大型分离式热管换热器的模型实验研究

1、1997 年 6 月Jo ur nal of East Chi na Ship buildi ng Instit ut e J un . 1997大型分离式热管换热器的模型实验研究姚寿广朱德书仲华镇江 212003)( 华东船舶工业学院机械系 江苏黄飞尤国英袁曾寿( 中船总七院 703 所 黑龙江 哈尔滨 150036)摘要 :本文对用于工业余热回收的大型分离式热管换热器进行了模型实验研究 ,以工程应用为背景探讨了大型分离式热管的合理充液率 、启动升温性能 、传热特性以及管排间不均匀加 热方式对启动过程和传热特性的影响 ,最后根据实验数据整理提出了蒸发段沸腾换热综合实 验关联式 。关键词 :

2、热管 ; 换热器 ; 试验 / 分离式热管中图法分类号 : T K172引言0分离式热管换热器是八十年代开发的一种新型节能设备 。由于它的蒸发段冷凝段分开布置 ,因而它除了具有以单支整体式热管为传热元件的热管换热器的一些特点外 ,还具有现场布 置灵活 ,可实现远距离传热 ,在冷 、热流体之间绝对不渗漏 ,用一种热流体加热多种冷流体和实现大型化等优点 ,因此近年来在工业余热利用中的应用越来越受到人们的重视 。目前以工程 应用为背景的大型分离式热管换热器传热过程及其规律性的研究工作较少 ,而充液率的选定 、 蒸发段内部传热系数以及管排间不均匀加热方式对传热的影响 、换热器的启动升温性能等问 题 ,

3、恰恰是其工程应用中最关心的 。关于整体式热管的特性虽有较多的研究报道1 ,但这些 结果不适合于分离式热管 ,而现有针对分离式热管的研究 ,由于实验条件的差异 ,在实验结果上还存在诸多的不一致2 ,3 ,因此本文以开发作为重油加热器用的大型分离式热管换热器为 对象 ,进行了相应的模型实验研究 。实验装置1实验装置如图 1 所示 ,蒸发段有三排 ,每排 4 根 ,共由 12 根 Ø 32 ×3 . 5 mm 的无缝钢管组成 ,它们分别与 6 根 Ø 45 ×3 的上 、下联箱管连接 ,上 、下联箱中心距为 450 mm ,蒸发段 12 根收稿日期 :1996

4、 09 27姚寿广 男 1962 年生 副教授 船舶行业民品项目第 2 期姚寿广等 :大型分离式热管换热器的模型实验研究39加热管外壁分别均匀绕上电阻丝 ,每排 4 根由一台调压器调节电功率 ,并由电流 、电压表测量 其输入功率 ,每根管外壁布置 2 对热电偶 ,中间 一排上联箱管内插入一支铠装热电偶以测量蒸 汽的温度 ,在蒸汽上升管起始部位和凝液下降管起始部位各布置 1 对热电偶用以测量加热段 蒸汽出口温度和冷凝器冷凝液的回流温度 。冷 凝段为一螺旋板式换热器 ,其中的冷却介质采 用油 ,油冷系统通过油泵向螺旋板换热器提供 冷却油 ,并通过调节油泵出口油路上的旁通阀来实现对冷却油量的调节 ,

5、从而达到调节热管 内蒸汽压力的目的 ,油流量通过标定后的浮子 流量计测得 。在冷凝器油路进出口处布置两根图 1 实验装置高精度的温度计来测量油带出的热量 。从冷凝器出来的油通过辅助的水冷系统降温再返回油箱 。整个装置全部都用硅酸铝棉和海绵包裹 ,以保证良好的热平衡 ,经测定系统热平衡误差不 大于 5 % ,本实验所用的热电偶为镍铬 - 康铜热电偶和铜 - 康铜铠装热电偶 ,热管内工质为蒸馏水 。实验参数的变化范围为 :热流密度 qv = ( 0 . 42 . 8) ×10 W/ m2 ,工作压力 p v = ( 0 . 0760 . 21) M Pa ,充液率= 40 %100 %

6、。2 实验结果与讨论2 . 1充液率分离式热管蒸发段没有下降液膜 ,为使其正常运行 ,需靠液池沸腾膨胀淹没蒸发段 ,因此掌握沸腾液池高度的变化 ,对选择合适的充液率是十分重要的 ,然而液池沸腾高度与充液率 、 热流密度及工质物性等诸多因素有关 ,目前用理论计算尚无法确定液池沸腾高度 ,也无法正确预言合理的充液率 ,只有通过实验方法来选择一定运行参数下的合理充液率 。本文对 6 组充液率 (36 . 2 % 、56 . 67 % 、67 . 24 % 、74 . 57 % 、87 . 43 %和 96 . 3 %) 进行了实验 ,每一个充液率下 , 测量不同工作温度时不同热流密度与换热系数的关系

7、 ,结果表明 ,充液率在 70 %以上时的换 热性能无明显差异 ,当充液率低于 70 %时 ,系统仍能正常运行 ,其换热系数与充液率高于 70 %时的基本相同 ,但在工作温度较高的情况下 ,靠近液体下降管一侧的加热管出现不稳定温升甚 至干烧现象 ,随着加热功率的不断增大 ,出现这种现象的管段范围会逐渐扩大 ,据分析这可能 是在较低的充液率下 ,靠近液体下降管一侧管内汽液混合物所产生的蒸汽不足以克服内部压 差 ,与靠近蒸汽上升管一侧管内蒸汽相比难以进入上升管 ,致使靠近液体下降管一侧管内蒸汽 反过来抑制了管内工质淹没高度和蒸汽的生成 ,导致管内工质沸腾从核态沸腾转化为膜态沸腾 ,以至产生了不稳定

8、的温升及干烧现象 。值得注意的是当充液率几乎达到 100 %的情况下 , 本系统仍能正常有效地运行 ,这是其它文献中从未提到的 ,文献 3 曾总结众多的实验结果 ,认 为分离式热管的充液率与加热管长有关 ,加热管愈长 , 充液率也可相应增大 , 一般推荐值在30 %65 %之间 ,大多数文献认为过高的充液率会使液体被带入冷凝段 ,从而使冷凝器传热恶华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报1997 年40化影响系统运行 ,考察本系统与其它文献实验装置 ,一个显著的区别在于冷凝段的冷却方式 ,目前几乎所有的文献中 ,冷凝段的冷却都是采用风冷方式 ,而本系统是通过高效的螺旋板式换 热器用油进行冷却 ,

9、因此本系统的冷却效果要远好于其它文献中的实验装置 ,加上本系统蒸汽 上升管较长 ,因此在较高的充液率下 ,由于加热段上联箱和上升管的存在 ,汽液混合物可能进 入上升管而不充满 ,或即使有少量的汽水混合物进入冷凝器也不会影响系统的运行 ,据此 ,笔者认为象本实验系统这样的大型分离式热管换热器 ,如果冷凝段冷却效果相对较好 ,只要系统 正常运行 ,充液量的多少对换热性能没有什么影响 ,合适的充液率应大于 70 % ,甚至可达 90 % 以上 ,这对适应负荷和温度的变化 ,避免烧干是有益的 。值得注意的是要控制充液率下限 ,因 为它对系统的安全运行是至关重要的 。2 . 2启动升温特性一般认为分离式

10、热管的启动分为两个阶段 ,初始启动和工作启动 ,其中工程中最关心的是初始启动 ,因为任何分离式热管装置安装投入运行都必须经过初始启动 ,以排除系统内不凝性 气体 ,确立热管原始真空度 。因此本文主要考察了实验系统的初始启动升温特性 。图 2 初始启动升温曲线图 3 工作启动升温曲线先将工质由充液管灌入加热段 ,关闭阀门 ,对工质加热 ,冷凝段采用自然冷却 ,加热段的加热功率初始为 0 . 8 k W ,10 min 后增至 3 . 24 k W ,20 min 后加大到 4 . 68 k W ,由启动升温曲线图2 可看出 ,在 12 . 5 min 内 ,蒸发段管壁 2 、14 点温度增长较快

11、 ,管内工质开始沸腾 ,而上升管蒸 汽出口处管壁 25 点温度基本保持不变 ,其后蒸发段管壁温度增长趋于平缓 ,产生的蒸汽进入上升管 ,上升管管壁温度迅速提高 ,到 16 . 5 min 时各管段壁温均趋平稳 ,说明此时蒸汽流量已 基本稳定 ,在 26 min 时开启排气阀进行第一次排气 ,此时各点壁温及管内压力出现瞬时下降 , 关闭阀门后 ,经过一段时间温度和压力又平稳回升 ,在 45 min 时进行第二次排气 ,从排气阀喷出强劲白色的蒸汽流时 ,可认为不必再排气 ,由图可见第二次排气后各测点升温曲线已十分接 近且变化很小 ,这时初始启动完毕 ,待管内汽态工质冷凝后 ,从系统上安装的真空表上

12、看出热管内出现较大的原始真空度 ,试验中加大启动时的加热功率 ,初始启动时间会有明显减少 。 在此基础上对系统进行启动即为工作启动 ,由图 3 可见 ,各测点升温过程在相同的加热功率下 ,大约 15 min 后即趋于稳定 。第 2 期姚寿广等 :大型分离式热管换热器的模型实验研究412 . 3管排不均匀加热在工业应用中 ,由于分离式热管蒸发段管排数较多 ,不同的管排在受热段中所处的位置不同 ,其管排间受热是不均匀的 ,直至目前尚未见到对这种管排间不均匀加热问题的实验研究报 道 ,本文通过实验模拟管排间的不均匀加热 ,以探讨分离式热管换热器管排间不均匀加热方式对系统换热性能的影响 。本实验以 8

13、0 %的充液率在总加热功率基本保持不变的情况下 ,按图 1 管排编号和表 1 给 出的 1 组均匀加热和 4 组不均匀加热方式进行实验 。表 1 排间不均匀加热方式 各排管间所加功率总功率( k W)编 号12341 P01 . 5 P0 . 5 P1 P1 . 5 P1 . 5 P1 P1 P1 . 5 P01 . 5 P3 P3 P3 P3 P 5 1 . 5 P 1 P 0 . 5 P 3 P 注 :3 P 为实验总功率图 4 不同管排加热方式下加热段沸腾换热系数随热流密度的变化4 组不均匀加热与 1 组均匀加热的平均沸腾换热系数随热流密度的变化见图 4 。从图中可看出 4 组不均匀加热

14、方式下的沸腾换热系数与均匀加热情况比较接近 , 但从总 趋势上看加热方式 2 、4 的沸腾换热系数略高于 3 、5 两种加热方式 , 在较低的充液率下 , 第 排 管壁的温度波动较大 , 尤其是在加热方式 3 下会出现局部干烧现象 , 对不均匀加热过程的传热 过程初步分析 , 我们认为由于第 排靠近蒸汽上升管 , 其管内产生的蒸汽能顺利地传输出去 , 且液体下降管的回流工质也能迅速弥补进去 , 相比较第 排管由于它产生的蒸汽不易很快进 入上升管 , 存在滞留现象 , 且循环流量少于第 、第 排管 , 在 4 种均匀管排加热方式下 , 特别 是在停掉某管排的情况下系统内部依靠自己的自补偿加热机制

15、 , 即通过相邻管排蒸汽量及液 体量的流入来保持各管排间的压力平衡使得系统保持正常工作 , 但由于 排管远离蒸汽上升 管和液体下降管 , 因此在 3 、5 加热方式下易于出现传热恶化现象 , 虽然这种现象在本系统三排管情况下不明显 , 但在工业应用中管排数较多时其影响不容忽视 , 从本系统的初步实验来看 ,在工业应用中布置蒸发段时应将靠近蒸汽上升管的管排迎着热烟气的来流方向 , 如图 5 所示 。2 . 4蒸发段沸腾换热系数由于蒸发段沸腾换热过程十分复杂 , 用理论模型求解沸腾换热系数难以实现 , 本文在不同华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报1997 年42充液率下根据测得的热流密度 、壁

16、面温度及蒸汽温度计算出平均沸腾换热系数 , 并沿用众多文图 5 不同管排布置时 , 热烟气的建议流向献普遍采用的实验关联式对实验数据进行回归 , 得出了本次实验沸腾换热系数的实验关联式为 : = 22 . 948 6 q0. 103 56 ·p0 . 213 82vv实验范围 :qv = ( 0 . 42 . 3) ×104 W/ m2qv = ( 0 . 0760 . 21) M Pa= (7096) %实验关联式与实验数据的最大偏差为 ±21 %结论31) 在本文的实验条件范围内 ,分离式热管换热器的合理充液率为 70 %96 % ,在此范围内充液率对系统传热

17、性能没有明显影响 ,且较大的充液率有助于适应负荷和温度的变化 ,起到 保证系统安全可靠运行的目的 。2) 管排间不均匀加热对分离式热管换热器的传热性能有一定影响 ,本文对此进行了初步 的实验研究 ,但鉴于在工业现场加热段管排的布置是一个相当重要的问题 。因此进一步对多 管排不均匀加热的深入探讨有待进行 。3) 根据实验数据整理得到的沸腾换热实验关联式与实 验 数 据 符 合 较 好 , 最 大 偏 差 在±21 %以内 ,可供工程设计参考 。4) 对分离式热管换热器采用热真空法进行初始启动 ,确立热管原始真空度是一种简单有 效的方法 ,实验表明分离式热管的升温特性良好 。第 2 期姚

18、寿广等 :大型分离式热管换热器的模型实验研究43参 考 文 献马同泽等 . 热管. 北京 :科学出版社 ,1988郎逵. 分离式热管元件充液量的理论与实验分析 . 见 :全国第二届热管会议论文集 . 中国工程热物理学会 ,1988 . 9陈远国 . 分离式热管换热器的研究. 应用与评价 . 见 :全国第三届热管会议论文集 . 重庆 :重庆大学出版社 ,1991 . 7123Mo del Exp e rime nt of Large Sc ale Sep arat eTyp e He at Pip e He at2Exchange rY ao S hou g u a n gZh u Des h uZhon g H u a(Dept . of Mechanical Eng. East China Ship building Instit ute , Zhenjiang J iangsu ,212003)H u a n g FeiY ou Guoyi n gY u a n Zen gs hou( 703 Research Instit ute , CSSC , Haerbing , Heilo ngjiang , 15003