；而随着加热功率的增加，沸腾加剧，不同充液率下内循环的程度差距缩小，所以导致对流传热系数逐渐接近．

由图4(b)可知，对于1号管，冷凝段的对流传热系数基本上随着充液率的增加而降低．充液率对于冷凝段对流传热系数有两方面的影响：一方面，充液率越高，沸腾受抑制，汽泡减少，使得由加热段带到冷凝段的液滴量减少，这有利于提高冷凝段对流传热系数；但另一方面，充液率越高，又使得汽泡与液层的接触时间增加，有利于雾沫夹带．对于1号管而言，后者起了主导作用．

3.4 固体颗粒加入量对带有内置管的重力热管传热性能的影响

由前面分析可知，当采用1号内置管时，等效对流传热系数较高，故在进行带有内置管的三相流重力热管传热性能的研究时，选用1号内置管．固相工质为φ,1.0,mm的沙子，充液率R为85%．

由图5(a)中可知，当加热功率小于1,500,W时，沙子的加入没有强化加热段的传热，反而使传热系数降低；而当加热功率在1,800,W以上时，沙子的加入起到了强化传热作用，沸腾对流传热系数得到了提高．其原因在于：沙子密度较大，当加热功率较大时，环隙内汽泡增多，环隙和内置管内流体的密度差增大，内循环增强，提高了沙子的流化程度，更好地发挥了固体颗粒的强化传热作用，因而对流传热系数有所提高，三相流重力热管的沸腾对流传热系数要高于两相流的．

由图5(b)可知，除了固含率为1%的情况，沙子的加入均使冷凝段对流传热系数有较大幅度的增加.这一现象的原因为：流化的固体颗粒与加热壁面的作用，可以减小汽泡脱离半径，提高汽泡脱离频率[10]，强化传热，这对于雾沫夹带有两方面的作用，一方面，汽泡直径变小不利于雾沫夹带，另一方面，汽泡增多则有利于雾沫夹带．同时在汽泡上升的过程中，由于颗粒与汽泡的不断碰撞和相互作用，会在打碎汽泡的同时，减小雾沫夹带．加热功率较高时，沙子被很好地流化，对于较低的固含率，如1%，汽泡增多导致雾沫夹带的因素起主导作用，故冷凝传热系数下降．而对于较高的固含率，如在2%以上时，则抑制雾沫夹带的因素起主导作用，冷凝对流传热系数增加．在功率较小时，加热段内循环速度较低，沙子未能被很好地流化，未能起到有效的强化传热作用，反而会阻碍原有的内循环，因而会抑制沸腾传热，使单位时间产生的上升蒸汽量降低．上升蒸汽量的降低一方面可以降低对冷凝段下降液膜的阻力，有利于减薄冷凝段的液膜厚度，增大冷凝对流传热系数；另一方面也减轻了对下降液膜扰动程度，使冷凝对流传热系数降低．当固含率较低时，后者起主导作用，而固含率较高时，前者起主导作用，故呈现出如图5(b)所示的规律．

图5 固含率对具有内置管的三相流重力热管传热性能的影响Fig.5Effect of solid holdup on the heat transfer performance of three-phase closed thermosyphon with built-in pipe

由定量的计算发现，在较低加热功率900,W时，冷凝段传热系数提高得比较多，最多提高了62.8%，最大值出现在固含率为3%时；而加热段传热系数在较高加热功率2,000,W时提高得较多，最多提高12.4%，最大值亦出现在固含率为3%时；等效对流传热系数亦在加热功率为900,W时提高得较多，最高提高了30.7%，其中最大值亦出现在固含率为3%时.所以3%可以作为本实验中一个较优的固含率．

4 结 论

(1)在实验范围内，内置管的设置对于两相流重力热管的加热段没有起到强化传热的作用，但对冷凝段具有一定的强化传热效果，并使等效对流传热系数有所提高．

(2)加热功率增大，两相流及三相流的加热段、冷凝段和等效对流传热系数均增大．

(3)随充液率的增加，加热段对流传热系数减小，冷凝段对流传热系数与环隙有关，环隙不同传热规律不同．

(4)在带有内置管的三相流重力热管中，当加热功率小于1,500,W时，加入的颗粒对加热段没有起到强化传热的作用；而当加热功率提高到1,800,W以上时，加热段对流传热系数则提高了3.1%～12.4%，最大值出现在2,000,W，对应的固含率为3%．

(5)固含率为1%时，颗粒的加入降低了冷凝段的对流传热系数；当固含率提高到2%以上时，冷凝段传热系数较两相流提高了5.8%～62.8%，最大值出现在900,W时，对应的固含率为3%．

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(责任编辑：田 军)

Heat Transfer Performance of Multiphase Flow Closed Thermosyphon with a Built-in Pipe

Xu Xiaoping1,2，Shi Jintao1，Jiang Feng1，Li Xiulun1
(1. School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. College of Basic Science，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China)

To study the heat transfer performance of the two-phase closed thermosyphon and the three-phase closed thermosyphon，a special experimental system was designed by employing a vertical gravity thermosyphonwith a built-in pipe. For the multiphase flow closed thermosyphon，the experimental results show that the equivalent convective heat transfer coefficients and the heat transfer coefficients of condensation section increase when a built-in pipeis used，while the effect of the built-in pipe on heat transfer of the heating section convection can be neglected. When the solid holdup of sand is above 2%，the equivalent convective heat transfer coefficient is obviously higher thanthat of the two-phase flow system，and the maximum increase can reach 30.7%. The equivalent convective heat transfer coefficients increase with the rising of heating power for both two-phase and three-phase flow closed thermosyphons. Keywords：built-in pipe；multiphase flow；heat transfer enhancement；two-phase flow closed thermosyphon；three-phase flow closed thermosyphon

TQ051.5

A

0493-2137(2014)10-0928-06

10.11784/tdxbz201308046

2013-08-21；

2014-05-19.

天津市科委重点资助项目(2009ZCKFGX01900)；天津农学院科学研究发展基金资助项目(2011N01).

徐晓萍（1980— ），女，博士研究生，讲师，xxping.2007@163.com.

姜 峰，jiangfeng@tju.edu.cn.

时间：2014-06-13.

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201308046.html.