[科普中国]-分离式螺旋热管

分离式热管

国外分离式热管换热器的研制开始于20世纪80年代。这种换热器可实现远距离传热，避免大直径烟风道迁移;可实现一种流体与多种流体间的换热;具有良好的密封性能;方便顺逆流混合布置;大幅调整蒸发段与冷凝段的面积比还可使冷热流体完全隔开;适用于换热装置大型化等优点。因此，很快引起了我国科技工作者的重视，并进行了广泛的基础理论和工程应用研究2。

分离式热管中探索研究和应用最广泛的属重力型分离式热管(以下称为分离式热管)，其中，中科院工程热物理研究所与上海711研究所一起进行了有关分离式热虹吸管组的换热特性研究;上海海运学院研究了分离式热管换热器系统的模型实验;东北工学院针对分离式热管元件随着热管的应用进一步深入换热器在大型化的发展，如在化工、电站、炼铁等工业部门，要从大量的烟气中回收废热和余热，有时为了保证安全，不允许各种流体之间相互渗漏，传统的热管换热器在总体布置方式和辅助循环设备方面都受到相当大的制约，因此基于上述原因，学者们研究开发了分离式热管。

分离式螺旋热管简介螺旋热管与直管相比不仅具有较大的换热系数,而且其单位体积具有较大的换热面积。分离式螺旋热管是将螺旋热管与分离式热管的结合3，分离式螺旋热管包括四部分：结蒸发段、蒸汽上升管、冷凝段和液体下降管是构成。蒸发段与冷凝段相互是分开的，两个换热器通过蒸汽上升管与液体下降管进行连接，构成一个自然回路循环。系统工作时，对热管进行抽真空并加入一定量的工质，当这些工质汇集于蒸发段并受热后，工质蒸发，伴随内部蒸发压力升高，使产生的较高压蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段并释放出气化潜热而被冷凝成液体，重力作用下，冷凝液体经液体下降管重新回到蒸发段，如此实现循环往复运行。由于一般不在蒸发段加入吸液芯，冷凝液依靠重力作用回流，所以分离式螺旋热管系统的冷凝段必须保证高于蒸发段。蒸汽上升管与液体下降管之间的密度差产生压头以平衡工质流动的压力损失应用于冰蓄冷空调的蒸发段,在圆柱型的蓄冷桶内装有两组螺旋热管,螺旋热管内充入了热管介质,热管介质从螺旋热管底部进入,在螺旋管内蒸发吸热,然后从螺旋热管上部流出,而热管外部的蓄冷材料因放热凝固而蓄冷。热管介质进入螺旋热管之前是液体,在螺旋管内因蒸发吸而变成气液两相流动。由于热管介质在螺旋热管内进行的是气液相变换热,其换热系数和换热量远高于普通的冰盘管蓄冷系统。

分离式螺旋热管融冰放冷特性模型在完成蓄冰过程的蓄冷桶内,热管管外结有一定厚度的冰,在其周围充满了温度高于结冰点的水。蓄冷桶内的低温水通过循环泵输送到用户末端装置,释放出冷量后循环水温度升高再返回到蓄冷桶。热管管外的冰是从外表面开始向内逐渐融化,属于外融冰方式。外融冰的液相区有较明显的流动,固-液相界面的形状和位置受固相区导热和液相区对流的影响。本文采用数值模拟的方法对螺旋热管外的融冰过程进行分析。蓄冷桶内的冷量变化包括冰融化过程中的潜热与水的显热变化的总和,桶内温度假定均匀4。

分离式螺旋热管蓄冰过程理论模型建立螺旋热管蓄冰过程的数学模型,并将该模型进行离散化处理,采用数值迭代的方法求解该模型。为计算方便,作如下假定5:

(1)螺旋热管管外壁面与水接触的温度为0℃ ;

(2)冰层在热管外生长均匀;

(3)结冰过程中冰的热物性参数不随时间变化;

(4)由于热管蓄冷系统保温良好,故忽略散热损失。
热管管外的冰层厚度是随时间而变化的,根据能量平衡关系,当蓄冷桶内水温达到0℃时,热管管外开始结冰,冰层生长所需要的冷量与热管的传热量应该相等

建立了螺旋热管蓄冰过程的理论模型,并利用该模型分析了蓄冷过程中单位时间管外结冰厚度、冰层总厚度、蓄冰率、单位时间蓄冷量以及系统总蓄冷量的变化规律,并对三种不同管径的螺旋热管的蓄冰特性进行了比较,研究结果表明:

(1)单位时间管外结冰厚度随蓄冰过程的进行逐渐减小,同时管外冰层总厚度在逐渐增加,且增加的幅度会越来越小;
(2)单位时间蓄冷量在蓄冷过程的前期会增加得较快,但随着冰层厚度的逐渐增加,冰层的热阻也越来越大,从而使系统的单位时间蓄冷量增加得越来越小,甚至保持不变或略有减小;
(3)系统的蓄冰率和总蓄冷量在蓄冰过程中一直是增加的。对于较大管径的热管,其蓄冰率和总蓄冷量的增长幅度都较大。因此,在设计热管蓄冷系统时,除了保证蓄冰槽的保温效果外,还可以设计较大管径的热管,以利于增大蓄冷系统蓄冰率和总蓄冷量。

分离式螺旋热管的换热模型螺旋管几何尺寸对热管内流动换热的影响根据传热学原理,热管介质在直管内流动换热时,换热Nu数受Re数和Pr数的影响。然而在螺旋热管介质及介质流动状态确定的状态下,热管内换热Nu数还受到螺旋管几何形状的影响。玉宇等[2]采用二维计算模型,不但将离心力在螺旋热管内流体流动中的作用体现出来,还在修正直管内对流换热系数的基础上,得到热管介质在螺旋管内流动时的对流换热系数6。

热流密度对热管内流动换热的影响通过实验加热管内径为4mm螺旋热管蒸发段,观察管内工质流动特性,发现随充液量和热流密度的不同,从入口到出口依次可以观察到四种流型:单相流、泡状流、柱塞状流、分层流。流型不同,管内换热机理也不一样。

充液率对热管内流动换热的影响充液率表示充液量与热管蒸发段容积之比。热管介质在螺旋热管相变换热所占比例最大时,得到最佳充液率,此时换热系数较大。陈岚7等通过实验观察到分离式热管充液率过低时,工质大部分在过热蒸气或过冷液体状态换热,换热系数很低;充液率过高时,换热系数没有明显变化,但是启动时间延长。