（化学工程专业论文）分离式热管蒸发段流动和传热的研究.pdf

中文摘要 为了人类自身更好地生存和发展，基于当今世界能源存储与消耗形势以及环 境保护等方面的迫切要求，开发太阳能具有重要的战略意义。分离式热管具有导 热性高、结构简单、布置灵活、工作可靠、温度均匀等优点，使其在太阳能应用 中具有极为广泛的应用前景。 首先，本文综述了分离式热管的研究概况，重点介绍了国内外研究者关于分 离式热管充液率和蒸发段流动与传热特性的研究结果，并根据太阳能利用的实际 情况，针对太阳能热利用分离式热管研究的不足，提出一种使用低沸点物质为工 质的分离式热管用于太阳能热利用。 接着，在简化物理模型和对模型进行一维假设的基础上，以三大守恒定律： 质量守恒、动量守恒和能量守恒为基本依据，从流动沸腾传热的基本理论出发， 分别采用s h a h 强化模型，j c c h e n 加和模型和g u n g o r - w i n t e r t o n 加和模型建立 了分离式热管蒸发段流动与传热的模型，经过比较分析得知，j c c h e n 模型较适 合分离式热管蒸发段的流动与传热过程。 随后，采用铜管模拟分离式热管蒸发段，以r 2 2 为工质，在热流密度1 5 k w m 2 、蒸发温度3 0 - - - , 6 0 和蒸发段倾角1 0 一9 0 0 范围内，实验研究了分离式 热管的传热特性。结果发现：以r 2 2 为工质的分离式热管在低热流密度条件下 能够较快启动，启动过程璧温分布均匀，因而具有良好的启动性，蒸发段合理的 充液率大于8 0 ，在实验参数范围内，热流密度、蒸发段倾角和充液率对分离式 热管的传热性能没有明显影响。 最后，使用所建模型，采用m a t l a b 编程，以r 2 2 为工质对分离式热管蒸发 段汽液分相流动区域进行数值模拟，具体考察蒸发段直径、热流密度、工作温度 和倾斜角度对工质温度、工质压力、质量汽含率、截面汽含率、汽液相速率、摩 擦压降梯度、流动沸腾传热系数和外壁面温度等的影响。并对模型计算的壁面温 度与实验测量值进行对比分析，结果表明模型计算的壁面温度与实验值基本吻 合，整个模型得到初步验证。因此，本文所建模型能用于分离式热管换热的设计 和分析，所得到的模拟结果具有指导意义。 关键词：太阳能分离式热管蒸发段充液率流动沸腾传热模拟研究 a b s t r a c t o nag l o b a le n e f g yc r i s i sb a s i sa n dag l o b a ln e e do f p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n tf r o m d i s r u p t i n g ，e x p l o i t u r eo nu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yi sag r e a ts t r a t a g e mf o rh u m a n b e i n g sb e t t e rd e v e l o p m e n t s e p a r a t et y p eh e a tp i p eh a sh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , s i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n ta r r a n g e m e n t , r e l i a b l ew o r k , e v e nt e m p e r a t u r ea n ds oo n t h em e r i t ，w h i c ha l lc a u s ei tt oh a v eae x t r e m e l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c ti n u t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g y f i r s t l y , t h i sa r t i c l em a k e sas u m m a r yt ot h er e s e a r c ha b o u ts e p a r a t et y p eh e a t p i p e ，w i t he m p h a s i s ，i n t r o d u c et h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s r e s e a r c hr e s u l t o l l l i q u i d - f i l l e dr a t i o ，h e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c e a n df l o wc h a r a c t e r i s t i c so f e v a p o r a t i o ns e g m e n ti ns e p a r a t et y p eh e a tp i p e ，a c c o r d i n gt or e s e a r c hi n s u f f i c i e n c yo f s e p a r a t et y p eh e a tp i p ei nu s eo fs o l a re n e r g y , o n ek i n do fs e p a r a t et y p eh e a tp i p e u s i n gl o wb o i l i n gp o i n tm a t t e ra sw o r k i n gl i q u i di sp r o p o s e df o ra c t u a lu t i l i z a t i o no f s o l a re n e r g y s e c o n d l y , a f t e rp r e d i g e s t i o nf o rp h y s i c a lm o d e la n do n ed i m e n s i o nh y p o t h e s i s ， o nt h eb a s e so ft h r e eb a s i ce q u a t i o n ss u c ha sm a s se q u a t i o n ，m o m e n t u me q u a t i o na n d e n e r g ye q u a t i o na n df u n d a m e n t a lt h e o r yo f f l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e r , am o d e lo f f l o w b o i l i n gh e a tt r a n s f e rf o rs e p a r a t et y p eh e a tp i p ew a se s t a b l i s h e du s i n gs h a hm o d e l ， j c c h e nm o d e la n dg u n g o r - w i n t e r t o nm o d e lr e s p e c t i v e l y ，i tw a sd i s c o v e r e dt h a t j c c h e nm o d e lw a sm o r es u i t a b l ef o rs e p a r a t et y p eh e a tp i p et h a no t h e r sa f t e r c o m p a r a t i v ea n a l y s i sa m o n gj c c h e nm o d e l ，g u n g o r - w i n t e r t o nm o d e la n ds h a h m o d e l t h e n , as e p a r a t eh e a tp i p eu s i n gr 2 2a sw o r k i n gl i q u i dw a ss t u d i e db ym e a n so f e x p e r i m e n t ，i t sh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew a sw e l ls t u d i e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t s w i t hh e a tf l u xf r o m1k w m 2t o5 k w m 2 ，w o r k i n gt e m p e r a t u r ef r o m3 0 ct o6 0 ca n d g r a d i e n to fe v a p o r a t i o ns e g m e n tf r o m 10 0 t o9 0 0 t h ee f f e c to nh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ec a u s e db yh e a tf l u x ，g r a d i e n ta n dl i q u i d - f i l l e dr a t i oo fe v a p o r a t i o n s e g m e n tw a sd e 印l ys t u d i e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h i sh e a tp i p ec o u l ds t a r t - u pi na s h o r tt i m ea tl o wh e a tf l u x ，t h ew a l lt e m p e r a t u r ea l o n gw i t ht h ea x i sw a yo f e v a p o r a t i o ns e g m e n td i s t r i b u t e de q u a l l y ，t h e s es h o w e dt h a tt h i sk i n do fh e a tp i p eh a s g o o dc a p a b i l i t yo fs t a r t - u p ，t h ea p p r o p r i a t el i q u i d - f i l l e dr a t i ow a sm o r et h a n8 0 ， w i t h i nt h es c o p eo ft e s t i n gp a r a m e t e r s ，h e a tf l u x ，g r a d i e n ta n dl i q u i d - f i l l e dr a t i oo f e v a p o r a t i o ns e g m e n th a dl i t t l ei m p a c to n i t sh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ef o u n d e dm o d e l ，u s ep r o g r a mw r o t eb ym a t l a bt 0 r e s e a r c ho ne v a p o r a t i o ns e g m e n to fs e p a r a t et y p eh e a tp i p eu s 啦r 2 2a sw o r k i n g f i q u i dt h r o u g hn u m e r i c a lc o m p u t a t i o nm e t h o d t h em o s t l yp u r p o s ei st oi n v e s t i g a t e h o wi n d e p e n d e n tv a r i a b l e sa sh e a tp i p ed i a m e t e r , h e a tf l u x ，w o r k i n gt e m p e r a t u r e ， g r a d i e n to fe v a p o r a t i o ns e g m e n te f f e c to nd e p e n d e n tv a r i a b l e sa sw o r k i n gl i q u i d t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，m a s sa n ds e c t i o ng a sr a t e ，g a sa n dl i q u i dp h a s ev e l o c i t y , g r a d e so ff r i c t i o np r e s s u r ed r o p ，f l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t , o u t e rw a l l t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i o ns e g m e n t b yc o n t r a s ta n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a lo u t e rw a l l t e m p e r a t u r eo fe v a p o r a t i o ns e g m e n tw a sa p p r o x i m a t e l yc o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a l c o m p u t a t i o n a lr e s u l t ，b yw h i c ht h ef o u n d e dm o d e lw a st e s t i f i e dt ob er i g h tt oad e e p e x t e n t i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ef o u n d e dm o d e lc o u l db ea p p l i e dw i t hd e s i g na n d a n a l y s i s o fs e p a r a t et y p eh e a tp i p e ，t h en u m e r i c a lc o m p u t a t i o n a lr e s u l tm a d e i n s t r u c t i o n a ls e n s ef o rp r a c t i c e k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y , s e p a r a t e l i q u i d - f i l l e dr a t i o ，f l o wb o i l i n gh e a tt r a n s f e r ， t y p eh e a tp i p e ，e v a p o r a t i o ns e g m e n t ， n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n 符号说明 英文字母 口 4 彳， b o c c o 0 d d 碗 p e f f b f r g 办 h 三 m 以 n 肠 胁 p p c p r 符号说明 蒸发段倾角，o ； 蒸发段流通截面积，m ? ； 阿基米德准数，无因次； 沸腾准数，无因次： 沸腾传热经验计算式中的系数，为常数； 对流特征准数，无因次； 定压比热，k j ( k g ) 或j ( k g ) ： 蒸发段内直径，m ： 蒸发段外直径，m ； 汽泡脱离直径，m ； 内能，j 埏或k j k g ； 截面汽含率； 范宁摩擦系数，无因次； 两相流因子，无因次； 反映汽泡脱离频率的准数，无因次； 弗劳德准数，无因次； 质量流率，k g ( m 2 s ) ； 换热系数，w ( m 2 ) 或k w ( m 2 ) ； 冷态时蒸发段内液体高度，m ； 蒸发段有效长度，m ； 分子量，为常数； 指数，为常数； 强化模型判别指数，无因次； 反映核化密度的准数，无因次； 努谢尔特准数，无因次； 压力，p a 、k p a 或m p a ； 工质临界压力，p a 、k p a 或m p a ； 普朗特准数，无因次； 符号说明 希腊字母 p l o a p 仃 上标 ， 下标 6 b c | 相对压力，无因次； 蒸发段壁面加入热流密度，w m u 或k w m 2 ； 蒸发段极限热流密度，w m 2 或k w m 2 ； 汽化潜热，k j k g ； 雷诺准数，无因次： 表面粗糙度，聊； 沸腾抑制因子，无因次； 温度，； 速度，m s ； 质量汽含率，无因次； l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 参数，无因次； 控制体长度，m ； 液体过冷度，； 壁温和饱和温度之差，； 相应于么r 的饱和蒸汽差，； 动力粘度，p a s ； 林宗虎截面汽含率计算式中的滑移系数； 全液相马氏因子； 导热系数，w ( m ) ； 密度，k g m 3 ； 液体表面张力，n m ； 表示修正后； 汽泡； 渐进模型沸腾； 强化模型对流； 飞溅降膜； 办g弘r胎彤s t y x 蜀以铷踟 符号说明 g ， l d n b 护 n c b w a l l i w a l l , 0 汽相； 液相； 渐进模型流动或渐进模型液相； 全液相； 核态沸腾； 汽液混合相； 强化模型核态沸腾； 蒸发段管内壁面； 蒸发段管外壁 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：唧木扛签字日期：丑粥_ 7 年7 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：唧赤朱 签字日期：姊? 月3 日 导师签名： 签字日期： 第一章文献综述 第一章文献综述 热管自二十世纪六十年代被美国科学家发明以来，受到普遍关注，在接下来 的一二十年里获得了飞速发展 卜1 7 1 ，被认为是“一种有价值的新传热技术”，以 其突出的诸多优点，被广泛应用于空间技术，电子工业，化学工业，动力机械， 电器制造，太阳能利用，工业余热回收，温度控制，等温插件，铸造冷却，以及 医疗器械，食品工业等【1 8 】。 1 1 分离式热管的研究概况 分离式热管换热器的研制始于2 0 世纪8 0 年代【1 9 】，研究最早的是日本【2 0 】。1 9 8 1 年6 月的化学装置首次报道了这种热管换热器，阐述了其特点，并提供了用 于预热两种流体的实例。由于分离式热管换热器存在诸多优点，在钢铁、电子、 机械等行业迅速得到了应用。目前，在我国己处于工程应用阶段，并已取得了良 好的效果。 近年来，我国科技工作者对分离式热管进行了广泛的基础理论和工程应用研 究【2 l 】：中国科学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换 热特性的研究；上海海运学院进行了分离式热管换热器的模型实验研究；东北工 学院进行了分离式热管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；南京化工大学进行了分离式热管凝结换热和传热极限【2 2 】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；华东船舶工 业学院进行了大型分离式热管换热器的模型试验研究；哈尔滨工业大学进行了热 管供热系统与热水供暖系统的技术经济性比较研究。这些研究均取得了一定的成 果，这些成果对分离式热管及分离式热管换热器在工程实践中的应用提供了良好 的基础。 目前，工程中应用的分离式热管依靠重力回流冷凝液，因而适用于冷源在上 而热源在下的场合，对于热源在上，冷源在下及传输距离较远的情况有一定困难， 而且冷热源间的距离受到循环回路流动传热极限1 2 3 的限制。对热源在上、冷源在 下这类情况，工程上有两种解决方案【2 4 2 5 1 ，但这两种方案均存在一定弊端。普 遍认为动力分离式热管 2 6 - 3 0 】对上述问题提供了较理想的解决方法，其基本结构 和原理为：在由蒸发器、冷凝器、微压驱动装置和管路构成的闭合环路中充以循 第一章文献综述 环工质，利用驱动装置推动工质在热源处吸热蒸发，在冷源处冷凝放热，从而实 现热量由热源向冷源的高效传递。 当前对动力热管的研究，国际上的研究工作主要有：通过安装在冷凝段的机 械式微泵驱动方式来增强冷凝液从冷凝器向蒸发器的流动以增加系统的传热能 力方面的研究【3 0 】：国内这方面的研究工作主要有：对动力热管进行液相、汽相驱 动方案的模拟与实验研究，对动力热管循环工质进行纯工质的优选，并正在进行 非共沸混合工质的优选，已对动力热管方案与“水回路”方案应用于喷雾干燥塔、 造纸厂余热回收利用等场合进行了技术经济分析，目前正在进行汽相和液相驱动 装置以及动力热管工程设计专家系统的研究【2 6 2 8 1 。 1 2 分离式热管的结构特点和传热原理 分离式热管的结构如图1 1 ，其蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管 和液体下降管连通起来，形成一个自然循环回路。工作时，工质在蒸发段吸热汽 化，蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放潜热而凝结成液体，在重力作用下，经 液体下降管流到蒸发段，如此循环往复运行，从而实现热量的传递。 从其工作原理看，分离式热管具有整体式热管的基本特征：管内汽一液两相 流动；管内工质以相变的形式完成热量的传递；工质循环自动完成；具有一定的 初始真空度【3 1 1 。但从管内工质的流动特性来看，由于结构上的特点，分离式热管 的不同之处为【3 2 】； ( 1 ) 液体从下降管返回蒸发段，蒸发段上部非淹没区不像整体式热管那样 有降膜冷却，而紧靠下降管部分的液体由于位差和散热原因可能是过冷液； ( 2 ) 蒸汽从上升管进入冷凝段，汽流和液膜流动同向，而不像整体式热管 那样汽、液反向流动； ( 3 ) 汽、液分别在连接管内流动，不像整体式热管在同一绝热段内反向流 动； ( 4 ) 对于有多个蒸发段或冷凝段的分离式热管，蒸汽和冷凝液从连接管进 入换热管时有一个分配问题，不像整体式热管汽、液均在同一支管内循环。 从分离式热管的结构特征和工作原理可以看出分离式热管换热器除了具备 整体式热管换热器的一切优点外，还拥有以下方面的特点【2 1 】： ( 1 ) 易于合理布置蒸发段和冷凝段，利于实现换热器的大型化； ( 2 ) 可实现一种流体和多种流体的同时换热，即一个蒸发段可以匹配几个 冷凝段，或多个蒸发段共用一个冷凝段； ( 3 ) 冷、热流体间可绝对分隔，完全无互混，为易燃易爆流体的预热提供 第一章文献综述 了安全可靠的热交换途径； ( 4 ) 便于冷、热流体的远程换热。将蒸发段和冷凝段分别布置在工艺流程 需要的位置，只需连接蒸汽上升管、液体下降管即可，两者之间的距离可达数十 米乃至数百米； ( 5 ) 安全性和露点腐蚀的解决。将热流体进口处一组或几组蒸汽上升管与 液体下降管和冷流体进口处的组件连接起来，形成逆顺混流布置，或改变冷、热 段传热面积比例，以调整各组热管管内的工作温度，这样可解决热管换热器高温 区管内工作温度较高带来的安全性问题和低温区管壁温度较低而造成的露点腐 蚀问题。 分离式热管要正常工作，冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管 之间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段的高度 差密切相关，它用以平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系着热管的正常运 行，而不再需要外加动力【1 7 】。 图1 1 分离式热管的结构 卜蒸发段；2 - 汽导管；3 - 冷凝段；4 一液体回流管 f i g1 - 1s t r u c t u r eo fs e p a r a t et y p eh e a tp i p e 卜e v a p o r a t i o ns e g m e n t ：2 - s t e a md r i v ep i p e ：3 - e n n d e n s a t i o ns e g m e n t ：4 - l i q u i db a c k f l o wp i p e 1 3 分离式热管的充液率 1 3 1 分离式热管充液率的定义 传统的热管充液率定义为在冷态条件下蒸发段内工作液淹没高度与蒸发 段有效加热高度之比【3 3 1 。分离式热管的充液率仍沿用这一定义【3 4 1 。对于蒸发 段竖直的分离式热管，一般将充液率定义为冷态时蒸发段内液体高度与蒸发段有 第一章文献综述 效加热长度之比， 1 pe 3 5 】： r ：旦1 0 0 上 式中，砌冷态时蒸发段内液体高度，三为蒸发段有效长度。对于蒸发段倾斜或 水平布置的分离式热管，仍沿用上述充液率的定义方法，其冷态淹没高度采用折 算长度，即蒸发段内液体的体积除以蒸发段内截面积的长度【3 6 1 。由此可见，热管 充液率一般可定义为蒸发段内冷态时液体的体积与有效蒸发段体积之比【3 7 】。在计 算实际充液量时，还应计算连接管路、冷凝液回流管的淹没空间及冷凝器的附着 液等，当连接管路、冷凝器所占空间较大时，应特别注意管路中的驻留工质。 1 3 2 分离式热管合理的充液率 充液率是影响热管传热效率的重要因素之一，也是设计和应用中必不可少的 参数。充液率过大，汽液混合物将进入蒸汽上升管，甚至到达冷凝段，恶化冷凝 段传热，从而降低整个系统的传热性能；充液率过小，则会使蒸发段上部管壁因 缺液而引起传热恶化。影响充液率的因素很多，如热管的形状、尺寸、热流密度、 蒸发温度、工质的种类和蒸发段倾斜角度等。充液率是管内流动与传热的参变量， 同时又反过来影响管内流动与传热的特性。因此必须提出合理的充液率，使热管 工作在最佳状态，充分发挥分离式热管的高效传热能力。 在热流密度达到局部干涸极限以前，随着热流密度的增加，合理充液率减小 并趋于稳定值；随着工作温度的升高，合理充液率增大；随着倾角的增加，合理 充液率降低。综合考虑蒸发段倾斜布置的分离式热管的换热效果和运行安全性， 试验得出蒸发段倾斜布置后的合理充液率要比相同工况下蒸发段垂直布置的合 理充液率平均大1 0 左右【3 6 】【3 8 】。 1 3 3 分离式热管合理充液率的确定方法 充液率可由实验或理论计算两种方法确定，实验方法【3 7 4 0 1 以系统实测性能 最佳为目标，得到特定系统和工况下的最佳充液率，结果可靠，但存在实验工作 量大、所得到的结果仅适用于特定系统和工况问题，理论计算确定工质充液率的 方法，可用于不同系统和工况，但计算结果的可靠性，依赖于所建模型与实际系 统和工况的吻合程度。然而，分离式热管的充液率尺与热流密度q 、蒸发段有效长 觑、蒸发段内径认工质的种类和蒸发温度礴诸多因素有关，用理论计算确定 充液率非常困难，所以主要是通过实验方法来确定。研究者对影响充液率r 的因 素进行定性分析后，普遍认为【3 2 】： r = i ( q ，t ，l ，d ) 第一章文献综述 到目前为止，大多数文献都只提出一个合理的充液率范围。郎逵【柏】在考虑蒸 发段汽液混合物质量和下联箱后，认为最佳充液率在2 4 2 6 之间。c h e n y u a n g u 0 等f 4 1 1 ，x i aj i l i 觚g 等【4 2 】，何川等t 4 n 贝u 指出2 0 3 0 的充液率在低热负荷 下，蒸发段上部出现干涸现象，它们分别用1 5 m ，4 0 m 及6 o m 的管子在热流密度 q - - ( o 3 , - - - 3 0 ) x 1 0 4 w m 2 ，t = 7 0 - 2 3 0 ，蒸发段管径d = 2 0 - - 3 2 m m 范围内反复试验 后，得出充液率与管长有关的结论，发现蒸发段越长，合理充液率越大。庄正宁 等【3 6 j 采用长度为1 6 m 、管径为中2 5 m m x 2 m m 的石英玻璃管模拟分离热管蒸发段， 以水为工质，在热流密度q = 3 , - - - , 3 0 k w m 2 、工作温度t = 9 0 - - - 1 4 0 、倾角a - - o , 9 0 0 的范围内进行试验，得出合理的充液率范围为4 0 7 0 ，比垂直蒸发管高1 0 。 朱玉琴等1 3 7 采用长度为1 6 m 、管径为0 2 5 m m x 2 m m 的石英玻璃管模拟分离热管蒸 发段，以水为工质，在热流密度萨1 0 4 5 k w m 2 、工作温度t - - 9 0 - 一1 3 0 、倾角 a = o 8 0 的范围内进行试验，得出合理的充液率范围为6 5 - - 9 5 。朱玉琴等【3 8 j 用长度1 6 m 、管径为函2 5 m m x 2 m m 的无缝钢管模拟分离热管倾斜蒸发段，以水为 工质，在热流密度q = 3 0 - - 一3 0 k w m 2 、充液罱g r = 2 5 - - , 9 5 、工作温度t = 9 0 - 1 4 4 、 倾角a = 5 - - 9 0 0 的范围内进行试验，得出合理充液率范围为5 0 - - 9 0 。李友荣【3 9 】 用6 根长度为6 9 0 m m 、管径为国2 5 m m x 2 5 m m 的无缝钢管模拟分离热管水平和小 倾角蒸发段，以蒸馏水为工质，在热流密度旷( 0 4 3 2 ) x 1 0 v m 2 、蒸发段倾角 a = 3 - 2 5 。、工作温度t - - 6 5 - - 1 7 0 、充液率r = 4 0 - - - ，9 0 范围内进行试验，得到 合理的充液率范围为6 5 - 7 5 。陈远副2 0 】考虑了液体和蒸汽在循环回路中的分 布情况，根据观察和理论分析，建立了计算环膜烧干位置的理论模型，计算出不 发生传热恶化的最小充液量，认为充液量由蒸发段液体量、下降管液体量、蒸发 段缺液量和启动、再生所需液体量组成，其计算值在实验工况下得到验证。 事实上，分离式热管的蒸发段对热管整体的影响与常规热管的情况有所不 同，分离式热管蒸汽上升管和液体下降管可按工程需要制作得很长，在热管正常 工作时，其内部驻留的工质数量可能与蒸发段的工质数量在同一数量级。那么， 在决定分离式热管充液量时，只考虑蒸发段是不够的，还要全面分析冷凝段和连 接管在热管正常工作时所需要的工质数量。 1 4 分离式热管蒸发段中流体的流动特性 1 4 1 热流密度对流动特性的影晌 对于不同热流密度下蒸发段内的流型，张红等【3 2 3 作了细致研究，结果如图1 2 所示。当蒸发段不受热( 图1 2 a ) 时，液体处于静态，当热流密度较小时，液体开 第一章文献综述 始沸腾，汽液混合物体积膨胀使液位上升，但仍有部分管壁未被淹没( 图1 - 2 b ) ， 继续增大热流密度，液体剧烈沸腾，甚至进入蒸汽连接管内( 图1 - 2 c ) 。这时，管 壁得到全面润湿，传热性能良好，但蒸汽可能将液体带入冷凝段，致使凝结传热 恶化。一般认为，汽液在管内的流动是饱和液体和汽泡的混合物自下而上作变速 运动。由于汽泡合成为块状或弹状流驱赶液体向上运动，当汽弹在蒸发段出口破 裂时，液体在重力作用下回落会产生振荡。文献【4 l 】记录的壁温变化可证实这一点。 图1 2 不同热流密度下蒸发段管内的流型 f i g1 - 2f l o wp a t t e r ni ne v a p o r a t i o ns e g m e n ti nd i f f e r e n th e a tf l u x 然而，大多数文献对流型的描述较为粗糙，特别是未能对沿管长方向流型的 变化进行细致的研究。沈月芬等删采用加热石英玻璃管和无缝钢管模拟分离式热 管的蒸发段，对管内流体的流动和换热特性进行了研究。认为： ( 1 ) 热流密度较低时，有明显的弹状流，流体振荡较剧烈，热流密度增加， 弹状流转变为泡状流，流体振荡减弱，流动趋于稳定，在蒸发段上部有汽泡夹带 液滴脱离主流，向上飞溅，撞击壁面，破碎后形成液膜，沿管壁流下； ( 2 ) 在保证蒸发段出口干度一定的情况下，沿蒸发段自下而上的流型依次 为单相液流、泡状流、飞溅降膜流和汽雾流，四种流型所占比例随热流密度的不 同而有所变化； ( 3 ) 在飞溅降膜区内，飞溅频率与热流密度有关，随热流密度的增加，飞 溅频率增加，达到某一临界值后，趋于稳定值； ( 4 ) 飞溅降膜所形成的液膜具有时间上的不稳定性和空间上的不连续性。 1 4 2 蒸发段倾角对流动特性的影响 迄今为止，大多数的研究都是以分离式热管蒸发段垂直布置为研究对象【2 0 】。 但是很多场合，尤其是在用分离式热管替换其他换热设备的改造项目中，由于蒸 发段流体通道方向和安装条件的局限，传统垂直布置蒸发段的方式将受到限制， 觞w蹴磷器q d 、 如胃n隧8 q c 7 0 ，r e 3 2 5 ，3 2 5 r e 7 0 l 。专绷o 2 彤b 毗3 厂 叭。x n) 一x n 柞畴= l g ( 1 所- - x ) d 7 产枷一；x t - - 埘1 时( 爿9 目前，对于非金属纯流体的垂直流动对流沸腾传热以c h e r t 氏公式最好，误 差为1 1 6 ，也可用于制冷介质。但c h e n 氏公式不适用于液态金属，对于水平 流动也不太实用，若流动分层不严重，也可用c h e n 氏公式，但误差可能会太大【5 。 2 1 1 2g u n g o r - w i n t e r t o n 模型 g u n g o r - w i n t e r t o n 5 1 】【5 7 1 在1 9 8 6 年运用水，制冷剂和乙二醇等流体的垂直向 下、向上和水平流动实验，3 6 9 3 组数据发展了一种新的t h e n 氏关系式。 g u n g o r - w i n t e r t o n 计算公式的基本形式为： = 6 + 聃 单相对流传热系数可按d 衲l s b o e l t e r 公式计算，沸腾传热系数按c o p p e r 第二章分离式热管蒸发段流动和传热的模型 公式计算，沸腾抑制因子卿两相流因掀下式计算。 向：o 0 2 3 r e , o - 8p 矿4 竺 6 = 5 5 p o 胞( - o 4 3 4 3 l n p ，广5 5 必_ 0 5 q o 6 7 f = 1 + 2 4 0 0 0 8 0 1 1 6 + 1 3 7 x ，+ 铂 s ：1 1 + 1 1 5 1 0 6 f 2r e l 1 7 广1 对低弗劳德瑟t f r t 下的水平管( f r r o 0 4 的水平流道 n = c o f r r 1 o 1 0 o 1 o 1 b d 0 0 0 1 1 。 2 丽虿所 v 单相对流传热系数h t 是按液相物性和g ( 1 却液相流速的d i t t i l s - b o e h e r 公式 计算。 s h a h 的综合方法，实质上是根据来判断沸腾传热与单液相对流传热的相互 消长的情况，从而决定核态沸腾h u c b 和对流传热h 。中的哪个是代表两相流沸腾传 热系数k 的。s h a h 方法的优点是可适用于水平流动，并且有较高的拟合精度，由 于使用沸腾特征数b o 模拟核态沸腾，便省去了核态沸腾传热系数的复杂计算，但 因此也带致命的缺点，b o 仅含有流体汽化潜热物性参数，而且核态沸腾的典型幂 指数约为0 7 ，而不是s h a h 关系式的0 5 【5 l 】。 第二章分离式熟管蒸发段流动和传热的模型 2 2 蒸发段流动与传热模型的建立 2 2 1 物理模型 分离式热管中，工质的流动是在一个封闭的自然循环回路中进行的，汽液两 相同向流动，这一点与重力式热虹吸管有着本质的不同。文献【4 9 】指出，按流动方 向上的先后顺序，蒸发段内工质经历了单相过冷液体流动、饱和液体流动、泡状 流动和环状流动。由于过冷液体和饱和液体状态的存在很短暂，故可以不考虑其 对传热及流动的影响。因此，本文物理模型仅考虑蒸发段内的泡状流动和环状流 动 6 0 1 ，两者的压降和传热计算有着本质的不同，但泡状流只占蒸发段很短一部分， 并且泡状流向环状流的转化较难确定，为了简化问题，因此将其等效成为环状流， 即相当于将整个蒸发段视为环状流。 图2 - 1 蒸发段物理模型 f i g2 1p h y s i c a lm o d e l o ne v a p o r a t i o ns e g m e n to f s e p a r a t et y p eh e a tp i p e 2 2 2 数学模型 由于蒸发段的长度远大于直径，所以与长度方向的变化相比，各参数在截面 上的变化很小，可以将工质在蒸发段内的流动看作长度方向上的一维稳态流动。 为了简化问题，忽略液体夹带，其控制方程如下【6 1 】： 第二章分离式热管蒸发段流动和传热的模型 连续方程：i d g ：0 动量方程：霉d l = 矿+ 去d 厶 能量方程：尥= d u 再补充工质的状态方程，即建立了控制体的数学模型。 2 2 3 控制方程的离散 将热管蒸发段划分成如图2 2 所示的多个微元控制体后，各个控制体的参数满 足以下连续方程、动量方程和能量方程【6 2 】： 1 23ii + 1n 一1n 。 卜 图2 - 2 分离式热管蒸发段离散网格 f i g2 - 2d i s p e r s e d 鲥do ne v a p o r a t i o ns e g m e n to fs e p a r a t et y p eh e a tp i p e 连续方程： q = g i + l ( 2 1 ) 动量方程： l ( p i - p i h ) 一差址卜4 = g + l 粕一q 五+ g + 。( 1 - x m ) v l , m - q ( 1 _ 五) ( 2 - 2 ) 能量方程： q n r d a l = q + l ( 1 一t + 1 ) q i + l g i ( 1 一x f ) 白，i + g f + l x i + l e g ，“l g i x i e g 。f ( 2 - 3 ) 其中g 、p 、v 、e 、x 分别代表质量流率、压力、速度、内能、质量汽含率， q 为壁面输入热流密度，d 为蒸发段管壁外径，d 为蒸发段管壁内径，以为控制 体长度，么为蒸发段流通截面积，和g 分别代表液相和汽相，i 和升1 分别表示 控制体的进口和出口。再补充工质的状态方程，即可求解控制方程。 为了便于编制程序用计算机求解，把( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 式改写成不同 变量的求解形式。由于蒸发段中发生的是饱和沸腾传热过程，因而温度是压力的 单值函数，所以要以质量流量g 、压力p 和汽含率x 为求解变量。由于蒸发段流 体压降十分小，因此工质温度变化也十分小，所以工质相变潜热变化也十分小， 故而可用下式来计算工质循环流量： 第二章分离式热管蒸发段流动和传热的模型 g ：g j ：g ： + l ：型 ( 2 4 ) 胪易一差缸一堂堂坐型掣巫型型 ( 2 - 5 ) 毛+ l ：f l x 二f - 一y ( 2 6 ) 式( 2 5 ) 中摩擦压降梯度罢应按环状流计算，其计算方法见下节摩擦压降 a l 梯度的计算。 式( 2 6 ) 中： 嘲如。+ 华 协7 ， 触f ，；+ 华 协8 ， 脚h 轩咖华、】一9 一 协9 ， 式( 2 5 ) 、( 2 7 ) ( 2 9 ) 中： 匕，：盟 ( 2 1 0 )1 ，= lz 一jj g i p ? i e i a ” 扩嚣杀 协 v g , i + l 孺g i + l x i + l ： ( 2 - 1 2 ) 1 ：华! 上 ( 2 - 1 3 ) “1 一瓦不可 “q 川 式( 2 1 0 ) ( 2 1 4 ) 中e 是截面空泡份额，也就是截面汽含率，是两相流流 动特性中的一个重要参数，在研究流动与传热特性中必不可少。暖流型的影响 很大，在不区分流型的情况下，很难取得统一的计算公式。所以，目前已有的截 面汽含率计算式，都是局限在一定的参数范围内，也就是只能用于一定范围的流 型。目前，计算截面汽含率e 的方法可分为如下九种【6 3 删：( 1 ) 滑速比模型法； ( 2 ) 变密度模型法；( 3 ) 漂移流模型法； ( 4 ) 漂移流率模型法；( 5 ) 动量交 换模型法； ( 6 ) 环状流的解析计算法；( 7 ) 最小熵增模型法；( 8 ) 混合相一单 相并流模型法； ( 9 ) 其它计算方法。这些计算方法中，一般是半经验半理论的， 而有些计算方法过于复杂，往往在研究两相流时，主要研究的应该是两相流的压 降和传热，而两相流的压降模型和传热模型均涉及到截面平均汽含率。因此，在 众多计算方法中，选择简单而精度又足够的计算方法是很有必要的。本文综合各 种模型和计算方法，选择准确性较好，适用范围较广的林宗虎计算式f