重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术（ECT）对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示：当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

复合中空热管冷凝侧传热特性

复合中空热管能够有效解决普通重力热管换热设备的酸露点腐蚀问题,在回收低温烟气（<200℃）余热领域有重要的应用。建立了复合中空热管传热实验平台,对复合中空热管冷凝侧传热特性进行了实验研究。实验所用热管管长1080mm,不锈钢材质,工作介质为甲醇;热管蒸发侧和冷凝侧分别采用电加热和水冷却方式,K型热电偶被用于测量管壁温度和冷却水进出口温度,真空压力传感器测量管内蒸气饱和压力;研究了充液率（15%≤V+≤40%）和蒸发侧热流密度（9.48kW/m2≤q≤37.91kW/m2）对冷凝侧传热特性的影响。结果表明：当充液率为20%时,复合中空热管冷凝侧均温性能最好,冷凝侧换热系数最大,传热性能最佳;随着蒸发侧热流密度的增大,复合中空热管有效冷凝长度增大,冷凝侧换热系数增大。实验研究为工业应用提供了基础。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论：蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论:蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

两相闭式热虹吸管的流动与传热特性研究

对两相闭式热管内的流动与传热特性进行数值模拟.分段建立热管内的流动与传热方程,通过编写程序对控制方程进行求解.采用离散液膜下降高度方法,联合利用复合辛普森数值积分和四阶龙格库塔数值微分方法成功地实现模型求解过程.将热管内充液量、饱和蒸汽温度和加热段热流密度作为影响因素进行数值计算.在分析中考虑下降液膜和上升蒸汽之间界面剪切力的影响.数值计算结果发现,尽管界面剪切力有时对传热过程的影响不大,但冷凝段和蒸发段的液膜都有所增厚,模型预测结果与实验测量值吻合程度有所改善.数值模拟结果表明,综合考虑热管内界面剪切力和总体充液量对热管流动与传热特性的影响是有必要的,由此获得的传热特性关联式更符合实际情况,可以为热管换热器的性能计算和设计提供指导.     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70～100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70~100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

碳纳米管悬浮液在重力热管中的沸腾特性

为研究纳米流体的沸腾传热效果,进行了以碳纳米管充装的重力热管的沸腾特性实验.以碳纳米管悬浮液为工质的重力热管的起沸温度、温度漂移及蒸发段管壁温度比水工质热管的高,热管的热阻增大,换热性能恶化.通过测定,水中添加碳纳米管颗粒后悬浮液的表面张力增大,使得加热壁面的活化成核点密度、数量、脱离频率、气泡体积、气泡间聚合能力发生改变,气液界面处的温度梯度和浓度梯度引发Marangoni流动,易蒸发组分水在界面处的蒸发产生质扩散效应.几种因素的共同作用使热管蒸发段管壁和热管的启动温度上升,热阻增大,热管的传热性能恶化.     

重力对烧结热管传热性能影响的实验研究

针对重力对热管换热器的影响,文中搭建了实验台并实验测试了直线型和L型烧结式热管的传热的性能,分析重力、热管结构形状等因素的影响。实验结果表明:当加热功率较大时,随着倾斜角度的增加,不同结构形式的烧结热管失效段的温度逐渐降低,分析认为重力可以改变管内冷凝工作的流动特性从而影响烧结芯热管的换热特性。在重力作用下,直线型热管最佳的换热倾角为30°—60°,L型热管最佳的换热倾角为90°。     

平行流热管管内两相流动可视化实验研究

平行流热管换热器综合热管轴向高效换热和平行流换热器管外高效换热的优点,是一种新型的热管换热器。为了研究平行流热管工作机理及管内流动过程,搭建了平行流热管可视化实验台并对不同结构参数、不同加热功率和不同充注工质下的启动特性和传热传质规律进行了实验研究。实验结果表明：平行流热管工作机理复杂,并联管路内气柱和液柱在重力和不平衡压力的共同作用下进行互激振荡流动,并且管内出现泡状流、弹状流、环状流等多种流型,同时较高的加热功率和较大的管径会加剧工质在并联各管路之间的往复振荡,增加工质在蒸发段和冷凝段的扰动,提高热管的换热性能。     

回路脉动热管稳定运行理论模型的建立与分析

运用热力学和流体力学的分析方法建立简单回路脉动热管稳定运行的理论模型.分析显示,稳定循环时,系统循环体积功用于克服系统循环耗散功,而系统循环耗散功（热）与热管传热量呈一定关系.通过关联蒸发段与冷凝段的流动和传热,工质初始参数,热管几何参数以及运行参数,对传热和流动进行耦合求解.结果表明,稳定运行充液率xv范围为10%~80%,稳定传热功率随蒸发段进口温度tel和蒸发段温升Δte的升高而增大,其中,温升的影响大于蒸发段进口温度的影响;充液率在30%~50%之间时,存在极限传热功率;传热量中的显热份额随蒸发段进口温度和温升的提高而降低,但不随充液率变化.     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。     

分离型热管蒸发段流动特性和传热特性的试验研究

对分离型热管管内蒸发段流动特性和传热特性进行了试验研究 :在保证热管工作效率及安全性的前提下 ,分离型热管蒸发段工质流动形式除单相液流和泡状流 (低热流密度时为弹状流 )外 ,在蒸发段上部约有 42 %～ 50 %的不稳定飞溅降膜区 ;合理充液率随热流密度的增加而减少 ;随着热流密度的增加 ,核态沸腾区及飞溅降膜区的换热系数均增加 ,蒸发段总换热系数也增加。     

单环路液氢温区脉动热管高充液率工况计算流体动力学（CFD）模拟

针对液氢温区单环路脉动热管建立了二维数值模型,分析了80%充液率条件下脉动热管不同阶段的流动及传热特性。在本研究中,流体体积函数（VOF）方法被用于追踪气液相界面,恒热通量和恒温分别作为蒸发段和冷凝段的边界条件,蒸发段的加热量逐渐从0.27W增加到1W。模拟的传热热阻与实验值的误差不超过15%,验证了模型的有效性。同时得到了脉动热管初始阶段的气液分布与压力分布,通过气体体积分数云图分析了启动阶段气塞的运动,结果显示在本研究中工质经过两次循环完成启动,根据工质流动方向的变化每次循环又可以分为三种流动方式。进入稳定阶段后,脉动热管内的工质主要呈顺时针循环流动,蒸发段的壁面温度呈周期性的振荡。在加热量较低时,温度振荡频率较低,传热热阻较大;随着加热量的增加,振荡频率增加并趋于稳定,热阻先减小而后不变。     

振荡热管的运行特征和传热机理

选取62%充注率去离子水振荡热管实验为例,结合前人得到的振荡热管的可视化实验研究成果,揭示了随加热功率不同,振荡热管运行特征、温度振荡及传热机理的对应变化过程。结果显示:振荡热管在没有启动振荡之前,管内工质没有明显宏观质量迁移运动,蒸发段、冷凝段壁面温度均无振荡变化;在启动振荡之后,随着加热功率的增大,管内工质由上下徘徊振荡、不稳定振荡循环流动至稳定单向循环流动;流型的变化也由泡状流、弹状流、塞状流至环状流转变,流速增大;伴随流型、流速的改变,蒸发段、冷凝段壁面温度的振荡变化由没有振荡、大幅度小频率、至小幅度大频率振荡,传热能力不断增强,热阻不断减小。文中为建立振荡热管理论模型、认识其传热规律提供参考。     

三相流重力热管冷凝段传热性能研究

为拓展三相流强化传热和防、除垢技术的应用领域,优化重力热管的传热性能,设计并构建了1套三相流闭式重力热管系统。考察了固含率、加热功率、充液率等参数对于三相流重力热管冷凝段传热性能的影响。结果表明,三相流重力热管可以强化传热。冷凝段对流传热系数随着加热功率的增加而增大,随着充液率的增加而减小。充液率较低时,冷凝段对流传热系数随着固含率的增加而增大;而当充液率较高时,随着固含率的增加,对流传热系数则呈现出先增加,后降低,然后再增加的变化趋势。     

用于低温余热回收系统热管换热器传热性能的数值模拟

采用CFX软件Fluent模拟了用于低温余热回收的重力热管内的相变情况及充液率、热管长度比、管中心距对热管换热器传热性能的影响。模拟结果显示,水量一定时,加热段与冷凝段长度相同的热管在不同充液率条件下的传热特性,高充液率的传热能力优于低充液率的传热能力,适宜的充液率为60%~70%。当充液率一定时,加热段的长度小于冷凝段的长度有利于热管传热。当充液率及管长一定时,热管换热器的传热系数随管中心距的增大而减小。将热管换热器数值模拟的总传热系数与理论计算的结果进行对比,实现了特定体系热管换热器的结构优化。     

热管在化工中的应用

热管是一种高效传热和节能元件。目前主要有毛细管型和重力型二种,它能在温降极小的情况下传递大量的热流。该元件是由外壳容器、毛细吸液蕊和载热工质三部分构成。在轴向分为蒸发、冷凝、绝热三段(一般无绝热段),两端焊有端盖及排气咀,组成一个密闭系统。抽真空后再注入载热工质,工作时外部热源使蒸发段受热,毛细吸液蕊里的工质汽化,不断产生蒸汽,使压力升高,蒸汽靠压差经热管中间通道迅速流向冷凝段,冷凝成液体并释放出潜热。冷凝液通过毛细吸液蕊又回到蒸发段,如此不断循     

乙醇对不抽真空重力回路热虹吸管凝结换热影响的实验研究

实验研究了添加乙醇对含大量不凝气体回路热虹吸管凝结换热的影响. 结果表明,重力回路热虹吸管内添加0.5%?1%(?)乙醇,会在凝结液膜表面形成Marangoni效应,促进局部凝结换热,冷凝管前段的局部换热量提高约9%;乙醇添加量大于1.5%时,乙醇无法完全凝结从而形成新的不凝气体,引起系统工作压力升高,蒸发器蒸汽温度升高,且乙醇含量越大,工作压力越高;乙醇含量为5%时,系统工作压力比纯水时提高64%.