倾斜重力型分离式热管的换热性能研究

刘玉清 郭佳超 李浩鹏 田小亮

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛266000)

对生产过程中的能量进行回收，能够有效提高厂家的节能减排水准，对管道上的热量进行回收，需要使用到特殊的换热器。热管近年来被进行了广泛的研究，由于其在热量传递性能上的优秀表现，在众多领域均有应用，如热管热泵联合干燥[1]、航空航天[2]、太阳能利用[3]、化工生产[4]、数据中心冷却[5]等。热管的种类形式有很多，包括虹吸式热管、重力型热管、分离式热管、动力型热管等，影响热管换热的因素也有很多，其中对重力型热管而言，一个重要的影响因素就是热管的倾斜角度。梁玉辉等[6]人对并联式脉动热管进行了研究，将该类热管以60°、90°的倾斜角度进行放置，并施加以35%、50%、70%充注率的工况，发现在同一充注率时，倾斜角度60°时的传热性能明显要比90°要差。战洪仁等[7]人对重力型热管应用Fluent 进行了模拟研究，并根据对比实验结果发现，重力型热管的性能最优点出现在57°。史维秀等人对多通路并联脉动热管进行了研究，通过对壁面温度和传热热阻的分析得出，在60°、75°、90°倾斜角度中，随着倾斜角度的变小，传热热阻逐渐增大，传热极限逐渐变小，重力对于该类热管的影响效果是十分显著的。对于环状管中的多倾角换热性能研究，国内的文献略有空缺，Kang 等[8,9]人对多倾角环状管内的换热现象进行了研究，同时与圆管内的沸腾做了对比，表示环状管中的沸腾与圆管略有区别，其最佳换热性能出现在90°倾角。

综合上述讨论，倾斜角度对于热管这种高效换热器具有明显的影响，对于热管换热器最佳倾斜角度的研究是很有意义的，故本文搭建重力型分离式热管试验台，采用环状管蒸发器，对环状热管蒸发器这一热量吸收单元进行多倾角研究，提供重力型热管关于多倾角方面的试验结论。

1 多倾角重力型分离式热管试验台

对重力型分离式热管进行多倾角的实验，其关键在于如何将换热器转换角度。本文设计了如图1 所示的多倾角重力型分离式热管试验台，蒸发器与冷凝器之间采用不锈钢编织水管连接，对所有区域采用15mm 橡塑保温棉进行保温，主要试验部件为一内管30mm、外管60mm、环空间隙15mm 的不锈钢材质环形管蒸发器，管长1450mm，沿轴向设置有5 组温度传感器，并在入口和出口处设置压力传感器，用于监控工况，循环工质使用的是蒸馏水。

图1 多倾角重力型分离式热管试验台

环状管蒸发器采用热水供热，冷凝器采取风冷形式。实验开始前，先对重力型分离式热管系统抽真空，之后分别充注36.7%、40%、43.3%、48.3%的工质水，开启循环热水系统，为蒸发器供热，待循环热水平均温度达到约75℃时，打开冷凝器风机，调节循环热水加热功率，使热管蒸发压力稳定在26000 Pa，使环状管蒸发器在45°、60°、75°、90°进行试验。

2 实验结果处理

环状管与循环热水之间的换热量可以通过式（1）获得

其中Q0为环状管换热量，m0为循环热水质量流量，cp为循环热水比热容，△T0为循环热水进出口温差，Tin、Tout为循环热水进出口温度，环状管蒸发器的蒸发侧平均表面换热系数havg，采用式（3）进行计算

其中q 为平均热流密度，由式（4）计算得到，A0为整管换热面积，Ti,o为循环热水内管外壁面的特征温度，由式（5）计算得到，Tsat为获取得到的工况压力对应的饱和温度。

3 实验结果分析

图2 循环水温度与蒸发过热度随角度的变化

图3 蒸发侧平均表面换热系数随角度的变化

如图2 所示蒸发侧平均表面换热系数havg随环状管蒸发器倾斜角度的变化，可以明显的观察到，havg在45～90°范围内存在一个极小值，对36.7%和48.3%而言，极小值发生在60°，对40%和43.3%而言，极小值发生在75°，故可认为，带有环状管蒸发器的重力型分离式热管，在36.7%至48.3%充注量时，蒸发管在45°至90°范围内的蒸发侧表面换热系数变化趋势为先减小后增大。

如图3 所示，当该类热管蒸发器倾角处于最差换热性能对应工况时，循环热水温度也是处于峰值状态，同时过热度的表现趋势也与循环热水温度趋势一致，同havg变化趋势恰好相反，由式（3）可知这是符合物理规律的。

4 结论

综上所述，在工程应用中，若要使得该类重力型分离式热管能够有效回收管道的能量，应当避免用于吸收热量的环状管蒸发器安装在60～75°管道上，且应安装在竖直管道，或倾斜角度较小的管道上，以获取最大的换热性能，实现有效的能量回收。