劉玉清 郭佳超 李浩鵬 田小亮

（青島大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島266000）

重力型熱管具有結(jié)構(gòu)簡單、無需外部輸入功、能量回收效率好等優(yōu)點，而分離式熱管則打破了常規(guī)熱管形式，使得蒸發(fā)器和冷凝器能夠安置在兩個地方，使熱量回收能夠更加靈活，對重力型分離式熱管而言，雖然它具有很多優(yōu)點，但在安裝過程中一個重要的指標就是壓降性能，如果在施工過程中沒有掌握好各部件壓降，將會導(dǎo)致工質(zhì)無法順利的循環(huán)起來，從而使得熱管無效工作，嚴重者可能損壞熱管換熱器管壁，造成事故。張軍等[1]研究了垂直同心環(huán)形管內(nèi)上升氣液環(huán)狀流的壓降情況，并研究了截面空隙率。唐國力等[2]表示垂直管圈水冷壁，一個十分重要的設(shè)計參數(shù)是界限質(zhì)量流速，基于經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式、流動壓降計算法分析了均勻受熱垂直上升管工質(zhì)的流動壓降變化情況。劉琪等[3]對60mm 管徑、8m 長度的垂直管進行了氣液兩相流動壓降性能的研究，其中氣液兩相流是通過氣液直接混合的形式獲取得到的。Saisorn[4]研究了R-134a 在管徑1mm 的通道內(nèi)橫向流動、垂直向上流動、垂直向下流動的傳熱性能和壓降情況，表示在水平流動時，兩相流流型與垂直流動有很大區(qū)別。

綜上所述，垂直管道中兩相流壓降性能的研究是一個十分熱門的話題，且本文所設(shè)計到的為一特殊的應(yīng)用在重力型分離式熱管中的環(huán)狀管蒸發(fā)器，其壓降特性有可能與普通圓管內(nèi)的上升沸騰流動壓降特性有一定的區(qū)別，具有明確的研究意義。

1 實驗設(shè)備的搭建

搭建如圖1 所示的試驗臺，其主體由兩部分構(gòu)成：供熱系統(tǒng)和熱管系統(tǒng)。供熱系統(tǒng)采用水作為熱量載體，為蒸發(fā)器供熱，能夠通過對電加熱箱的功率控制來間接對熱管系統(tǒng)供熱量進行控制；重力型分離式熱管系統(tǒng)主要由環(huán)狀管蒸發(fā)器、風(fēng)冷式冷凝器、視液鏡組成，在實驗之前先要從冷凝器附近的抽壓口對整個系統(tǒng)抽壓至0.05kPa 以下，然后對系統(tǒng)進行充注，本文采用的實驗工況為2.2～2.9kg 充注量，熱管系統(tǒng)的總?cè)莘e為6L，工質(zhì)從環(huán)狀管蒸發(fā)器右下側(cè)進入，在內(nèi)徑31.6mm、環(huán)空間隙15mm、長度1450mm 的環(huán)空中吸收內(nèi)管熱水所提供的熱量，同時在26000Pa 實驗工況下進行蒸發(fā)沸騰，變?yōu)闅庀嗟墓べ|(zhì)從左上側(cè)出，經(jīng)過風(fēng)冷式冷凝器的降溫凝結(jié)，穿過視液鏡回流到蒸發(fā)器入口，完成循環(huán)。試驗臺各部位均進行了合理保溫，可以視為絕熱系統(tǒng)，熱管系統(tǒng)之間使用軟編織管進行連接，使其具備變角度可能性。

圖1 重力型分離式熱管蒸發(fā)器壓降性能試驗臺

2 實驗數(shù)據(jù)分析

本文重點關(guān)注的是環(huán)狀管蒸發(fā)器的壓降特性，需要對從實驗中獲取到的壓力數(shù)據(jù)進行簡單的處理。

由于實驗所采用的壓力傳感器獲取得到的是電壓信號，故需要對電壓信號進行轉(zhuǎn)換。在實驗前，對將壓力傳感器與真空表、真空泵串聯(lián)起來，利用真空泵與表閥協(xié)同控制，在0～0.1MPa選取10 個壓力點，記錄下對應(yīng)壓力傳感器的電壓信號，將數(shù)據(jù)輸入到Origin 中進行擬合，獲取電壓- 壓力轉(zhuǎn)換公式，由于在實際實驗或工程應(yīng)用中，即使是使用了同一型號的壓力傳感器，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式也有所不同，此處就不再展示本文所擬合的轉(zhuǎn)換公式。

獲取入口壓力Pin，出口壓力Pout，其中Pout 的理論值應(yīng)在26000±300Pa，即試驗工況蒸發(fā)溫度在65℃左右，系統(tǒng)的壓差△P 為

其中Pg 為蒸發(fā)器中液相工質(zhì)重力壓降，與蒸發(fā)器中的液位高度有關(guān)，與系統(tǒng)的充注量有關(guān)，與蒸發(fā)器傾斜角度也有關(guān)，由下式計算：

其中ρl為工質(zhì)的密度，由入口壓力對應(yīng)數(shù)據(jù)庫獲取，也可以通過擬合公式獲取，gl為重力加速度常數(shù)，H 為液位相對入口處的豎直高度，通過觀察視窗可以獲取。系統(tǒng)的壓降為：

其中L 為整管長度。

3 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

按照上一節(jié)數(shù)據(jù)處理方案，對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行分析。

如圖2 所示為環(huán)狀管蒸發(fā)器左上側(cè)出口壓力隨角度的變化曲線，可以看出壓力控制較為良好，達到了數(shù)據(jù)單一控制變量法的使用標準。

如圖3 所示為環(huán)狀管蒸發(fā)器右下側(cè)入口壓力隨角度變化曲線，從圖中可看出較為明顯的變化趨勢，充注量越大，入口壓力隨角度增加的變化趨勢越靠近一個單峰值曲線，以2.9kg 充注量為例，在75°時達到入口壓力峰值；而隨著充注量的減小，該變化趨勢又向著一個持續(xù)下降的曲線，以2.2kg 為例，其峰值產(chǎn)生于45°，隨角度變大，入口壓力持續(xù)變大。另一方面，可以較為明顯的看出，隨著充注量的增加，入口壓力也整體增加了，這是因為由于工況控制的蒸發(fā)壓力是一定的，因此在冷凝器內(nèi)的工質(zhì)組成成分是相對穩(wěn)定的，在其中的工質(zhì)總量也相對蒸發(fā)器更加穩(wěn)定，而充注量整體增加，冷凝器內(nèi)又不會發(fā)生很大的變化，故蒸發(fā)器內(nèi)的工質(zhì)量就會增加，液位上升，入口壓力有很大一部分比重是工質(zhì)的重力壓降帶來的，因此入口壓力也會增加。

圖2 出口壓力隨角度與充注量的變化

從圖4 可以看出，重力型分離式熱管的環(huán)狀管蒸發(fā)器壓降是隨著角度的增加顯著減小的，這是因為當蒸發(fā)管在傾斜角度時，重力在壁面上產(chǎn)生的分力增加，液相工質(zhì)與壁面之間的摩擦增加，當角度增大時，重力更多的分擔在了液相之間的摩擦，而液相與管壁之間的摩擦相對減少了很多，故產(chǎn)生了壓降隨著角度的增加而減少的趨勢。

圖3 入口壓力隨角度與充注量的變化

圖4 壓降隨角度與充注量的變化

4 結(jié)論

本文通過對45～90°傾斜角度、2.2～2.9kg 充注量重力型分離式熱管的環(huán)狀管蒸發(fā)器壓降性能的研究，發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)器入口壓力隨著充注量的增加而增加，入口壓力隨角度的增加依據(jù)充注量的減少而從單一峰值曲線轉(zhuǎn)變?yōu)閱我幌陆登€，壓降則是隨著角度的增加而持續(xù)下降。

在實際工程應(yīng)用中，如果面臨管道阻力大、工質(zhì)循環(huán)有困難的情況，可以考慮將換熱相變管的傾斜角度設(shè)置的更大。