含不凝气重力热管启动和等温性能实验研究

任彬 汤晓英

上海市特种设备监督检验技术研究院 （上海 20006）国家热交换器产品质量检验中心（上海）（上海 201518）

热管是一种具有较高真空度、灌装了一定工作介质的密闭中空管子[1]。重力热管是一种特殊类型的热管，虽然也是利用工作介质的蒸发和冷凝来传递热量，但与普通热管不同，管内没有吸液芯。气态工作介质在冷凝段凝结成液态后，仅依靠重力的作用即可回流到蒸发段，重新参与热量传递。因此重力热管具有结构简单、制造方便和价格低廉的优点，被广泛应用于各种工业领域[2]，如：在石油化工行业用于加热炉余热回收，在动力行业被用作余热锅炉、省煤器，在冶金行业用于热风炉余热回收。

钢-水重力热管以其成本低和适用温度范围广的特点，在工业上得到了广泛应用。然而钢和水会发生化学或电化学反应产生氢气，氢气是一种不凝性气体[3]。众所周知，静止状态的混合蒸汽冷凝，仅0.5%体积分数的不凝性气体就可使传热系数下降50%[4]。Ren等[5]通过实验和数学模型的方法研究了含不凝气混合蒸汽在水平管内的冷凝特性。结果发现，不凝气含量为30%时，传热系数最高下降了59.32%，但在高雷诺数（Re）条件下，较强的气液界面剪切力能削弱不凝气对冷凝传热的不利影响。

Mantelli[6]建立了含不凝气条件下萘热管的回路热阻模型，并与充有氩气的萘热管热阻实验值进行了对比，结果较为吻合，表明该模型可用于该类重力热管换热器的工艺设计。但该模型仅关注了不凝气对重力热管传热性能的影响，没有涉及不凝气对热管启动及等温性能的影响。本文将通过独立搭建的实验装置，研究不凝气充气比和加热功率对热管启动性能的影响，以及加热功率对等温性能的影响。

1 实验装置及方法

1.1 实验装置

重力热管实验装置如图1所示，主要包括加热系统、冷却系统、数据采集系统及待测重力热管[7-8]。加热系统由电加热套、稳压器、调压器、电压表和电流表组成。冷却系统由水箱、离心泵、流量计和冷却水夹套组成。数据采集系统由数据采集器、电脑和测量仪表组成，测量仪表除上述电压表、电流表和流量计外，还包括冷却水进口处的2根铠装T型热电偶，焊接在重力热管外表面的12根热电偶测温线。

待测重力热管的管壳材料为紫铜，充装的工作介质为去离子水。热管管壁厚3 mm，外径为25 mm，总长1 000 mm，其中蒸发段长350 mm、绝热段长300 mm、冷凝段长350 mm。管壳和端盖经焊接形成封闭腔体后，还需要进行充液和充气。重力热管充液充气装置如图2所示，包括真空泵、真空表、储液罐、滴定管、氢气瓶及配套的管路和阀门。在充液充气前，先打开球阀1、球阀2和针阀1，关闭球阀3和针阀2；启动真空泵对整个充装系统抽真空，直至达到预设的真空度要求，然后关闭球阀2和针阀1；打开球阀3，向滴定管内注入一定量的去离子水；关闭球阀3，缓慢打开针阀1向热管中充入预设量的工作介质；关闭针阀1，缓慢打开针阀2向热管中充入预设量的氢气；关闭球阀1，含不凝气的重力热管即制备完成。

图1 重力热管实验装置图

图2 重力热管充液充气装置图

1.2 实验方法

重力热管的传热量可根据电加热带的加热量来确定。

式中：U为电加热带两端电压，V；I为流经电加热带的电流，A。

重力热管的传热量还根据冷却水夹套的吸热量确定。

式中：cp为冷却水定压比热容，J/(kg·s)；ρ为冷却水密度，kg/m3；V 为冷却水体积流量，m3/s；Tco，i，Tco，o分别为冷却水进出口温度，℃。

只有电加热带的加热量Q1与冷却水夹套的吸热量Q2误差小于5%时，该组实验数据才会被采用。最终的传热量取加热量和吸热量的算术平均值。

通过测量和比较热管管壁温度即可评价重力热管的启动等温性能。12根热电偶测温线中，4根布置在蒸发段，2根布置在绝热段，6根布置在冷凝段。通过对比实验测得的传热系数与关联式计算得到的传热系数，可验证实验装置中各项仪器仪表的可靠性。因蒸发段传热模式较复杂，本文仅比较冷凝传热系数，可通过（4）式计算。

式中：Ac为冷凝段传热面积，m2；Tc为冷凝段平均壁温，℃；Ta为绝热段平均壁温，℃。

2 结果与讨论

2.1 装置可靠性验证

为验证装置可靠性，首先进行了不含不凝气时重力热管的传热性能实验。图3显示了冷凝传热系数实验值与计算值的对比情况。由图3可见，冷凝传热系数实验值与Chen[9]公式计算值较接近，而小于Nusselt[10]公式计算值。这是因为：在建立Nusselt公式时，假设蒸汽是静止状态的；在重力热管冷凝段，蒸汽是自下而上流动的，与向下流动的液膜会产生摩擦，在气液界面形成向上的剪切力，从而增加了液膜厚度，降低了冷凝传热能力。Chen建立的公式中考虑了界面剪切力的作用，因而能准确预测出冷凝传热系数。实验值与计算值的最大正误差为+15%，最大负偏差为-7%，均在合理范围内，验证了实验装置的可靠性。

2.2 启动性能

图3 冷凝传热系数对比图

热管的启动性能由启动时间来衡量，所谓启动时间是指从开始给热管加热到热管稳定工作所需的时间。当热管绝热段的壁温波动不超过1℃/min时，可认为热管进入稳定工作状态。图4显示了相同加热功率、不同充气比时绝热段壁温随时间的变化曲线。由图4可见，含不凝气重力热管的启动不同于常规重力热管的启动，常规重力热管启动时，绝热段壁温是缓慢上升到工作温度的，但充入不凝气后，绝热段壁温在启动初期没有变化，经过一段时间后，壁温会先急剧上升到某一温度，然后再缓慢上升到工作温度，并最终稳定下来。这是因为：充装不凝气后，管内绝对压力变大，导致蒸发段产生蒸汽的时间变长，且在此期间绝热段没有蒸汽流过，所以壁温会保持不动；但当蒸发段开始产生蒸汽后，蒸汽会立即将不凝气吹扫到冷凝段，所以壁温会急剧上升。同时，充气比越大，启动时间越长，稳定后的工作温度越高，这是因为压力越高，对应的蒸汽饱和温度越高。图5显示了相同充气比，不同传热量时绝热段壁温随时间的变化曲线。由图5可见，传热量越大，启动时间越短，稳定后的工作温度越高。当传热量足够大时，几乎没有壁温在某一阶段稳定不动的现象。

图4 不同充气比时重力热管启动曲线图

图5不同传热量时重力热管启动曲线图

2.3 等温性能

图6为含不凝气重力热管壁温轴向分布图。由图6可见，蒸发段的壁温高于绝热段和冷凝段，这是因为热量从蒸发段传递至绝热段和冷凝段，在此过程中蒸汽会产生压降，蒸汽对应的饱和温度会下降，所以壁温沿轴向降低。传热量越大，蒸发段壁温越高，这是由于传热量越大意味着加热带的功率越大，表面温度越高，引起与之接触的蒸发段壁温升高。壁温在蒸发段和绝热段分布比较均匀，在冷凝段出现不等温的现象；这是因为不凝气被蒸汽吹扫到重力热管顶部，不凝气占据的部分不参与传热，所以该处的温度较低。传热量越小，冷凝段壁温下降越明显；这是因为传热量越小，工作温度越低，对应的饱和压力越小，不凝气密度越小，占据的体积就越大。

图6 重力热管壁温轴向分布图

3 结论

通过实验的方式研究了含不凝气重力热管的启动和等温性能，定量分析了充气比和传热量对启动和等温性能的影响。首先介绍了实验装置的组成和实验方法，其次通过对比冷凝传热系数验证了装置的可靠性，最后研究了不凝气充气比和传热量对热管启动性能的影响，以及传热量对等温性能的影响。实验结果表明：相同传热量时，充气比越大，启动时间越长，工作温度越高；相同充气比时，传热量越大，启动时间越短，工作温度越高。蒸发段的壁温高于绝热段和冷凝段，且壁温在蒸发段和绝热段分布较均匀，在冷凝段出现了不等温的现象；传热量越小，不等温现象越明显。