多角度重力型分离式热管蒸发器的压降特性研究

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）

重力型热管具有结构简单、无需外部输入功、能量回收效率好等优点，而分离式热管则打破了常规热管形式，使得蒸发器和冷凝器能够安置在两个地方，使热量回收能够更加灵活，对重力型分离式热管而言，虽然它具有很多优点，但在安装过程中一个重要的指标就是压降性能，如果在施工过程中没有掌握好各部件压降，将会导致工质无法顺利的循环起来，从而使得热管无效工作，严重者可能损坏热管换热器管壁，造成事故。张军等[1]研究了垂直同心环形管内上升气液环状流的压降情况，并研究了截面空隙率。唐国力等[2]表示垂直管圈水冷壁，一个十分重要的设计参数是界限质量流速，基于经验关联式、流动压降计算法分析了均匀受热垂直上升管工质的流动压降变化情况。刘琪等[3]对60mm 管径、8m 长度的垂直管进行了气液两相流动压降性能的研究，其中气液两相流是通过气液直接混合的形式获取得到的。Saisorn[4]研究了R-134a 在管径1mm 的通道内横向流动、垂直向上流动、垂直向下流动的传热性能和压降情况，表示在水平流动时，两相流流型与垂直流动有很大区别。

综上所述，垂直管道中两相流压降性能的研究是一个十分热门的话题，且本文所设计到的为一特殊的应用在重力型分离式热管中的环状管蒸发器，其压降特性有可能与普通圆管内的上升沸腾流动压降特性有一定的区别，具有明确的研究意义。

1 实验设备的搭建

搭建如图1 所示的试验台，其主体由两部分构成：供热系统和热管系统。供热系统采用水作为热量载体，为蒸发器供热，能够通过对电加热箱的功率控制来间接对热管系统供热量进行控制；重力型分离式热管系统主要由环状管蒸发器、风冷式冷凝器、视液镜组成，在实验之前先要从冷凝器附近的抽压口对整个系统抽压至0.05kPa 以下，然后对系统进行充注，本文采用的实验工况为2.2～2.9kg 充注量，热管系统的总容积为6L，工质从环状管蒸发器右下侧进入，在内径31.6mm、环空间隙15mm、长度1450mm 的环空中吸收内管热水所提供的热量，同时在26000Pa 实验工况下进行蒸发沸腾，变为气相的工质从左上侧出，经过风冷式冷凝器的降温凝结，穿过视液镜回流到蒸发器入口，完成循环。试验台各部位均进行了合理保温，可以视为绝热系统，热管系统之间使用软编织管进行连接，使其具备变角度可能性。

图1 重力型分离式热管蒸发器压降性能试验台

2 实验数据分析

本文重点关注的是环状管蒸发器的压降特性，需要对从实验中获取到的压力数据进行简单的处理。

由于实验所采用的压力传感器获取得到的是电压信号，故需要对电压信号进行转换。在实验前，对将压力传感器与真空表、真空泵串联起来，利用真空泵与表阀协同控制，在0～0.1MPa选取10 个压力点，记录下对应压力传感器的电压信号，将数据输入到Origin 中进行拟合，获取电压- 压力转换公式，由于在实际实验或工程应用中，即使是使用了同一型号的压力传感器，其对应的转换公式也有所不同，此处就不再展示本文所拟合的转换公式。

获取入口压力Pin，出口压力Pout，其中Pout 的理论值应在26000±300Pa，即试验工况蒸发温度在65℃左右，系统的压差△P 为

其中Pg 为蒸发器中液相工质重力压降，与蒸发器中的液位高度有关，与系统的充注量有关，与蒸发器倾斜角度也有关，由下式计算：

其中ρl为工质的密度，由入口压力对应数据库获取，也可以通过拟合公式获取，gl为重力加速度常数，H 为液位相对入口处的竖直高度，通过观察视窗可以获取。系统的压降为：

其中L 为整管长度。

3 数据分析结果

按照上一节数据处理方案，对采集到的实验数据进行分析。

如图2 所示为环状管蒸发器左上侧出口压力随角度的变化曲线，可以看出压力控制较为良好，达到了数据单一控制变量法的使用标准。

如图3 所示为环状管蒸发器右下侧入口压力随角度变化曲线，从图中可看出较为明显的变化趋势，充注量越大，入口压力随角度增加的变化趋势越靠近一个单峰值曲线，以2.9kg 充注量为例，在75°时达到入口压力峰值；而随着充注量的减小，该变化趋势又向着一个持续下降的曲线，以2.2kg 为例，其峰值产生于45°，随角度变大，入口压力持续变大。另一方面，可以较为明显的看出，随着充注量的增加，入口压力也整体增加了，这是因为由于工况控制的蒸发压力是一定的，因此在冷凝器内的工质组成成分是相对稳定的，在其中的工质总量也相对蒸发器更加稳定，而充注量整体增加，冷凝器内又不会发生很大的变化，故蒸发器内的工质量就会增加，液位上升，入口压力有很大一部分比重是工质的重力压降带来的，因此入口压力也会增加。

图2 出口压力随角度与充注量的变化

从图4 可以看出，重力型分离式热管的环状管蒸发器压降是随着角度的增加显著减小的，这是因为当蒸发管在倾斜角度时，重力在壁面上产生的分力增加，液相工质与壁面之间的摩擦增加，当角度增大时，重力更多的分担在了液相之间的摩擦，而液相与管壁之间的摩擦相对减少了很多，故产生了压降随着角度的增加而减少的趋势。

图3 入口压力随角度与充注量的变化

图4 压降随角度与充注量的变化

4 结论

本文通过对45～90°倾斜角度、2.2～2.9kg 充注量重力型分离式热管的环状管蒸发器压降性能的研究，发现蒸发器入口压力随着充注量的增加而增加，入口压力随角度的增加依据充注量的减少而从单一峰值曲线转变为单一下降曲线，压降则是随着角度的增加而持续下降。

在实际工程应用中，如果面临管道阻力大、工质循环有困难的情况，可以考虑将换热相变管的倾斜角度设置的更大。