（热能工程专业论文）复杂热管与两相流分离式热管的性能实验研究.pdf

捅要 本文结合工程实际背景，对两种动力型热管进行了实验研究。动力型热管较 非动力型的分离式热管具有很大的优越性，本文的研究工作对动力型热管的在工 程实际中的设计和应用具有一定的指导意义和应用价值。 本文首先介绍了热管的总体发展概况和国内发展现状，并对各类热管的结构 和传热特性进行了分析。本文对复杂热管系统进行了深入的实验研究和简单的理 论分析。研究表明，在复杂热管系统内，充液率存在最佳值0 3 8 0 4 3 ，充液率 过大或过小对换热性能都有不利的影响。换热量随着系统内工质流量的增大而逐 渐增大，当达到管路的流动极限时不再增加而保持稳定不变。管路阻力愈大，对 换热性能愈不利。复杂热管系统存在小循环时，对系统传热性能有利且系统更易 启动。在驱动温差分别为1 2 8 和1 6 o c 的工况下，系统小循环启动后，换热量 分别提高2 0 和2 8 。 在复杂热管基础上对其结构简化而提出了一种崭新的动力型热管两相 流分离式热管。在无储液罐热管系统可启动的充液率条件下，换热量随着充液率 的增大而减小。提高冷热源水循环流量对系统换热性能有利。气液两相流的出现 可提高换热效率，在充液率不同的情况下，换热量可提高4 至1 12 1 不等。两相 流分离式热管系统启动需满足的条件是其溶液泵进口的压力需不高于蒸发器和 冷凝器中的压力。两相流分离式热管的适应性强，可满足蒸发器与冷凝器任意不 同相对位置的安装。有储液罐热管系统，换热量随着充液率的增大先增大后减小， 充液率存在最佳值0 3 5 ；有储液罐热管系统的最大换热量高无储液罐热管系统 8 。 动力型热管系统是一种通过气液相变潜热利用低能耗传递高密度能量的技 术，具有节能、高效、可控等特点。在克服非动力型热管存在的冷凝器和蒸发器 安放位置受限、蒸发器供液不足、远距离管路中驱动力不够和对变工况的适应性 差等问题上，动力型热管系统优势明显。 关键词：复杂热管；两相流热管；传热性能；充液率；热阻 a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eb a c k g r o u n d , e x p e r i m e n t 。a lstud煳yo nt w o 柳 。 - n o n p r o p e l l i n gh e a tp i p e s0 nl i m i to fm o u n t i n gp o s i t i o no fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r , i n s u f f i c i e n c y o ft h ew o r k i n gm e d i u md r i v i n gf o r c e o w i n g t o d i s t a n c e ，p o o r a d a p t a b i l i t yt ov a r i a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：c o m p l e xh e a tp i p e ；t w o p h a s ef l o wh e a tp i p e ；h e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ；f i l l i n gr a t i o ；t h e r m a lr e s i s t a n c e 绪论 绪论 0 1 引言 随着常规能源的逐渐枯竭和环境问题的日益严峻，节能技术的研究与新能源的开 发受到越来越高的重视。提高能源的使用效率往往是一个国家或地区经济发展战略的 重要目标之一。为了人类能够更好地生存和发展，基于应对当今世界能源与消耗形势 以及环境保护等方面的迫切要求，节能问题更加突出。节约能源以及提高能源的利用 效率被誉为继煤炭、石油、天然气和水电之后的“第五常规能源”。因此，有效可靠、 经济适用的高效节能技术越来越受到青睐。如何提高工业生产环节的能源利用率，降 低对环境的污染与破坏，对缓解能源危机和环境压力，发展循环经济，实现人类社会 的可持续发展都将起到十分重要的作用【l 】。 在众多的传热元件中，热管是人们所熟知的最有效的传热元件之一，它可以将大 量热量通过其很小的截面积进行传递。自二十世纪六十年代问世以来，热管以其优越 的传热性能受到众多领域的高度重视。近几十年来热管技术发展迅速，在航天器的温 度控制、电器和电子设备的冷却、太阳能利用，尤其是热管换热器在余热回收方面的 应用取得了良好的效果。热管不仅结构种类多、体积紧凑、效率高、价格低、使用方 式灵活多变，并且由于温度可控，解决了当前比较严重的换热器低温腐蚀及堵灰问题， 所以受到了工程技术界的青睐和重视1 2 j 。 o 2 热管的发展概况 0 2 1 热管发展的总体概况 热管是一种具有高效传热能力的元件，它利用工质的相变吸收和释放汽化潜热以及 工质的流动传递热量。热管的原理最先是由美国俄亥俄州通用发动机公司的g a u g e 于 1 9 4 4 年在美国专利中提出的【3 】，但当时工业中的传热问题用一般方法就可解决，而热 管由于无明确需要而并未得到重视。直到六十年代初，随着航天事业的发展，向传热 传质学提出了新的要求，对技术的发展及创新形成了强烈的刺激。这样，热管又应运 而生。1 9 6 3 年，美国的l a sa l a m o s 试验室的g r o v e 等人1 4 重新独立发明了类似于g a u g e 的传热装置，并进行了测试试验，正式以“h e a tp i p e ”命名，并在美国应用物理杂志 上发表第一篇论文指出：热管是导热率大大超过任何已知金属的一种元件，并给出了以 钠作为工作介质，不锈钢为壳体，内部装有吸液芯的热管的实验结果。c o t t e r 于1 9 6 5 年首次提出了较为完整的热管理论【5 】，以后在其基础上又有了进一步的发展。l e v y 、 s e v e r a l 和k e m m e d e n g r e n 等人以及b u s e s 对声速极限理论做出了积极的贡献。b u s e s 提出了适用于液态金属热管启动过程的粘性极限理论。f e r r e l l 等对被液体所浸透的多 1 青岛大学硕士学位论文 孔物质中的蒸发沸腾传热做了大量的研究。田长霖在双组分热管、毛细芯性质、蒸汽 流动以及热管性能等方面都做出了较大的贡献。k a t zo f f 提出了热管的另一种类型一可 控热管，而后来m a r c u s 对这种热管的设计和理论做出了较大的贡献。g r a y 首先提出了 一种新的热管类型，不用毛细芯，而是利用管子旋转产生的离心力使液体从冷凝段回 到蒸发段，称为旋转热管。它可以用来冷却旋转物体。热管技术应用首先在卫星的温 度控制上取得成功。1 9 6 7 年，l o sa l a m o s 试验室首次将一支试验用工质为水的热管送 入地球微型轨道，并取得热管运行性能的遥测数据，证明了热管在零重力条件下的运 行可行性1 6 j 。1 9 6 8 年，热管作为卫星仪器温度控制手段第一次应用于测地卫星，热管 壳为铝合金，工作介质为氟利昂r 1 l ，目的是减少卫星中不同应答器之间的温差。试 验证明，热管在空间中应用效果极佳，例如在1 9 6 9 年美国发射的一颗地球同步轨道上 安装了八支环形热管，将向阳面的热量传至背阴面，整个卫星的表面温度约在1 3 2 7 ， 温差约在为1 4 ，而无热管时，表面温度约在一4 4 。c 7 4 c ，温差高达l1 8 c 1 7 1 。 七十年代以来，热管技术飞速发展，各国的科研机构、高等院校、公司及厂矿均 开展了多方面的热管开发、应用研究，国际间、地区间及各国自身的热管技术交流活 动日益频繁。1 9 6 9 年前苏联和日本的有关杂志均发表了热管应用研究的文章。在日本 的文章中已有描述带翅片热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回 收工业排气中的热量。1 9 7 0 年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用从宇航 发展到地面。在热管发展史上值得一提的是，在横穿阿拉斯加运油管线工程中，应用 热管作为管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程需要【8 】。1 9 7 4 年以后，热管在 节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视，用热管组成换热器来回收废热， 并将其应用于工业以节约能源。美国和日本在这方面所取得了最为显著的进展。 1 9 8 0 年美国q d o t 公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司成功地用热管设 计完成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。八十年代后各国的热管换热器 研制工作迅猛展开，回转式、分离式等新的结构形式相继出现，并日趋工业化和大型 化。1 9 8 4 年c o t t e r 较完整地提出了微型热管的理论及展望【9 】，为小型热管的研究与应 用奠定了理论基础。毛细泵回路c l p ( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) 和回路热管系统l h p ( l o o p h e a tp i p es y s t e m s ) 以其结构灵活、应用面广及在很小的温差下可远距离传输比常规热管 更多热量的特点，引起了整个热管界的高度关注，成为理论和应用研究的热点【1 们。 在日本，许多空调设备制造公司已将热管技术广泛用于工业及民用建筑的空调系 统中u 。热管技术还可用于医院外科手术室的余热回收、设计、加工并制造了换热量 8 0 0 w 的重力式热管换热器1 1 2 j ；m a t h u r 针对美国许多城市的气候条件，研究热管换热 器对现有空调系统的能量消耗和高峰需求的影响，主要用热管换热器回收排风的余热 ( 或冷量) 用以加热( 或冷却) 新风。为了计算实际热回收量，m a t h u r 使用b i nw e a t h e rd a t a 编制了一个预测热回收量的模拟程序来计算热负荷和冷负荷。同时经济分析表明，对 2 绪论 现有空调系统加装热管换热器的简单改装费用不到一年的时间即能收回。m a t h u r 还对 热管换热器中使用直接蒸发冷却和间接蒸发冷却作了对比分析，充分显示了间接蒸发 冷却的优越性和广阔的应用前景。例如，在夏季使用直接蒸发冷却时，热管换热器可 使进风温度降低7 5 左右，若使用间接蒸发冷却，则同样条件下可使进风温度降低1 1 o 左右【13 1 。 1 9 8 0 2 0 0 0 年，热管进入工业性应用阶段，包括电子电器散热、计算机c p u 散热、 大型空气预热器、高温热管换热器、高温高压化学反应器等。 2 0 0 0 年以来，热管进入了更深入的应用研究阶段，主要包括高效微型热管技术、 高温大型热管技术、高效热管反应设备技术、各种高效热管换热装备等方面。 2 0 1 0 年4 月，第1 5 届国际热管会议在美国召开，从论文来看，环路热管、脉动热 管和特殊热管等仍然是当今热管研究的热点，热管的结构和工质改进等仍是提高热管 性能和适用性的重要议题。 热管的主要优点在于好的等温性、高的传热能力和变热流特性等，其各个部分均 可以强化传热，因此采用热管往往能够容易解决其它手段不能解决或很难解决的问题。 针对碳排放和气候变化等全球热点问题，热管在节能减排、阻止全球变暖等方面同样 具有一定的不可替代性。 0 2 2 热管在我国的发展概况 我国自七十年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子元件冷却及空 间飞行器方面的应用研究。1 9 7 2 年，我国钠热管成功投入运行，至今在各个领域都已 取得了丰硕的成果。例如在飞行器温度控制，高精度均温炉，机载雷达以及电子设备 的散热与温度控制等方面都有成功的应用。我国七十年代中后期发射的回收卫星的仪 器舱内装有2 1 根直径6 5 毫米的氨铝轴向槽道热管，将仪器产生的热量供给电池，既 降低了仪器的温升，又保持了电池温度。 由于我国是一个发展中国家，能源综合利用水平较低，因此从八十年代初我国的 热管研究及开发的重点转向节能及能源的综合利用方面【1 4 1 ，相继开发了热管气气换热 器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产品【l5 1 。由于 碳钢水两相闭式热虹吸管的结构简单、价格低廉、制造方便，易于在工业中推广使用， 并且碳钢水相容性问题的基本解决，使得此类热管得到广泛的应用。我国热管技术工 业化应用的开发研究发展迅速，学术交流活动也十分频繁，从1 9 8 3 年起已先后召开了 十二届全国性的热管会议。 热管在空调系统热回收方面的应用潜力近年引起了制冷空调行业科技工作者的高 度关注，并进行了广泛的基础理论和工程应用研究：中科院工程热物理研究所和上海 7 1 1 研究所进行了分离式热虹吸管组换热特性的研究；东北大学进行了分离式热管元件 3 青岛大学硕士学位论文 充液量理论分析和实验研究；重庆大学进行了分离式热管的流动和传热研究；南京工 业大学进行了分离式热管凝结换热和传热极限的研究；西安交通大学进行了分离式热 管蒸发段试验研究的充液量分析；通过分离式热管换热器，可利用空调系统排风的能 量预处理新风，若新风量按3 0 计算，可使空调系统节能7 以上，随着冷、热气流温 差的增大和新风比的增加，节能效果将更加显著。试验表明，冷、热气流温差只要超 过3 c 即可回收能量。据此，我国上海、南京等长江中下游地区夏季空调的冷量回收的 时间可达1 5 0 0 小时以上，按气象参数计算，三年内可回收设备的初投资。用回收集中 排气的废热或废冷来预处理新风，较多采用全热交换器的形式，热管换热器只能回收 显热，因此在新风与回风热交换的过程中回收的效率比全热交换器相对较小，但适用 范围更大。热管也用在住宅空调节能上，在基本不改变空调器现有配置的基础上，加 上热管换热装置，组成热管一空调器组合系统，冬季可回收排风热能，减少空调器负 荷，达到节能的目的，而在夏季可提高空调系统制冷能力和去湿能力，完全或部分取 消再热负荷，提高舒适度【1 6 j 。这一课题的研究在国内外可谓方兴未艾，研究者们在不 同的条件下大多得出了令人鼓舞的结果。w u 等人得到的结果为系统制冷量提高 2 0 一3 2 7 ，在送风相对湿度低于7 0 的条件下，热管换热器可以替代再热器，在送 风相对湿度高于7 0 的条件下，可能需要辅助再热l l7 1 。m c f a r l a n d 等人指出，对于标 准为温度2 2 o 、相对湿度5 0 的房间空调工况，热管一空调器组合系统除湿能力提 高6 2 ，再热负荷减少2 0 ，系统潜能效率提高9 0 ；进一步，考虑空调器标准使用 寿命可达1 0 年以上，热管一空调器组合系统每年运行1 0 0 0 小时，则可计算出系统附 加的热管换热器投资回收年限为4 年，因而在经济上也是完全可行的【1 8 】：上海市民用 建筑设计院和航天部五院共同研制的氨一铝低温热管换热器，该装置2 0 0 3 年底用于上 海游泳馆的空调余热回收，风量为1 0 0 0 0 m 3 h ，显热回收效率为6 0 ，换热器效率为 8 0 ，年节省运行费用2 0 余万元，效果良好，是国内公开报道的首例热管应用于大型 空调系统热回收的工程项目 1 9 l 。 2 0 1 0 年1 0 月，全国第十二届热管会议在深圳举行。热管工质流动的热力学、两相 流及传热，热管及新型热管在节能降耗、节能减排方面的研究和应用，热管及热管换 热器的优化设计及应用等仍是热管研究的热点。 0 2 3 热管的发展趋势 目前，热管的发展趋势是：在空间技术以及有各种特殊要求的应用中，为了达到优 良的传热性能而不惜用较大成本研制复杂的结构；在一般工业上满足要求的条件下， 尽量采用工艺简单成本较低的结构，例如完全无毛细芯的热虹吸管【2 0 】。混合工质热管 也是现今热管发展的一个重要方向。这种热管在加热段与冷凝段壁温之差基本保持不 变的条件下传热率可以得到提高，即工质中较易挥发的组分并不凝结，而是在冷凝段 4 绪论 上部形成一个不凝气体区。这些气体的作用与可变热导热管中的不凝性气体作用是相 同的。混合工质的导热率会明显增加，而且其传热能力也比充气式热管高2 1 】。 另外，热管正向大型化和微型化发展。热管大型化的发展方向即大容量的余热回 收、地热开发、地下煤气化的冷却等领域要求热管的大型化甚至超大型化。目前世界 上最长的挠性热管长度已达2 0 0 多米，最大的热管直径达到3 0 0 毫米。想要广泛开发 利用地热资源，有时还需要开发应用长达数公里，直径数十厘米的超长超大型热管1 2 2 。 由整体式热管组成的热管换热器广泛使用在工业余热回收上，取得了不错的节能 效果；种类复杂多变的分离式热管应用在航天器的温度控制上很好地保证了精密仪器 的使用条件。但同时人们注意到，在远距离的能量输运上目前各种形式的热管还存在 较多的问题【2 3 2 4 】：整体式热管结构简单，布置方式不够灵活，分离式热管驱动力往往 不足，传输距离受限等。这些缺陷制约了热管的使用与发展，但同时也成为了人们不 断研发热管新技术的动力。鉴于传统分离式热管的不足，本课题小组提出了复杂热管 系统和两相流分离式热管系统。 复杂热管系统是在机械泵驱动回路式热管系统【2 5 伽的基础上增加液态工质小循环， 形成双循环结构，力求在高效率、远距离能量输运的基础上实现可控性。对这一新领 域的研究，将丰富和深化热管技术的理论水平和实践认知，为节能技术的发展做出贡 献【2 8 1 。 两相流分离式热管是在复杂热管的基础上对其进行结构简化而成的，即只有相当 于复杂热管的大循环。两相流分离式热管工质管路内既可以是气态单相流动，也可以 是气液两相流动，其适用范围比传统分离式热管和“热环”广。两相流分离式热管不仅 具备复杂热管的诸多优点，其自身结构简单，更有利于推广普及。 o 3 本论文的研究内容 本课题研究小组针对目前节能减排的技术需要，结合热管技术的工程实践，提出 了崭新形式的热管系统复杂热管系统。该系统在传统分离式热管已有的结构基础 上增加机械驱动装置溶液泵来替代重力势差或毛细吸液芯，同时在热管工质气相 大循环的基础上增加液体工质小循环，在克服复杂管路流动阻力、增大设备传热系数 的同时，实现热管系统换热量和工作温度的可调性。 本课题小组又在复杂热管的基础上提出了两相流分离式热管系统，该系统与复杂 热管系统相比，减少了液态工质小循环，但工质管路中工质流动既可以是气相流，也 可以是气液两相流。该系统除具备了复杂热管的诸多优点外，还对复杂热管系统结构 进行了简化，因此更易推广和使成本降低。 复杂热管系统和两相流分离式热管系统，有许多问题需要进行深入的理论分析和 实验研究。本文在总结热管理论发展历史和继承热管技术实践经验的基础上，对复杂 5 青岛大学硕士学位论文 热管系统和两相流分离式热管系统进行了简要的理论分析和详尽的实验研究。本文的 研究内容和所做工作如下： 1 水平布管无高差分离式热管性能的实验研究 1 ) 分析水平布管无高差分离式热管用于热泵型空调中在不同驱动温差和不同 充液率的条件下对其热泵空调系统节能效果以及热管换热器截面不同高度 空气温度的分布状况 2 ) 对分离式热管一热泵复合式系统中热管系统有无动力源两种情况做比较研究 2 复杂热管性能的实验研究 1 ) 参与实验台的搭建修改并对实验台进行检验以及测试 2 ) 分析研究复杂热管充液率对热管换热器换热性能的影响 3 ) 研究工质循环量、小循环流量与换热能力的关系 4 ) 分析复杂热管系统管路阻力对系统压力和换热性能的影响 3 两相流分离式热管性能的实验研究 1 ) 研究无储液罐系统充液率对换热性能的影响 2 ) 研究工质循环量与换热效率间的规律 3 ) 分析冷热源水循环流量对换热性能的影响 4 ) 研究两相流分离式热管系统的启动问题 5 ) 验证两相流分离式热管的适应性问题 6 ) 两相流分离式热管有无储液罐的对比实验研究 本课题实验研究分为三个阶段。第一阶段，通过热泵型空调引入分离式热管系统 用于冷量回收的实验台，研究热泵空调系统在引入分离式热管之后的节能性和热管换 热器的传热情况以及对热管系统有无动力在以上两方面的对比。第二阶段，参与搭建 和修改复杂热管系统实验台，对复杂热管的性能进行了实验研究。第三阶段，参与搭 建两相流分离式热管系统实验台对两相流分离式热管性能进行了实验研究。 6 第一章各类热管的结构和特性分析 第一章各类热管的结构和特性分析 热管是依靠自身内部工质相变来实现传热的元件，它具有很高的导热性、优良的 等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性、恒温性以及很 好的环境适应性等基本特性【2 9 】。 热管的这些优良特性使其应用范围越来越广，热管的种类越来越多，热管结构也 越来越复杂。四十多年来，热管结构由单根热管演变出多根热管组成的换热器，由整 体式热管换热器演变出分离式热管换热器、毛细泵回路热管和脉动热管，由分离式热 管换热器又演变出热环系统、复杂热管和两相流分离式热管。基于有无外加动力因素， 热管又可分为非动力型热管和动力型热管。这几种热管在下文中将分别作介绍。 1 1 非动力型动力热管 1 1 1 普通热管 典型的整体式热管结构和工作原理如图1 1 所示。其基本组成包括热管管壳、吸液 芯和端盖【3 0 】。 图1 1 整体型热管组成及工作原理示意图 制造时对管内抽真空，真空度可达到1 3 x ( 1 0 - 11 0 4 ) p a 。在管内充以适量的工作 液体使毛细吸液芯中充满液体后密封。当蒸发段受热，毛细芯中的液体蒸发气化，蒸 汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结为液体。液体再沿多孔材料靠毛细力的作 用流回蒸发段，开始下一个循环。 沿整个热管长度，气液交界处的气相和液相之间的静压差与该处的局部毛细压差 相平衡。热管正常工作需满足以下压差要求【3 1 】 p c h + n v v + 咚 7 ( 公式l 1 ) 青岛大学硕士学位论文 p ：毛细压头，热管内部液体循环的推动力 f 1 冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压降 p v 一用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压降 路一重力场对液体流动引起的压降 热管传热能力不是无限大，会受到诸多因素的限制。如毛细力、声速、携带、沸 腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等各种极限【3 2 】。 1 1 2 分离式热管 随着热管应用的进一步深入和换热器大型化的发展，如在化工、电站、炼铁等部 门，需要从大量的烟气中回收余热，有时为了安全，绝对不允许两种流体之间相互渗 漏，以往的热管换热器在总体布置和辅助循环设备等方面都受到很大的制约，基于以 上原因，人们研究开发了分离式热管。 图1 2 为分离式热管结构示意图。分离式热管包括四部分：蒸发段、冷凝段、蒸 汽上升管和液体下降管。蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连 接起来，形成一个自然回路循环。工作时，在热管内加入一定量的工质，这些工质汇 集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，其内部蒸发压力升高，产生的蒸汽通过蒸汽 上升管达到冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管回到蒸发 段，如此循环往复运行。由于一般没有吸液芯，冷凝液回流依靠重力作用，所以分离 式热管的冷凝段必须高于蒸发段。蒸汽上升管和液体下降管之间的密度差所提供的压 头用以平衡工质流动的压力损失【3 3 1 。 热流体 冷流体 图1 2 分离式热管结构示意图 分离式热管的内部运行机理看，它是一汽液自然循环系统，如图1 3 所示，此时 循环回路中的循环动力是下降管系统( 包括冷凝段) 与上升管系统( 包括蒸发段) 中 8 第一章各类热管的结构和特性分析 工质的密度差。如果不计循环回路的热损失，蒸发段出口处截面含气率为x o ，冷凝段 出口处截面含气率为0 ，其循环运动压头为s v d ，则 s y d = x o ( p l f l y ) g h + 饕1 x o ( p l p v ) g s z + 饕1 ( 1 一x j ) ( p i p v ) g s z ( 公式l 2 ) 总阻力降：p = r + p c + b + p x( 公式l 3 ) r 蒸发段压力降 r 冷凝段压力降 r e 升管的压力降 p x 下降管的压力降 只有当满足压力s v d p 时，才能保证系统运行【3 4 1 。 j = n j + l j l i = n j + 1 j 1 i = 0 图1 3 分离式热管循环回路示意图 影响分离式热管传热量的主要极限有烧干限、声速限和冷凝限。相应的解决措施 有：加大充液率、增大蒸汽上升管的管径或增加其个数。 9 青岛大学硕士学位论文 1 1 3 两相闭式热虹吸管 两相闭式热虹吸管( 重力热管) 工作原理与传统热管类似，只是它没有吸液芯， 液体回流依靠自身重力，因此蒸发段必须置于冷凝段的下方，如图1 4 所示。所以热虹 吸管具有热二极管的特征：热量只能从下方传向上方而不能倒传。 人们对热虹吸管的传热问题进行了深入的研究，按区段将其传热分为三部分：冷 凝段的饱和蒸汽层流膜状凝结、蒸发段的自然对流蒸发或液池内的核态沸腾以及蒸发 段以上中间部分的膜状凝结或核态沸腾。蒸发段及其以上一部分的状态取决子热流密 度的大小。分析指出热流密度和充液率是影响热虹吸管的重要因素【3 5 1 。除受携带极限、 沸腾极限和烧干限因素影响外，热虹吸管在正常启动和运行过程中，还会出现不稳定 状态，如小充液量时的干涸振荡、大充液量低热流量输入情况下的间隙沸腾和携带引 起的振荡。 热虹吸管作为传热元件，在实际应用中其最大传热能力往往受限于携带极限，因 此在结构上减少气液间的相互作用成为强化传热的重点。 ，j ， ， n f 。 。 ，7 i ! 壅 | 二 ! ； 1 1 、 - l ； ! ； ! 一t ； - ， 图1 4 两相闭式热虹吸管 1 1 4 可变导热管 可变导热管是指导热率可以改变的热管。导热率的改变可以是被动的，也可以是 主动的，取决于调整的目的和要求。第一类可变导热管的目的为随着热源温度或热流 1 0 第一章各类热管的结构和特性分析 率的变化保持热管工作温度不变，即保证热汇温度不随热源变化；第二类为保持热源 温度不变。 文献【3 0 给出了第一类可变导热管的应用实例。利用汽车尾气来加热车厢或在冷启 动时快速加热发动机，要求在低温、低负荷情况下和高温、高负荷情况下保持冷凝段 或热汇温度稳定在1 0 0 或1 5 0 。解决办法为液体控制可变导热管，见图1 4 ( a ) 。 图1 4 ( a ) 为无反馈控制方式的可变导热管：输入热量改变时，引起热管工作温度和 压力的改变，进而使贮液室( 控制部) 内液体量减少或增多，造成蒸发段局部干涸或 换热加强而使热汇温度维持较小变化。 保持热源温度不变的第二类可变导热管用在一些对温度波动要求小的散热场合， 如电子器件控温。设计如图1 4 ( b ) 所示的有反馈的主动式可变导热管是一种控温精度较 高的选择，它可以实现将温度波动控制在士0 1 。其工作原理是，使用热敏电阻监测热 源温度，并通过控制系统调节电加热以改变贮气室压力，控制贮气室温度，最终使热 源温度稳定在一定水平。 外部气体压力 控制部 冷凝段 蒸发段 ( b ) 图1 5 可变导热管的两种不同控制方式 1 1 5 脉动热管 脉动热管【3 6 1 的概念由上世纪9 0 年代日本人a k a s h i 提出，因其尺寸小、重量轻和 当量传热量大等特点而广泛应用在电子元器件的冷却领域。图1 6 是脉动热管的一种结 构形式。 脉动热管具有非常小的管径，一般内径约在0 5 m m 3 0 m m 之间。内部充注的工作 11 青岛大学硕士学位论文 液体在表面张力作用下形成长度不等的液柱和气塞。工作时，管内的液柱和气塞在蒸 发段( 一般位置居于冷凝段下方) 受热体积膨胀，因沸腾产生的气泡推动液柱和气塞 向冷却段运动，在冷凝段液柱和气塞受冷却凝结放热，通过液柱和气塞的运动换热实 现能量的传递。 脉动热管的运行机理十分复杂，迄今为止仍然有许多问题需要深入研究。脉动热 管内部属于微通道内两相流问题，工质的温度、压力和速度呈现脉动特点，具有很大 的偶然性和复杂性。另外对脉动热管的实验研究也因为热管尺寸较小的限制使测量变 得十分困难和不准确。 厶厂 、 、 _ 冷凝段 _ _ 绝热段 l l _ 1 ， l 一。一 蒸发段 图1 6 循环式脉动热管 1 1 6 毛细泵回路热管 为解决普通热管因换热段位置倒换而导致的传热受限的问题，同时拓展热管在远 距离能量输运方面的应用，人们研究开发了毛细泵回路【3 7 】( c p l ) ，见图1 7 。毛细泵 回路具有较多优点，如传热能力比普通热管大1 2 个数量级，系统具有极佳的等温性 等。目前在空间站、卫星、飞船、电子元器件的冷却方面应用广阔。 毛细泵回路工作原理与普通热管类似，只是在结构上多出了一个储液器，并且吸 液芯只存在于蒸发器段。储液器与热管系统相通，通过加热或冷却储液器便可以改变 系统压力，进而控制系统工作温度。冷凝器内无吸液芯，热量不能倒传，因此毛细泵 回路具有了热二极管的特性。 1 2 第一章各类热管的结构和特性分析 l。ji i 1b 吸液芯 储液器 蒸汽通道 j 冷凝器 隧缓戮缀鬃戮缓缓溯液体通道 ( 爻二叉、占。： 隧缀戮黝缓戮燧溺 图1 7 毛细泵回路热管 1 1 7 环路式热管 环路式热管( l h p ) ( 图1 8 ) 与毛细泵回路原理相同，结构类似【3 s 】。二者的出现 被认为是两相流换热技术的新突破。但随着应用的不断深入，在某些使用场合也暴露 了一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密度热源的散热问题， 由于自身结构和工作原理的限制，c p l 和l h p 已经显得几乎无能为力。科学工作者们 遂开展了对外加动力热管的研究。 图1 8 环路式热管示意图 1 3 青岛大学硕士学位论文 1 2 动力型热管 1 2 1 机械驱动式分离型热管一热环 2 0 0 0 年前后，天津轻工业学院针对烟气或排风余热回收中重力式分离型热管受到 冷源在下、热源在上的限制和水回路设备大、效率低的问题，开展了对“热环”的研究【3 9 1 。 该热环旨在为方位、距离较为任意的冷热源间的传热问题提供解决方案。热环由驱动 装置、冷源换热器、热源换热器和管路组成封闭环路，环路内充以循环工质。循环工 质在热源处吸热蒸发，在冷源处冷凝放热，而工质循环则由外加驱动装置实现。图1 9 为热环工作原理图。 液 态 循 环 工 质 气相驱动式热环 象 署 工 质 墓 翼 工 质 液相驱动式热环 萎 循 至 质 图1 9 热环工作原理图 该热环的最大特点是有外加动力。以气相驱动式热环为例，驱动装置是由冰箱用 压缩机和节流阀组成。文献 3 9 ，4 0 对热环工质、换热器换热、驱动装置耗功及传热系 数进行了研究分析，同时也对研究中遇到的一些问题如，启动特性、传热极限、驱动 装置安装和提高输热系数的途径进行了讨论和分析。经过实验最终得到了两个重要结 论：一是热环技术切实可行，值得推广；二是驱动装置耗电极少，节能效果明显。 1 2 2 复杂热管 为解决传统分离式热管供液动力不足、蒸发器和冷凝器安装位置受限制和对热管 的换热量有效控制的问题满足节能减排新技术发展的需要，本课题研究小组设计研发 了复杂热管系统( 结构组成见图1 1 0 所示) ，其主要结构包括：蒸发器、冷凝器、气液 分离器、储液罐、溶液循环泵和分液器等。其工作原理如下：溶液循环泵从储液罐抽 取液态工质，经管路、分液器等均流部件将工质分配至蒸发器各管路；液态工质在蒸 发器中吸收外界热量部分气化，进入气液分离器实现气液分离，液相工质流回到储液 罐，形成液体工质小循环，而气相工质则经气体管道输送到冷凝器各管路中，实现完 1 4 第一章各类热管的结构和特性分析 全冷凝后回到储液罐，形成热管工质大循环。其中小循环是为合理控制蒸发器中液体 工质的循环量，解决传统分离式热管工质输送力不够、蒸发器换热面使用效率低等问 题；大循环则使热量从热源传送到热汇中，完成热量输送。 感器 1 1 0 复杂热管系统结构示意图 复杂热管系统相对于传统分离式热管增加了气液分离器、储液器、溶液循环泵和 相关控制部件等，形成了能够在各种复杂条件下实现能量传递或输运的有机系统，同 时系统在热管工质大循环的基础上增加了液态工质小循环，因此具有了许多鲜明的特 点。特点如下： 1 ) 通过小循环，能够合理控制蒸发器中液体工质的循环量，可以解决原有热管工 质输送力不足、蒸发器换热面使用效率低等问题。 2 ) 蒸发器与冷凝器的相对安装高度不再受任何限制，只要储液罐低于两个换热器， 保证冷凝液态工质顺利回流到储液罐便可正常工作。若出现冷凝器必须安装在储液罐 下部的情况，只需在冷凝器回流管上安装一个回流溶液泵。 3 ) 与现有的其它热管相比，复杂热管系统能够方便地实现热管换热量的连续调节 和控制，增强了热管的控制能力。 4 ) 与现有的分离式热管相比，该热管系统不仅增加了溶液循环泵，而且还增设了 气液分离器、储液罐等部件，形成了完善的热管系统，可大幅度提高分离式热管的换 热效率。 5 ) 与其它非热管的换热器相比，由于相变传热，本系统具有传热温差小、换热效 率高的优点；本系统还实现了冷热介质远距离不接触高效传热，故在余热回收及对人 1 5 青岛大学硕士学位论文 体有危害的区域的热量回收应用中，有较大的优势。 6 ) 本系统扩大了热管的应用范围，可应用于中央空调、太阳能热利用、空气冷能 量回收、各类锅炉或动力机的余热回收、空气对流干燥、核能热利用、海水热能利用、 海水淡化等领域，并且该热管系统更容易实现大型化。 1 2 3 两相流分离式热管 本课题小组首次提出两相流分离式热管系统，该热管系统是在对复杂热管系统的 基础上对其结构进行了简化，将工质的双循环变成单循环，即去掉复杂热管系统中的 小循环，而且同时可以克服传统分离式热管的不足。其结构示意图如图1 1 l 所示。该 热管系统除了具有复杂热管的诸多特点外还具有以下特点： 1 ) 与“热环”相比，该热管系统蒸发器内既可以进行相变换热，也可以进行相变和 单相换热的混合换热； 2 ) 与复杂热管相比，该热管系统在具备复杂热管诸多优点外，其结构简化，成本 低廉，更易得到推广； 复杂热管系统和两相流分离式热管系统的提出是为了满足现代大型热管换热设备 和高效热管换热设备的要求。目前，国内外对该方面的理论研究与应用研究的报道都 很少，处于理论探索和模型设计阶段。该项研究工作将使热管的应用范围逐渐扩大， 并使热管的应用效率逐渐提高。 分液器 图1 1 l 两相流分离式熟管结构示意图 1 6 第二章无高差水平布管分离式热管的性能实验研究 第二章无高差水平布管分离式热管的性能实验研究 随着空调普及率的逐年上升，巨大的空调能耗日益成为经济发展的制约因素。国 内外围绕如何降低空调能耗已经发展出了多种节能技术。其中，针对潮湿地区空调总 负荷中潜热负荷所占比例较大这一问题，有学者提出将热管技术与空调系统结合起来， 在空调器制冷量和功耗基本不变的情况下可以大幅度提高除湿量。同时，回收排风能 量对空调节能也具有非常重要的意义。 分离式热管换热器的工作原理与整体型热管换热器基本相同，但由于其蒸发段和 冷凝段的分离，与整体型热管相比具有诸多的优点【4 l 】。近年来，对大型和中型分离式 热管换热器的传热性能己进行了较充分的研究，其应用也有了长足的发展。而目前对 分离式热管换热器的研究大都针对结构布置方式为竖直排管型、液体回流动力方式为 重力型的分离式热管换热器。蒸发段与冷凝段无高度差、结构布置方式为水平排管式 的分离式热管换热器的研究还很少。 充液率是影响分离式热管换热器传热效果的重要因素之一，也是热管设计和应用 中的主要参数【4 2 】。充液率过大，凝结换热效果也随之减弱，从而对热管换热器的整体 换热效果产生不利影响：充液率过小，则会使加热段上部管内壁面无液膜覆盖，导致传热 恶化。影响充液量的因素很多，包括工作介质特性、热流密度、工作温度及热管的结构 形式等【4 3 1 。张景玲等【州6 l 涉及到的分离式热管主要是重力型分离式热管，此种热管已 得到深入研究和广泛的应用。本章所研究的是空调用分离式热管的蒸发器和冷凝器无 高度差，与一般重力型热管有所不同，而且结构布置方式为水平排管型。本章对无高 差水平布管分离式热管在不同充液率( 充注量与热管内总容积的比值) 和不同驱动温 差( 外界空气温度与空调蒸发器后空气温度之差) 条件下，空气经过热管蒸发器和冷 凝器后温差空间分布的均匀性和热管换热器的节能效果进行了实验研究。 结构示意图如图2 1 所示，图中数字l 是空气加热器，2 是热管系统蒸发器，3 是 热泵型空调蒸发器，4 是热管系统冷凝器，5 是离心式引风机。热管一热泵结合系统的 工作原理将在下面论文中介绍。 图2 1 分离式热管实验原理图 1 7 青岛大学硕士学位论文 2 1实验装置和方法 2 1 1 实验装置 空调用无高差水平布管分离式热管的装置示意图，如图2 2 所示。热管换热器的蒸 发器与冷凝器采用规格相同的两个套片管式空气换热器，换热器的外形尺寸为： 6 2 0 m m x 4 2 0 m m x 7 9 m m ，铜管基管尺寸d = q 0 7 m m x 0 3 5 m m ，空气流向排间距s i = 1 4 m m ， 管间距s 2 = 2 1 m m ，翅片厚0 1 5 r a m ，翅片间距s = 2 4 i m n 。蒸发器( 或冷凝器) 是由6 个小型水平串联排管的换热器并联而成。在热管蒸发器之前的电加热设备，是用来对 待冷却除湿的空气进行加热，以提高制冷系统的空气进口温度。在热管冷凝器之后是 轴流式引风机，压缩机和风机分别与变频器相连，通过调节频率来调节其功率，进而 调节系统的制冷量。制冷系统工质采用r 2 2 ，热管系统工质采用r 1 3 4 a 。系统在工作时， 经过加热设备后的空气将热量传递给热管换热器的蒸发器，蒸发器内液相工质吸热蒸 发，然后通过气相管路传输到冷凝器，在冷凝器内吸收冷量，冷凝成液态，工作介质 通过液相管路回到蒸发器，完成一次循环。在系统不断循环的过程中，热管换热器将 待冷却除湿的空气进行预冷，对降温除湿后的低温空气进行加热。表2 1 列出了分离式 热管实验中所用部件以及参数。本实验的实验台照片见附录l 。 图2 2 分离式热管实验台布置图 1 8 第二章无高差水平布管分离式热管的性能实验研究 表2 1 实验台各部件及其参数 部件部件参数 风道截面：6 2 1x 4 2 1 m m 2 ，长度5 0 0 m m 引风机风量3 0 0 0 m 3 h ，风压：3 5 0 p a ，连续可调 空气电加热器 o 3 0 0 0 w ，连续可调 变频器 d e l t av f d a ，0 0 h 2 5 0 o h z 压缩机型号：y z s 8 0 r d4 t 1 配电：3 8 0v5 0h z 功率2 6 7 0 w 工质r 2 2 换热器长x 宽x 高= 6 2 0 m m x 4 2 0 m m x 7 9 m m 测温部件铂电阻p t l 0 0 ，三线制，精度i 级 2 1 2 实验方法 在图2 2 中的1 0 1 ，1 0 2 ，1 0 3 ，1 0 4 四处分别从换热器的最低端到最高端设置2 0 个温度测量点，换热器最低端标定高度为o c m ，每两个相邻测量点之间高度间隔2 c m ， 最高点标高为4 0 c m 。实验进行时每隔相同时间同时对1 0 1 、1 0 2 、1 0 3 、1 0 4 处在同一 高度测量点的空气测温，将测得的数据输入计算机进行记录和保存。测温工具是精度 等级为i 级的工业用铂电阻p t l 0 0 和数显调节仪。通过无高差水平布管分离式热管换 热器的蒸发器和冷凝器前后的空气温差变化和分布来分析热管工质充液率和驱动温差 对其温度分布均匀性和热管换热器节能效果的影响，进而测试热管换热器蒸发器和冷 凝器的工作状况和性能。 2 2 实验结果与分析 2 2 1充液率对温度空间分布和温差平均值的影响 ( 1 ) 不同充液率条件下的空气温度空间分布 在驱动温差为1 0 5 时，不同充液率对热管换热器竖直高度上空气温差分布的影 响，见图2 3 所示。图中，有一些靠近最高端和最低端的测量点空气温度并未标出，原 因在于这些测量点的温度测量受到环境因素的较大干扰，准确性降低，故未予标出。 由图2 3 可知，在充液率不同的情况下，热管蒸发器前后的空气温差的最大值高度 随着充液率的增大而升高，而冷凝器前后空气温差最大值始终在高度较大处。这是因 为在蒸发器内随着液位高度的升高，气液两相界面也在上升，所以潜热形式的换热面 高度也在上升，在温差最大值以外的测量点主要以显热形式换热，故温差较小；工质 进入冷凝器便快速得到冷却凝结，在冷凝器下部，工质主要以显热形式换热。在标高 为6 c m 处有一温差极大值，这是由于风速不均匀引起的。无论是蒸发器还是冷凝器， 其前后空气温差除了在较大值附近的点以外的其它测量点普遍较低，热管换热器换热 】9 青岛大学硕士学位论文 面没有得到充分利用。 量 桓 肇 0 o 0 51 01 5 2 o 温差 曩充液率0 3 1 o o1 o2 03 04 05 06 0 温差 c 4 0 3 5 3 0 g2 5 遘2 0 蜷1 s 1 0 s 0 4 0 3 5 3 0 e2 5 蓬2 0 蜷1 5 1 0 5 0 0 0 0 51 01 52 02 5 温差 b 充液率为0 4 6 0 02 04 06 08 01 0 0 温差 c 充i 受率为0 7 0d 充液率o 8 5 图2 3 不同充液率热管换热器前后空气温差分布 ( 2 ) 不同充液率条件下温差平均值 由以上实验数据可以计算得到热管换热器前后空气的温差平均值随充液率变化而 变化的规律，如表1 所示。由表2 2 ，温差平均值随着充液率的增大而增大，当充液率 为o 8 5