分流管強(qiáng)化熱虹吸管沸騰傳熱理論分析

分流管強(qiáng)化熱虹吸管沸騰傳熱理論分析

1強(qiáng)化管的應(yīng)用近年來，各種改進(jìn)的傳熱元件在使用管殼換熱器中發(fā)揮了很大的潛力。它一方面可以節(jié)約大量的金屬管材、降低設(shè)備費(fèi)用,以獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益;另一方面可顯著提高工廠的熱能利用率、降低能耗和生產(chǎn)費(fèi)用,亦可減少燃料燃燒造成的環(huán)境污染。因此,在換熱器中采用強(qiáng)化管已是國內(nèi)外發(fā)展趨勢。然而,將管內(nèi)強(qiáng)化傳熱技術(shù)用于熱管換熱器中的研究則剛起步,而熱管內(nèi)部強(qiáng)化傳熱是熱管換熱器強(qiáng)化傳熱研究的一個(gè)重要方面,本文對熱管內(nèi)部設(shè)置分流管結(jié)構(gòu)強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理進(jìn)行理論研究,并通過數(shù)值模擬計(jì)算研究了熱管管內(nèi)強(qiáng)化傳熱對熱管換熱器結(jié)構(gòu)及性能的影響。2熱交換器的傳熱數(shù)學(xué)模型分析在熱管換熱器中,冷、熱流體間的熱量傳遞是靠熱管內(nèi)工作介質(zhì)蒸發(fā)和冷凝的相變過程耦合在一起的,根據(jù)熱平衡有:熱流體側(cè):冷流體側(cè):3強(qiáng)化管內(nèi)部設(shè)置熱虹吸管又稱重力熱管,與普通熱管一樣,利用工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量,且不需要外加動(dòng)力而工質(zhì)自行循環(huán)。但與普通熱管所不同的是熱管內(nèi)沒有吸液芯,冷凝液從冷凝段返回蒸發(fā)段不是靠吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力,而是靠冷凝液自身的重力。熱虹吸管內(nèi)部傳熱機(jī)理表明:熱虹吸管工作時(shí),蒸發(fā)段主要是核態(tài)沸騰。加熱壁面上氣泡的產(chǎn)生和脫離的過程是影響核沸騰換熱的決定因素,而氣泡在加熱壁面上產(chǎn)生后對氣泡的成長過程起決定作用的是氣泡附近液體微層的蒸發(fā),即加熱面上液體沸騰的主要熱阻來自微層液膜,微層越薄,熱阻越小。而微層蒸發(fā)只能在汽液界面上進(jìn)行,所以,接觸面積的增大、微層蒸發(fā)時(shí)間的延長將有助于沸騰換熱的增強(qiáng),如圖1所示,在熱虹吸管內(nèi)部設(shè)置分流管可以起到強(qiáng)化沸騰換熱的效果。分流管強(qiáng)化沸騰傳熱的主要機(jī)理是擴(kuò)大薄液膜的覆蓋面積和增強(qiáng)對汽泡周圍液體的擾動(dòng)。因此,首先通過一些能夠反映微層液膜特征參數(shù)和分流管幾何尺寸的準(zhǔn)則數(shù)來建立分流管強(qiáng)化沸騰傳熱的準(zhǔn)則方程,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其正確性。本文采用分流管強(qiáng)化核態(tài)沸騰的機(jī)理與文獻(xiàn)的報(bào)道很相似,所不同的是分流管上開有不同數(shù)量的小孔。因此,本文對文獻(xiàn)作一些修正,得出下列關(guān)系式:從關(guān)系式(7)中可以看出:當(dāng)s減小時(shí),則微膜變薄,傳熱增強(qiáng),但流體的流動(dòng)阻力增大,傳熱能力下降;當(dāng)s增大時(shí),環(huán)隙對汽泡的抑制作用減小,即:分流管對強(qiáng)化傳熱的效果降低。這里將環(huán)隙s作為單值函數(shù)來考慮是很不全面的,故用環(huán)隙和分流管的對數(shù)平均截面積與熱虹吸管內(nèi)截面積之比?來表征與分流管幾何參數(shù)有關(guān)的一個(gè)特性準(zhǔn)則。此外,從機(jī)理分析中可知,汽泡的產(chǎn)生受工作壓力的影響也是不容忽略的。文獻(xiàn)對七組不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化管在充液率為45%～55%的范圍內(nèi)作了大量的實(shí)驗(yàn),獲得330組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并得出以下結(jié)論:分流管結(jié)構(gòu)尺寸對沸騰傳熱系數(shù)有很大的影響,在一定的開孔范圍內(nèi)開孔率越大越好,在工程制造許可范圍內(nèi),管間隙越小,液膜厚度越薄換熱效果越好;在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),最佳分流管開孔率是33%,最佳環(huán)隙在4.5mm左右;強(qiáng)化管蒸發(fā)段傳熱系數(shù)也有明顯提高,大約提高2～3倍;通過實(shí)驗(yàn)值回歸得分流管強(qiáng)化傳熱準(zhǔn)數(shù)方程式:4冷流體側(cè)溫度分布測量為驗(yàn)證上述分析的正確性,建立熱管換熱器實(shí)驗(yàn)臺(tái),熱管換熱器在逆流條件下操作。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1中;主要性能參數(shù)列于表2中。為測量冷流體側(cè)溫度分布,從冷流體進(jìn)口處管排開始,每隔一排熱管設(shè)置一對熱電偶,測量相應(yīng)位置處的冷流體溫度。熱側(cè)主要采用取樣測試的方法,在熱側(cè)的第5排、第13排、第23排、第31排的管子軸線平面位置處和第17排與第18排的中間位置處各布一個(gè)鎧裝熱電偶測量相應(yīng)位置處的熱流體溫度;5熱管換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)測試分析由上所述,在熱虹吸管中采用強(qiáng)化措施,即可改善熱管傳熱性能,同時(shí)亦可提高傳熱能力,在本計(jì)算實(shí)例中,采用內(nèi)插分流管的強(qiáng)化傳熱管作為熱管換熱器傳熱元件,通過有限差分法對方程(1)～(6)進(jìn)行離散,并采用FORTRAN90計(jì)算軟件編制計(jì)算程序。計(jì)算了普通熱管換熱器與強(qiáng)化管換熱器的流體溫度分布、管壁溫度與沿流體流動(dòng)方向各管排熱管管內(nèi)蒸汽溫度。表3列出了普通熱管換熱器與強(qiáng)化熱管換熱器總傳熱量數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比分析,結(jié)果表明計(jì)算誤差均在10%以內(nèi),證明了本文提出的熱管換熱器強(qiáng)化傳熱方法與數(shù)值計(jì)算方法是可行的。圖2與圖3表明普通熱管換熱器與強(qiáng)化熱管換熱器殼側(cè)冷、熱流體溫度場對比分析,圖中OP代表普通熱管換熱器,EP代表強(qiáng)化熱管換熱器。從圖2與圖3中可以看出,普通熱管換熱器冷、熱流體側(cè)溫度測量值與計(jì)算值基本吻合,誤差在10%以內(nèi),對于強(qiáng)化換熱器1與2,由于內(nèi)插分流管的熱管換熱系數(shù)大約提高2～3倍,單根熱管傳熱能力增強(qiáng),使得強(qiáng)化熱管換熱器傳熱能力增強(qiáng),在相同的熱流密度下,強(qiáng)化熱管換熱器沿流動(dòng)方向管排數(shù)大為減少,這一結(jié)果為熱管換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。圖4為熱管換熱器冷凝段管壁溫度分布。由于采用強(qiáng)化管,管內(nèi)傳熱系數(shù)提高,傳熱熱阻降低,使得強(qiáng)化熱管換熱器熱管元件管壁溫度下降,這說明在保證避免露點(diǎn)腐蝕的條件下,熱管換熱器性能得到明顯改善。圖5表明熱管管內(nèi)蒸汽溫度沿流體流動(dòng)方向的分布。圖中可以看出,強(qiáng)化熱管換熱器熱管管內(nèi)蒸汽溫度下降約5～10℃。對于碳鋼-水熱管,由于管內(nèi)蒸汽溫度須保證在250℃以下,因此,導(dǎo)致熱管換熱器只能回收150～350℃的煙氣。模擬計(jì)算結(jié)果表明,熱管管內(nèi)采用強(qiáng)化措施可以為拓寬熱管換熱器溫度使用范圍奠定基礎(chǔ)。6熱管換熱器結(jié)構(gòu)(1)在熱管內(nèi)放置同軸多孔管是一種非常有效的強(qiáng)化換熱方法;(2)熱管內(nèi)部強(qiáng)化傳熱有利于提高熱管換熱器傳熱能力、改善熱管換熱器傳熱性能及優(yōu)化熱管換熱