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        中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究①

        2017-11-24 09:21:55熊國(guó)輝王銀峰范紅途朱躍釗
        化工機(jī)械 2017年5期
        關(guān)鍵詞:虹吸管工質(zhì)環(huán)路

        熊國(guó)輝 王銀峰 嚴(yán) 鑫 范紅途 朱躍釗

        (南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

        中溫水平環(huán)路熱虹吸管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究①

        熊國(guó)輝 王銀峰 嚴(yán) 鑫 范紅途 朱躍釗

        (南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院)

        研制了一套中溫水平環(huán)路熱管(HLTS)。采用導(dǎo)熱姆作為傳熱工質(zhì),搭建了其傳熱性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái),考察了該HLTS的啟動(dòng)和傳熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:U形段液封結(jié)構(gòu)可有效避免熱管內(nèi)部?jī)上喙べ|(zhì)的雙向流動(dòng),提升其傳熱性能;充液率對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能影響較大,初始充液率為45.5%,加熱功率為150W時(shí),啟動(dòng)溫度為130℃,啟動(dòng)時(shí)間為29min,啟動(dòng)性能優(yōu)于初始充液率為70.5%工況;工作溫度為200~400℃時(shí)傳熱熱阻0.91~0.69℃/W,傳熱性能較好。該HLTS可移植和放大,設(shè)計(jì)用做槽式集熱管,實(shí)現(xiàn)熱管在太陽(yáng)能中溫?zé)崂妙I(lǐng)域的高效利用。

        水平環(huán)路熱虹吸管 中溫 啟動(dòng)特性 充液率 傳熱性能

        環(huán)路熱虹吸管[1,2](Loop Thermosyphon,LTS)具有高效傳熱、均溫性優(yōu)良及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),正逐漸在太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域、電子冷卻散熱及航空冷卻等領(lǐng)域應(yīng)用[3~6]。

        LTS以兩相工質(zhì)的密度差為驅(qū)動(dòng)力,其蒸發(fā)段需低于冷凝段放置,且蒸發(fā)段一般為豎直管或斜管。He J等以氮?dú)庾鳛椴荒詺怏w對(duì)環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器豎直放置)進(jìn)行了啟動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究,表明不凝性氣體會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間并增加啟動(dòng)過熱度和溫度過沖現(xiàn)象,同時(shí)進(jìn)行了不凝性氣體對(duì)氨不銹鋼環(huán)路熱虹吸管穩(wěn)態(tài)影響,實(shí)驗(yàn)表明不凝性氣體會(huì)增大熱虹吸管穩(wěn)態(tài)溫度(特別是在低溫條件下),同時(shí)不凝性氣體會(huì)降低熱虹吸管總熱導(dǎo)率[7,8]。Benn S P等將環(huán)路熱虹吸管用于熱電發(fā)電廠的冷卻,開發(fā)了新型冷卻器,用相變冷卻方式取代直接干冷式冷卻方式,得出新型冷卻器從成本和耗電性能均優(yōu)于傳統(tǒng)直接干冷式冷卻器[9]。Chen S J和Yang J開發(fā)了一種用于太陽(yáng)能電池散熱的環(huán)路熱虹吸管冷卻器,提高了其效率,得出在工作溫度下丙酮傳熱性能優(yōu)于水和乙醇工質(zhì),與傳統(tǒng)冷卻相比丙酮環(huán)路熱虹吸管冷卻效率可以達(dá)到其7倍[10]。Chehade A A等提出了一種水工質(zhì)兩相環(huán)路熱虹吸管(蒸發(fā)器傾斜放置),得出最佳充液率為7%~10%,并且冷卻水溫度為5℃,流量為0.7L/h時(shí)工作性能最好[11]。Franco A和Filippeschi S對(duì)小尺寸兩相閉式熱虹吸管質(zhì)量流量與熱流密度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出熱流量高于1kW時(shí)用水作為傳熱工質(zhì)傳熱性能優(yōu)于乙醇工質(zhì)[12]。有學(xué)者建立了一套自然循環(huán)槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng),采用水平圓管作為環(huán)路蒸發(fā)段,但由于環(huán)路內(nèi)部存在雙向流,因而限制了其傳熱性能,集熱溫度不超過200℃。總的來說,目前對(duì)于環(huán)路熱虹吸管的研究多集中在低溫段,環(huán)路熱虹吸管蒸發(fā)段多采用豎直管或傾斜管結(jié)構(gòu),且蒸發(fā)段水平放置時(shí),環(huán)路內(nèi)部易產(chǎn)生雙向流動(dòng),限制其傳熱性能。

        基于此,本課題組研發(fā)了一種新型中溫水平環(huán)路熱虹吸管[13](Horizontal Loop Thermosyphon,HLTS),采用簡(jiǎn)單而有效的U形段結(jié)構(gòu),可避免環(huán)路內(nèi)部工質(zhì)的雙向流動(dòng)問題。此外,采用導(dǎo)熱姆A(C12H10和C12H10O的混合物)作為傳熱工質(zhì),以拓寬其工作溫度。筆者主要對(duì)該結(jié)構(gòu)HLTS的啟動(dòng)和中溫傳熱性能進(jìn)行研究,探索其運(yùn)行機(jī)制,為HLTS移植放大用于槽式集熱器中的應(yīng)用提供依據(jù)。

        1 中溫HLTS設(shè)計(jì)

        該中溫水平環(huán)路熱虹吸管結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由蒸發(fā)段、蒸汽上升管、冷凝段、冷凝液下降管(含U形段)組成。殼體材料為不銹鋼,熱管工質(zhì)采用導(dǎo)熱姆A。U形段內(nèi)可形成液封結(jié)構(gòu),以避免環(huán)路內(nèi)工質(zhì)的雙向流動(dòng)。其傳熱過程為:工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)受熱蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽,蒸汽上升流過蒸汽上升管,并在冷凝器中冷卻,冷凝工質(zhì)從冷凝液下降管流入U(xiǎn)形段,而后回流到蒸發(fā)段中。

        圖1 水平環(huán)路熱虹吸管結(jié)構(gòu)

        HLTS的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:蒸發(fā)段為規(guī)格φ25mm

        ×2mm的圓管,長(zhǎng)度為500mm;上升管、冷凝段和下降管均為規(guī)格φ8mm×1mm的圓管,有效長(zhǎng)度分別為170、500、115mm。此外,冷凝段外繞有金屬翅片和冷凝換熱器,換熱面積為0.055m2。

        2 實(shí)驗(yàn)

        2.1實(shí)驗(yàn)裝置

        對(duì)HLTS啟動(dòng)性和傳熱性能進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、溫度測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加熱系統(tǒng)采用特制紫銅加熱器半周加熱,在半環(huán)形紫銅上均勻開孔,使加熱絲穿過孔并完全貼合,提高其加熱均溫性。紫銅加熱器輸出功率連續(xù)可調(diào),由功率計(jì)和調(diào)壓器控制。HLTS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度測(cè)點(diǎn)熱電偶布置如圖2所示,其中,測(cè)點(diǎn)K07和K06分別測(cè)量冷凝段入口和下冷凝段出口溫度;在蒸發(fā)段內(nèi)壁面布置了T01~T055根Pt100鉑電阻,對(duì)應(yīng)的在蒸發(fā)器外壁面布置K01~K055根K型熱電偶;U形段布置T06~T083根Pt100鉑電阻。冷凝段換熱器冷卻水進(jìn)出口分別布置T09和T10鉑電阻測(cè)量溫度,并且在進(jìn)口處連接渦輪流量計(jì)測(cè)冷水循環(huán)的流量,采用Agilent34970A進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用硅酸鋁和巖棉包裹保溫。

        圖2 水平環(huán)路熱虹吸管測(cè)溫點(diǎn)布置圖

        2.2實(shí)驗(yàn)過程

        實(shí)驗(yàn)前,通過高溫排氣法生成熱管。其步驟為:對(duì)HLTS預(yù)充入135.3g導(dǎo)熱姆工質(zhì);設(shè)置加熱溫度為350℃,對(duì)蒸發(fā)段加熱;當(dāng)蒸發(fā)段達(dá)到設(shè)定溫度時(shí),打開環(huán)路熱管冷凝段出口處的排氣閥,排出管內(nèi)蒸汽(包括空氣),同時(shí)將排出氣體通入冷卻水中冷卻并收集;排氣2min后,關(guān)閉排氣閥,熱管生成。

        通過初始充入量減去排氣量計(jì)算得到環(huán)路熱管內(nèi)的充液量。而充液率則定義為環(huán)路熱管蒸發(fā)段內(nèi)液體工質(zhì)的體積與蒸發(fā)段容積的百分比。由于導(dǎo)熱姆A的密度隨溫度變化較大,因此實(shí)驗(yàn)過程中環(huán)路熱管內(nèi)的充液率將實(shí)時(shí)變化。通過該方法分別對(duì)充液量為121.9、79.7g的環(huán)路熱管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件見表1。

        表1 HLTS實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        3.1溫度對(duì)充液率的影響

        本實(shí)驗(yàn)HLTS蒸發(fā)段水平布置,導(dǎo)熱姆A工質(zhì)的密度隨溫度增加而減小,造成工質(zhì)體積在蒸發(fā)段內(nèi)體積隨溫度增加而增加。圖3為充液量為121.9、79.7g時(shí)HLTS內(nèi)充液率隨溫度的變化曲線(不考慮HLTS啟動(dòng)后液池內(nèi)氣泡的影響)。熱管充液量為121.9g時(shí),環(huán)境溫度(25℃)下充液率為70.5%;當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)其充液率達(dá)到100%,此時(shí)蒸發(fā)段內(nèi)充滿工質(zhì),當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),熱管內(nèi)工質(zhì)將溢出至蒸汽上升管和冷凝液下降管,進(jìn)而影響環(huán)路熱管傳熱性能。充液量為79.7g時(shí)在環(huán)境溫度和350℃時(shí)的充液率分別為45.5%和64.0%。

        圖3 不同溫度下充液率變化曲線

        3.2啟動(dòng)性能

        加熱功率為150W時(shí),HLTS在兩種充液量下的啟動(dòng)性能如圖4、5所示。啟動(dòng)開始階段,蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)持續(xù)吸收熱量,冷凝段入口溫度測(cè)點(diǎn)K07保持不變。當(dāng)蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)達(dá)到核態(tài)沸騰時(shí),熱管內(nèi)蒸汽由于存在U形段,而單向流入上升管,冷凝段入口溫度測(cè)點(diǎn)K07迅速上升,熱管啟動(dòng)。如圖4所示,冷凝段入口溫度測(cè)點(diǎn)K07在56min時(shí)開始上升,蒸汽進(jìn)入上升管,隨后進(jìn)入冷凝段,經(jīng)冷凝后冷凝液進(jìn)入下降管,冷凝段出口溫度K06也因此升高,當(dāng)冷凝液回流到U形段并進(jìn)入蒸發(fā)段而導(dǎo)致蒸發(fā)段壁面溫度和內(nèi)部工質(zhì)溫度稍有降低,隨后熱管內(nèi)工質(zhì)溫度Te和冷凝段入口溫度測(cè)點(diǎn)K07溫差達(dá)到穩(wěn)定階段,熱管進(jìn)入完全啟動(dòng),最終Te和K07溫差不超過3℃,熱管均溫性良好。

        圖4 充液率70.5%啟動(dòng)曲線

        圖5 充液率45.5%啟動(dòng)曲線

        圖4中由于U形段溫度測(cè)點(diǎn)T08靠近加熱板,而受加熱板輻射傳熱影響,在未啟動(dòng)時(shí)溫度明顯升高,當(dāng)冷凝液回流到U形段時(shí)溫度降低,熱管穩(wěn)定時(shí)溫度保持穩(wěn)定,所以其溫度曲線出現(xiàn)先升高后降低再升高的情況。充液量121.9、79.7g實(shí)驗(yàn)工況下啟動(dòng)時(shí)間分別為56、29min,啟動(dòng)溫度為225、130℃,啟動(dòng)后至穩(wěn)定時(shí)間為34、26min。所以充液率為45.5%時(shí)的啟動(dòng)性能優(yōu)于70.5%時(shí)的啟動(dòng)性能。

        3.3加熱功率和冷凝量對(duì)啟動(dòng)性能的影響

        圖6、7為充液量79.7g,加熱功率分別為150、200W時(shí),運(yùn)行過程冷凝器通恒定流量25℃冷卻水時(shí)的啟動(dòng)性能。與圖5相比較,圖6中熱管啟動(dòng)時(shí)間為36min稍高于未通冷卻水啟動(dòng)時(shí)間,但啟動(dòng)溫度相同。這是由于HLTS在兩種工況下的初始溫度不同,初始溫度越低,啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)。此外,對(duì)比圖6、7,由于加熱功率增加,使得熱管溫度上升速率增加,因此熱管啟動(dòng)時(shí)間變短,但是啟動(dòng)溫度不變。所以啟動(dòng)溫度與冷凝量和加熱功率均無關(guān),啟動(dòng)時(shí)間隨冷凝量的減少和加熱功率的增大而變短。

        圖6 150W加熱功率啟動(dòng)曲線

        圖7 200W加熱功率啟動(dòng)曲線

        3.4熱阻分析

        文中,對(duì)于循環(huán)冷卻水時(shí)HLTS換熱器的傳熱熱阻RHLTS計(jì)算公式如下:

        式中,Te為蒸發(fā)段管壁平均溫度,Te=(K01+K02+K03+K04+K05)/5,Tf為冷卻水的平均溫度,Tf=(T09+T10)/2,Q為傳輸功率。

        圖8為冷卻水溫度25℃,不同流量下總熱阻隨加熱功率的變化??梢姛嶙桦S著加熱功率和冷卻水流量的增加而降低。當(dāng)冷卻水流量為0.081 5m3/h時(shí),總熱阻在200W加熱功率下為1.00℃/W,700W加熱功率下最小為0.50℃/W,分別比0.085 5m3/h時(shí)高出0.20、0.12℃/W。

        圖8 不同冷卻水流量下總熱阻隨加熱功率的變化

        4 結(jié)論

        4.1U形段內(nèi)將形成有效液封,避免環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)的雙向流動(dòng),提升其傳熱穩(wěn)定性。

        4.2HLTS啟動(dòng)特性與充液率和加熱功率有關(guān)。HLTS在加熱功率為150W,充液量79.7g時(shí)的啟動(dòng)溫度為130℃,啟動(dòng)時(shí)間為29min,啟動(dòng)性能優(yōu)于充液量121.9g的啟動(dòng)性能。加熱功率增大有助于縮短啟動(dòng)時(shí)間,對(duì)啟動(dòng)溫度無影響。

        4.3HLTS總熱阻隨功率的增加、冷凝量的增加而減小,在工作溫度為200~400℃時(shí)傳熱熱阻為0.91~0.69℃/W,傳熱性能較好。該HLTS可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)段水平放置時(shí)的高效傳熱,可進(jìn)一步移植和放大,用作槽式太陽(yáng)能集熱管,為槽式集熱器的開發(fā)利用提供新的途徑。

        [1] 黃素逸,黃樹紅.太陽(yáng)能熱發(fā)電原理及技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2012.

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        ExperimentalInvestigationofHeatTransferPerformanceofMedium-temperatureHorizontalLoopThermosyphon

        XIONG Guo-hui, WANG Yin-feng,YAN Xin,FAN Hong-tu,ZHU Yue-zhao

        (SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology)

        A medium-temperature horizontal loop thermosyphon (HLTS) was developed. Through taking the dowtherm as working fluid, a platform was set up to investigate the HLTS’ start-up performance and heat transfer performance. The results show that, the liquid seal structure at the U-segment can effectively prevent two-way flow of two-phase dowtherm within the HLTS and enhance its heat transfer performance; the filling rate has a significant influence on the HLTS’ heat transfer performance. When the filling rate is 45.5% along with a 150W heat power, 130℃ start-up temperature and 29min-long start-up time, the HLTS’ starting performance is better than that of the HLTS with a 70.5% filling rate. The HLTS has better heat transfer performance when the heat transfer resistance ranges from 0.91℃/W to 0.69℃/W with the working temperature ranging from 200℃ to 400℃. The HLTS can be transplanted and amplified and taken as a thermal-collecting tube for the groove-type collector used in solar energy utilization.

        HLTS, medium-temperature,start-up performance, filling rate, heat transfer performance

        國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51276086);國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAJ01B06)。

        熊國(guó)輝(1990-),碩士研究生,從事太陽(yáng)能熱利用和熱管技術(shù)方面的研究。

        聯(lián)系人朱躍釗(1958-),教授,從事熱科學(xué)與工程等方面的研究,zyz@njtech.edu.cn。

        TQ051.21

        A

        0254-6094(2017)05-0507-05

        2016-11-23)

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