一种分离式热管及运行分析.doc

0引言 热管因其优良的传热性能,越来越广泛应用于工程中。所谓分离热管,是在热管的基础上发展而来，即蒸发段和冷凝段分开布置,中间用柔性软管连结。分离热管可用少量的工质循环量,实现较远距离传递大量的热。1现有分离式热管技术概况现有分离式热管最为典型的管路原理如图1所示，技术方案要点：多根蒸发管两头开口,其开口分别用上联箱(5)下联箱(6)连通,所述下联箱一头封闭,一头开口,开口与冷凝器的出液口之间用冷凝液下降管（4）连通;所述上联箱一头封闭,一头开口作为蒸发器蒸汽出口,与蒸汽上升管（2）连通,蒸汽上升管又与冷凝器的进气口连通。图1所示分离热管运行情况是, 分离热管运行停止时, 工质液体聚在蒸发管底部及下联箱（6）中。启动时, 下联箱（6）和蒸发管底部的工质液体进行池式蒸发,工质气化上升,从蒸发管上端开口汇集到上联箱(5),再从上联箱(5)进入热管系统的蒸汽上升管(2),再到热管系统的冷凝器(3)将热量传递给蓄热媒质并液化;液化的工质在重力作用下,由热管系统的冷凝液下降管(4)进入下联箱(6),再由蒸发管下开口进入蒸发管，液体工质在蒸发管下半部进行池式蒸发,同时,沸腾的工质气泡携带部分液体工质润湿蒸发管上半部管壁,使蒸发管上半部管壁也有液体气化发生，如此循环。此方案的特点是：蒸发管上半部管壁的润湿,依靠气泡携带液体工质,润湿效果受多种因素影响【1】,难确保上半部管壁的相变换热,不能确保充分发挥上半部管壁作用。图1 现有分离热管原理图1.蒸发段,2.蒸汽上升管,3.冷凝段,4冷凝液下降管,5.上联箱,6.下联箱,实线箭头为液态工质流向,虚线箭头为气态工质流向。2新分离热管图2为新分离热管原理如图,新分离热管与众不同,具有的独特结构,技术要点是：至少包括两根或两根以上蒸发管(1)、一件上联箱(5)、一件蒸汽上升管(2)、一件冷凝液下降管(4)、一件冷凝器(3)组成,而蒸发管(1)上段伸进上联箱(5)内腔中一段,此段靠近上联箱(5)底壁设有蒸发管进液孔(7);蒸发管上端处于同一水平高度, 蒸发管进液孔(7)均处于同一水平高度; 蒸发管进液孔(7)输送工质的最大质量流量等于蒸发管在最大蒸发能力时蒸发液体的质量。图2新分离热管原理图1.蒸发管,2.蒸汽上升管,3.冷凝器,4.冷凝液下降管,5.上联箱,6.下联箱,7. 蒸发管进液孔,实线箭头为液态工质流向,虚线箭头为气态工质流向。下面分析分离热管的运行。分离热管停止时,工质液体聚在蒸发管底部及下联箱（6）中。启动时,所有蒸发管底部的工质液体进行池式蒸发,工质气化上升,从蒸发管上端开口汇集到上联箱(5),再从上联箱(5)进入热管系统的蒸汽上升管(2),再到热管系统的冷凝器(3)将热量传递给蓄热媒质并液化;液化的工质在重力作用下,由热管系统的冷凝液下降管(4)往下流动,进入上联箱(5),再由蒸发管进液孔(7)进入蒸发管,由上往下冲淋蒸发管管壁,形成重力作用下的流动薄膜蒸发,如此循环。第一次循环的工质是池式蒸发的工质,那么第一次循环的工质回流至蒸发管进行第二次蒸发时,全部蒸发气化,同时蒸发管底部的液体有池式蒸发发生。那么,第二次循环的蒸发量为第一次循环的回流量加第二次循环的底部蒸发量之和,肯定比第一次循环的蒸发量大；同理,下一次循环蒸发量总比上一次循环蒸发量大,即分离热管的启动是一加速过程。当全部的进液孔(7)不能下泄全部的回流液体时,液位上升,进液孔(7)流量增加，因进液孔(7) 流量未达到蒸发管蒸发能力，进液孔(7)的进液全部蒸发，同时蒸发管底部的液体继续有池式蒸发发生。当液位达到蒸发管管口,进液孔(7)流量达到最大,并与蒸发管蒸发能力相等，进液孔(7)的进液全部蒸发,蒸发管底部无池式蒸发，达到动态平衡。以上分析了安装无误差时，蒸发器在分离热管系统中, 将热管系统冷凝液体均匀地分配至各蒸发管上端,形成降膜蒸发。如果实施产生小误差,即蒸发管进液孔(7)不在同一高度,如图3。假设蒸发管进液孔(7)比蒸发图3 新分离热管倾斜示意图管管口位置低h；误差造成最低处蒸发管进液孔(7)比最高处蒸发管进液孔(7)位置低h。能否实现其目的呢？分析如下：分离热管系统停止时,工质液体聚在蒸发管底部及下联箱（6）中。启动时,所有蒸发管底部进行池式蒸发,气化的工质上升进到热管系统的冷凝器将热量传递给蓄热媒质并冷凝液化,回流的液态工质由冷凝液下降管（4）进入上联箱(5),先聚在上联箱(5)低处,从最低处蒸发管进液孔(7)进入最低处蒸发管,由上往下冲淋蒸发管管壁,形成重力作用下的流动薄膜蒸发。同理, 第一次循环的工质回流至蒸发管进行第二次蒸发时,全部蒸发气化,同时蒸发管底部的液体有池式蒸发发生。那么,第二次循环的蒸发量为第一次循环的回流量加第二次循环的底部蒸发量之和,肯定比第一次循环的蒸发量大；同理,下一次循环蒸发量总比上一次循环蒸发量大,即分离热管的启动是一加速过程。当最低处蒸发管进液孔(7)不能下泄全部的回流液体时,次低处蒸发管进液孔(7)有进液,直至所有蒸发管进液孔(7)均有进液。因液位未达到蒸发管管口,所有进液孔(7)的流量小于蒸发管的蒸发能力,从进液孔(7)流进的液体会全部蒸发,而且蒸发管底部液体会继续池式蒸发,上联箱(5)的液位会继续上升,直至上联箱(5)的液位达到最低处蒸发管管口,最低处蒸发管进液孔(7)的流量等于蒸发管的蒸发能力,最低处蒸发管底部停止池式蒸发。其它蒸发管进液孔(7)的进液量小于蒸发管的蒸发能力,底部液体会继续池式蒸发,循环回流液之和大于所有进液孔(7)流量之和,上联箱(5)的液体会继续增加,增加的流量从最低处蒸发管管口下泻,最低处蒸发管底部液体继续增加，又通过下联箱（6）进入其它蒸发管底部。结果是,最低处蒸发管蒸发量等于蒸发管的蒸发能力,其它蒸发管的蒸发量小于蒸发管的蒸发能力。当热管停止运行，液体聚在下联箱（6）及蒸发管底部,下一次启动时，所有蒸发管底部进行池式蒸发，重复上述过程。即本分离热管可多次重复启动运行。虽然各蒸发管的蒸发量有差别,但各蒸发管均有降膜蒸发，其差别在工程上是可行的，以下举实例作定量分析。液态工质为低粘性，液态工质从蒸发管进液孔(7)进入蒸发管的流动为薄壁小孔出流【2】，小孔流量Q为QA0式中A0孔口面积流量系数H-孔口中心至液面高度g重力加速度那么，最高的进液孔(7)流量与最低的进液孔(7)流量之比为,当h50mm,h 10mm则0.8944即最小的蒸发量为最大蒸发量的89.44。以11根蒸发管为例计算，有误差时蒸发管进液量之和与无误差时蒸发管进液量之和的比值等于94.8，即有误差时热管传递热量为无误差的94.8，在工程上完全可行。h值越大,h越小, 蒸发管进液越接近均匀。以上说明了在额定热负荷下，分离热管稍有误差情况，蒸发管进液几乎均匀。如果负荷小于额定负荷，蒸发管进液是否接近均匀呢？假设上联箱(5)的液位使最高处蒸发管进液孔在液位下5mm，最低处蒸发管进液孔在液位下15mm，那么最高处蒸发管进液量为额定进液量的31.6%,最低处蒸发管进液量为额定进液量的54.77%;最高处蒸发管进液量与最低处蒸发管进液量之比为57.73，显然，尽管各蒸发管均有进液，但各蒸发管进液量相差较大。如果上联箱(5)的液位使最高处蒸发管进液孔在液位下30mm，最低处蒸发管进液孔在液位下40mm，那么最高处蒸发管进液量为额定进液量的77.46%,最低处蒸发管进液量为额定进液量的89.44%;最高处蒸发管进液量与最低处蒸发管进液量之比为86.6，显然，各蒸发管进液量相差较小。所以，分离热管最好在额定负荷下运行，或接近额定负荷的条件下运行。以上分析说明了一个蒸发器匹配一个冷凝器的分离热管，其实，还可以用几个蒸发器匹配一个冷凝器组成分离热管系统，如图4，其中,关键是利用液体分配箱(8)、供液支管(4a)、液体分配孔(9)共同作用，将冷凝液的均匀分配至高度不同的蒸发器，道理就同上联箱（5）、蒸发管（1）、蒸发管进液孔(7)共同作用，将冷凝液的均匀分配至各蒸发管。冷凝液下降管(4)出口连接液体分配箱(8),供液支管(4a)上端伸进液体分配箱(8)腔内一段,并设有液体分配孔(9), 供液支管(4a)上端处于同一水平高度、液体分配孔(9) 处于同一水平高度。图4 两个蒸发器匹配一格冷凝器的分离热管系统1.蒸发管,2.蒸汽上升管,3.冷凝器,4冷凝液下降管,5.上联箱,6.下联箱,7.蒸发管进液孔,8.液体分配箱,9.液体分配孔,2a,蒸汽接管,4a.供液支管,实线箭头为液态工质流向,虚线箭头为气态工质流向。当然，图4所示分离热管系统，要求各蒸发器同时工作，而且热负荷也相同，因为分配给各供液支管（4a）的冷凝液量相等。否则，负荷小的蒸发器不能蒸发供给的冷凝液，冷凝液会聚在该蒸发器内，而其它蒸发器又供液不足。3 结论本文提出的分离热管，冷凝回流液能均匀分配至各蒸发管，由蒸发管上端小孔进入,由上往下冲淋蒸发管管壁,形成重力作用下的薄膜蒸发,比池式沸腾的换热效果好。据参考文献【3】介绍，重力作用下的流动薄膜蒸发的换热系数比大空间沸腾蒸发换热系数大1倍3倍；特别是在实施产生误差的情况下,也能实现其目的，比已有技术有明显的优势。而且，可用