复合中空热管冷凝侧传热特性

崔腾飞，肖章平，曹马林，张琳，蒋枫

（1常州大学机械工程学院，江苏 常州213016；2 泰州梅兰化工有限公司，江苏 泰州321200）

重力热管是一种高效的传热元件[1]。国内外很多学者都对重力热管展开了实验和理论的研究。Asghar Alizadehdakhel等[2]对铜-纯水重力热管进行了实验研究和数值模拟，研究发现当充液率为热管蒸发段体积的50%时，蒸发段加热功率为500W时热管有最佳的传热性能；数值模拟结果很好地验证了热管冷凝段液膜层流流动的假设，并且说明数值模拟是一种有效的研究热管管内流动与传热的手段。袁达忠等[3]对两相闭式热管内的流动与传热特性进行了数值模拟，研究结果表明考虑热管内界面剪切力和充液率对热管流动与传热特性的影响是必要的，由此获得的传热特性关联式更符合实际情况。Noie[4]对铜-纯水热管进行了实验研究，研究发现热管蒸发段热流密度、充液率、蒸发段长度与热管总长的比值对热管的传热性能有很重要的影响。为克服常规重力热管的携带限和沸腾限，研究人员开发出了众多新型结构的重力热管。何曙等[5]提出了一种带内循环管的重力热管，克服了常规重力热管的携带限和沸腾限，在蒸发段实现了降膜蒸发，大大提高了热管的传热传质性能。文献[6]提出了一种新型结构的重力热管-复合中空热管，能够有效地解决常规重力热管换热设备的酸露点腐蚀问题，并广泛应用于回收低温烟气（小于200℃）余热领域。

为了进一步探索复合中空热管管内的工质流动与传热特性，文献[7]利用可视化实验观测了管内两相流动情况，研究结果表明热管蒸发侧发生核态沸腾，冷凝侧发生液膜层流；文献[8-9]利用蒸气作为热源，把复合中空热管等效为管壳式换热器，以对流传热系数为评价指标，研究了倾角、充液率及工质对复合中空热管总体传热性能的影响。除本文作者课题组上述研究外，未见有复合中空热管蒸发侧和冷凝侧传热性能的研究报道。

本文建立复合中空热管传热实验平台，对不同充液率（15%≤V+≤40%，V+=V工质/V内外管空腔）和不同蒸发侧热流密度（9.48kW/m2≤q≤37.91kW/m2）下复合中空热管冷凝侧的传热特性，定量地测试热管在不同工况下的冷凝侧轴向均温性能和冷凝侧换热系数大小，为工业应用提供了基础。

1 复合中空热管结构和工作原理

图1 复合中空热管结构和工作原理

复合中空热管的结构和工作原理如图1所示。 它由内管、中间管和外管组成，两端由端盖密封，内管和外管组成封闭的环形空间，中间管把环形空间分隔成内环形室和外环形室，中间管上下各有倒流槽口，实现内外环形室之间工作介质的流动和热量的传递。当热量从内管输入时，内环形室内的工质吸收热量气化为蒸气，在压差的推动下上升到热管的上端，通过上导流槽口进入外环形室，遇外管壁冷却，形成冷凝液沿着外管壁流回热管底部，并通过下导流槽口回到内环形室，并再次受热气化，如此循环往复，连续不断地将热量由内环形室传向外环形室。反之，当热量从外管输入时，可连续不断地将热量由外环形室传向内环形室，实现热量的传递。本文实验装置是由内管输入热量，故而把内管加热部分定义为复合中空热管蒸发侧，外管定义为冷凝侧。

2 实验装置与实验方法

复合中空热管传热实验装置如图2(a)所示，实验装置主要包括实验对象、加热系统、冷却系统、数据测量和采集系统。

实验对象为安装有真空压力传感器的复合中空热管。热管的管材为不锈钢，热管总长为L=1080mm，外管为外径×厚度=60mm×1.2mm，内管为外径×厚度=38mm×2.2mm，中间管为外径×厚度=50mm×0.4mm，中间管上下导流槽分别有孔径为2mm、数量不等的圆孔，上端导流槽长度为150mm，下端为50mm。热管顶部引出细长管道，管道上装有球形真空阀和真空压力传感器，真空压力传感器用于测量热管内部的初始压力和工作压力。为了测量热管冷凝侧管壁温度，复合中空热管外管壁点焊有8组K型热电偶，具体位置如图2(b)所示。为了减小冷却水流动对管壁温度测量的干扰，每一个点焊位置都均匀涂有耐高温防水绝热胶（耐温170℃）。

加热系统由调压器、缠绕翅片的加热管和铜线组成，加热管长度为500mm，通过调节调压器的输出电压，可以调节加热管的输出功率，从而调节热管的热量输入。复合中空热管蒸发侧热流密度可由式（1）和式（2）计算。

式中，Qin为复合中空热管蒸发侧热流量，kW；U为隔离调压器输出电压，V；R为加热管的电阻，Ω；q为复合中空热管蒸发侧热流密度，kW/m2；de和Le分别为复合中空热管蒸发侧的直径和长度，m。

复合中空热管的冷凝侧采用水冷却方式，整个水冷却系统主要由两个连通水箱、三相异步电动机、离心泵、管外缠绕包裹30mm厚保温层的冷却水夹套和相应管路与阀门组成。具体流程为自来水经水箱A，通过电动机驱动的离心泵，由接管进入夹套冷却热管，夹套出口水流又通过管路流回水箱B，如此循环往复。管路上安装有球阀，用于调节冷却水流量大小，流量积量仪显示冷却水流量的大小，夹套进出口接管分别焊接有K型热电偶，用于测量冷却水进出口温度。复合中空热管冷凝侧的热流量可由式（3）计算。

式中，Qout为复合中空热管冷凝侧热流量，kW；ρ为冷却水的密度，kg/m3；qv为冷却水的流量；m3/s；cp为水的定压比热容，kJ/(kg·K)；Tin和Tout分别为冷却水的进出口温度，℃。

数据测量系统主要包括K型热电偶、真空压力传感器、流量积量仪，采集系统主要包括多路温度测试仪、智能数显仪和计算机。K型热电偶测量精度±0.5℃，真空压力传感器测量精度±0.1kPa，流量积量仪测量精度±1L/h。保温层很厚，热损失可以忽略，实验误差主要来自于测量误差。当复合中空热管冷凝侧管壁温度的变化在5min内小于±1℃时，则认为热管达到稳定工作状态，记录和导出温度、压力和流量等实验数据并进行数据分析。

图2 复合中空热管实验装置简图（单位：℃）

3 实验结果及分析

3.1 复合中空热管冷凝侧管壁温度的轴向分布

甲醇作为工质时，冷凝段管壁轴向温度的分布曲线如图3所示。从图3可看出，当工作介质为甲醇时，除去浸没液体工质区域，复合中空热管冷凝侧有比较好的轴向均温性能。当充液率为20%时，热管冷凝侧的轴向均温性能最佳。随着蒸发侧热流密度的增加，热管有效冷凝长度增加；在相同蒸发侧热流密度下，随着充液率的增加，热管有效冷凝长度先增大后减小，当充液率为20%热管有效冷凝长度最大。如图3(b)所示，当充液率为20%时，依据Nusselt层流膜状理论，蒸气进入外环形室后会在外管壁冷凝，形成液膜向下流动，相变传热发生在蒸气与液膜交界面上，并通过液膜传递到管壁，故而热管冷凝侧上部区域（T5、T6、T7、T8）会有良好的均温性能；但是随着液膜厚度的增加，传热热阻增大，所以T3、T4温度会有所下降；T2测温点管壁处于液池区域，故而温度会比较低；导流槽宽度有50mm，内环形室沸腾的工质会部分通过导流槽与外环形室内工质产生对流传热，故而T1温度又会有比较大的升高。

图3 甲醇工质时冷凝侧管壁轴向温度分布曲线

图4 甲醇工质时的热管冷凝侧换热系数

3.2 复合中空热管冷凝侧换热系数分析

复合中空热管冷凝侧换热系数可由式（4）计算。

式中，hc为冷凝侧换热系数，W/(m2·K)；Dc和Lc分别为复合中空热管冷凝侧直径和长度，m；Tc为冷凝侧管壁平均温度，℃；Tsat为热管内的相变温度，℃，这里采用热管稳定运行压力下对应的工质饱和温度作为相变温度Tsat，计算公式如式（5） 所示。

式中，p为复合中空热管稳定运行时管内压力，Pa；A、B和C都是常数，分别为16.5732、3626.55和34.29。

复合中空热管冷凝侧换热系数如图4所示。从图4中可以看出，当充液率为20%时，热管有最大的冷凝侧换热系数，热管传热性能最好；充液率过大或者过小时，热管冷凝侧换热系数很小，传热性能恶化严重。这是由于在过小的充液率下，工质量过少，蒸发侧管壁容易发生干涸现象，产生干涸振荡，传热不稳定；而当充液率过大时，在较小的热流密度下，容易出现间歇沸腾，在液池中难以形成稳定的核态沸腾，传热不稳定，在很大的热流密度下，冷凝液膜的厚度增大，传热热阻增大，传热性能同样下降。热流密度也是影响传热性能的一个重要因素，从图4可看出，热管冷凝侧换热系数随着蒸发侧热流密度的增加而增大，在充液率为20%时，蒸发侧热流密度对冷凝侧换热系数大小的影响最为明显，随着充液率的进一步增大，这种影响越来越小；当充液率为40%时，蒸发侧热流密度增大到18.96kW/m2时，随着热流密度的进一步增大，冷凝侧换热系数基本保持不变。

4 结 论

（1）除去浸没液体工质区域，复合中空热管冷凝侧有良好的均温性能，当充液率为20%时，热管的均温性能最佳，有效冷凝长度最大；随着蒸发侧热流密度的增大，热管的有效冷凝长度增大。

（2）当充液率为20%时，复合中空热管冷凝侧换热系数最大，热管传热性能最佳；随着蒸发侧热流密度的增大，复合中空热管的冷凝侧换热系数增大。

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