脈動(dòng)熱管換熱器傳熱性能的研究

倪 兵 ,郝玉剛 ,吳秀杰 ,徐建炎

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024)

0 引言

余熱利用對(duì)節(jié)約能源、增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本等方面起著越來(lái)越大的作用,已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可分割的組成部分。但由于生產(chǎn)方法、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備以及原料、條件的不同和工藝上千變?nèi)f化的需要,給余熱回收利用帶來(lái)很多困難。

脈動(dòng)熱管換熱器作為一種先進(jìn)的換熱裝置,已被應(yīng)用于電子冷卻、空調(diào)余熱回收、太陽(yáng)能集熱器等領(lǐng)域,并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水及廢氣進(jìn)行余熱回收,是一種高效相變傳熱元件。在相同溫差下,管內(nèi)流體以汽化潛熱的方式傳遞熱量,并且脈動(dòng)熱管適用于不同加熱方式和加熱位置。將脈動(dòng)熱管技術(shù)應(yīng)用于余熱回收水處理裝置中,不僅能降低廢水及廢氣的溫度,還能將熱量回收利用,達(dá)到節(jié)能減排的目的[1-2]。

20 世紀(jì)40 年代初,美國(guó)Gaugler 就已經(jīng)提出熱管這個(gè)理論。1963 年第一個(gè)熱管問(wèn)世,至此熱管才進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活中,并不斷受到人們的重視,成為一種具有高傳熱效率的元件。熱管的理論階段一直持續(xù)到20 世紀(jì)70 年代后才進(jìn)入應(yīng)用階段,但仍然存在技術(shù)不成熟、成本較高的問(wèn)題。所以只有航天、核能等一些高端領(lǐng)域范圍得以應(yīng)用[3]。到80 年代后,由于技術(shù)不斷成熟,使成本降低,熱管技術(shù)才逐漸進(jìn)入不同的生產(chǎn)領(lǐng)域。

影響脈動(dòng)熱管傳熱性能的因素有很多,但其工作原理無(wú)法很明確的被解釋,運(yùn)行機(jī)理非常復(fù)雜,涉及到的因素較多,帶有很大的隨機(jī)性。自從脈動(dòng)熱管的概念提出以來(lái),國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行較多的研究。已有文獻(xiàn)顯示,研究人員研究了各種工作液體的脈動(dòng)熱管[4-8],從他們的研究結(jié)果中可知,直徑并不是影響脈動(dòng)熱管傳熱性能的唯一參數(shù)。脈動(dòng)熱管的管長(zhǎng)、彎頭數(shù)、每段長(zhǎng)度(加熱段、絕熱段和冷凝段)、工作液體的熱物理特性、加熱/冷卻的范圍和模式[9-13]等都會(huì)影響脈動(dòng)熱管的傳熱性能。

在余熱回收領(lǐng)域中,Rittidech 等[14]將脈動(dòng)熱管應(yīng)用到空氣預(yù)熱器中,用于干燥尾氣回收,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)熱空氣溫度從60 ℃升高到80 ℃,熱傳遞效率逐漸上升;工作液體由水換成R123,熱傳遞速率升高。Khandekar[15]研究了脈動(dòng)熱管換熱器在余熱處理中的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)顯示,脈動(dòng)熱管換熱器可以在較高熱流密度條件下應(yīng)用,但在實(shí)際應(yīng)用中,需要更系統(tǒng)和詳細(xì)的研究來(lái)建立該系統(tǒng)。Meena等[16]針對(duì)干燥循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了閉合環(huán)路脈動(dòng)熱管空氣預(yù)熱器,用于降低尾氣濕度并回收其熱量。脈動(dòng)熱管的內(nèi)徑為2 mm,蒸發(fā)及冷凝段長(zhǎng)為0.19 m,絕熱段長(zhǎng)為0.08 m,總長(zhǎng)度為3.58 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,熱空氣的流速為0.5～3 m/s,溫度為50～80 ℃,相對(duì)濕度為100%,熱管內(nèi)填充的工作液體為R134a,充液率為50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨熱空氣溫度上升,傳熱速率增大,相對(duì)濕度由89%～100%降至54%～72%。經(jīng)過(guò)對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱特性的不斷研究,我國(guó)脈動(dòng)熱管技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到加熱爐余熱再生利用系統(tǒng)——遼河油田10 噸注汽鍋爐煙氣余熱回收系統(tǒng),該系統(tǒng)用于加熱注汽爐的進(jìn)水,可以將注汽爐進(jìn)水溫度提高20 ℃左右,排出煙氣溫度降低100 ℃,燃料節(jié)約5%,在采用脈動(dòng)熱管進(jìn)行余熱回收后,每臺(tái)注汽爐每年節(jié)約燃料費(fèi)用可達(dá)到30 萬(wàn)元以上[2]。

本文對(duì)脈動(dòng)熱管換熱器進(jìn)行運(yùn)行特性的研究和設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)果可應(yīng)用于余熱回收及水處理裝置中,為化工、石化、電力、冶金等重點(diǎn)耗能行業(yè)推廣提供設(shè)計(jì)方法。

1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理建立脈動(dòng)熱管測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),其示意圖如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由脈動(dòng)熱管、蒸汽發(fā)生器、空氣加熱器、空氣壓縮機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、流量計(jì)、閥門(mén)、管道及管件等組成,實(shí)驗(yàn)圖片如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)冷熱水箱均選用聚丙烯材質(zhì),壁厚為10 mm,水箱尺寸長(zhǎng)×寬×高為800 mm×80 mm×300 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖片

脈動(dòng)熱管換熱器內(nèi)部安裝一組銅—水閉合回路脈動(dòng)熱管。本實(shí)驗(yàn)中選用銅作為管殼材料。管內(nèi)封裝的工作液體為去離子水,充液率為50%,絕對(duì)壓力為1×10-2Pa。管外徑為4 mm,為保證強(qiáng)度,管壁厚0.5 mm。脈動(dòng)熱管分為加熱段、絕熱段和冷凝段三部分,其長(zhǎng)度分別為250 mm、200 mm 和150 mm。

系統(tǒng)安裝了蒸汽發(fā)生器,為了得到預(yù)期的熱風(fēng)進(jìn)口溫度,在熱風(fēng)管的空氣入口前,安裝了電加熱器。兩個(gè)氣體流量計(jì)分別連接空氣和蒸汽管上,用以監(jiān)測(cè)其流量。蒸汽與經(jīng)空氣加熱器加熱過(guò)的空氣混合后進(jìn)入熱管換熱器的熱段,與冷段的冷卻水通過(guò)脈動(dòng)熱管進(jìn)行熱交換,冷卻水的流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量,混合氣體中不凝汽的含量可通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽和空氣的流量來(lái)控制。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前確定脈動(dòng)熱管熱負(fù)荷范圍,在負(fù)荷范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn),確定啟動(dòng)功率和啟動(dòng)時(shí)間。在不同輸入功率時(shí),觀察壁面溫度曲線(xiàn)的跳躍現(xiàn)象,當(dāng)壁面溫度發(fā)生急劇跳躍現(xiàn)象時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)并監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)啟動(dòng)溫度、啟動(dòng)功率、啟動(dòng)時(shí)間等。啟動(dòng)后,運(yùn)行約10 min,使熱管達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),穩(wěn)定后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),時(shí)間約10～30 min。

開(kāi)啟蒸汽發(fā)生器,通過(guò)蒸汽流量計(jì)觀察流量大小,調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器出口閥門(mén),使流量達(dá)到所需大小。運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫度和壓力。啟用空氣壓縮機(jī)和加熱器,通過(guò)空氣流量計(jì)觀察流量大小,調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)使流量達(dá)到所需大小。經(jīng)加熱器加熱后的熱空氣和蒸汽混合后進(jìn)入換熱器熱段。

1.3 結(jié)果與討論

對(duì)于實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程,目前主要通過(guò)啟動(dòng)性能和傳熱性能兩方面來(lái)對(duì)脈動(dòng)熱管性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通常將脈動(dòng)熱管從開(kāi)始加熱到進(jìn)入穩(wěn)定振蕩運(yùn)行定義為啟動(dòng)過(guò)程,反映的是熱管對(duì)工作環(huán)境溫度變化做出反應(yīng)的過(guò)程。傳熱性能作為熱管在一定條件下傳熱能力的體現(xiàn),是熱管制作研究的重要目標(biāo)。

當(dāng)脈動(dòng)熱管壁面溫度曲線(xiàn)第一次出現(xiàn)波峰、波谷振蕩就說(shuō)明脈動(dòng)熱管開(kāi)始啟動(dòng)。但在低熱負(fù)荷下,有時(shí)工質(zhì)開(kāi)始流動(dòng),但并未發(fā)生明顯相變過(guò)程,這樣在溫度曲線(xiàn)上不會(huì)出現(xiàn)波峰和波谷的變化。因此,在溫度曲線(xiàn)光滑上升階段,如果dt/dτ的值出現(xiàn)明顯改變時(shí),同樣可以認(rèn)為脈動(dòng)熱管開(kāi)始啟動(dòng)。

脈動(dòng)熱管進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行前的階段包括脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)、間歇震蕩和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)震蕩階段。在脈動(dòng)熱管啟動(dòng)后,脈動(dòng)熱管要經(jīng)歷升溫過(guò)程,所以在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后,不能完全避免間歇震蕩。

在分析啟動(dòng)特性和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性時(shí),選擇啟動(dòng)時(shí)溫度跳躍幅度相對(duì)較大,穩(wěn)定性相對(duì)較差的實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3 是冷水流量為80 L/h,蒸汽流量為4.4 m3/h 時(shí),脈動(dòng)熱管壁面溫度的變化趨勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后,脈動(dòng)熱管壁面溫度隨時(shí)間τ的增長(zhǎng)而升高。當(dāng)τ1達(dá)到40 s 后,脈動(dòng)熱管壁面溫度發(fā)生震蕩。在此之前,脈動(dòng)熱管并未啟動(dòng),內(nèi)部工質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài),對(duì)比圖中相同時(shí)間,熱段、絕熱段和冷凝段的壁面溫度,溫度沿脈動(dòng)熱管的軸向略有升高,這是通過(guò)銅管導(dǎo)熱作用使熱量進(jìn)行傳遞。當(dāng)時(shí)間達(dá)到40 s 后,蒸發(fā)段管內(nèi)液體工質(zhì)吸收熱量發(fā)生相變,產(chǎn)生氣泡,氣泡被輸送到冷凝段被冷卻,釋放汽化潛熱,此時(shí)脈動(dòng)熱管啟動(dòng)。受壓差作用,脈動(dòng)熱管內(nèi)部工質(zhì)發(fā)生劇烈震蕩,從而造成啟動(dòng)時(shí)溫度跳躍。

圖3 脈動(dòng)熱管壁面溫度變化趨勢(shì)

間歇性振蕩是脈動(dòng)熱管啟動(dòng)后出現(xiàn)的反復(fù)“停止-啟動(dòng)”的現(xiàn)象。當(dāng)τ1分別達(dá)到78 s、218 s 和410 s 后,脈動(dòng)熱管震蕩停止,溫度呈平滑變化后再次震蕩。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,脈動(dòng)熱管內(nèi)部工質(zhì)不斷積累熱量,直到工質(zhì)能連續(xù)震蕩。間歇震蕩會(huì)影響脈動(dòng)熱管傳熱過(guò)程的穩(wěn)定性。當(dāng)脈動(dòng)熱管傾角為90 ℃或熱負(fù)荷較大時(shí)會(huì)減少間歇震蕩,本組實(shí)驗(yàn)輸入熱負(fù)荷較小,所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)間歇震蕩。在實(shí)際工程應(yīng)用中熱負(fù)荷相對(duì)較大,因此,可以減少間歇震蕩對(duì)傳熱過(guò)程穩(wěn)定性的影響。

當(dāng)時(shí)間達(dá)到478 s 后,脈動(dòng)熱管進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)震蕩階段。在此條件下,脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)時(shí)間為40 s,啟動(dòng)時(shí)溫度跳躍幅度(啟動(dòng)時(shí)最高溫度和最低溫度的差值)為4 ℃,跳躍幅度較小,間歇震蕩時(shí)間為7 min,在此階段出現(xiàn)了溫度急劇跳躍的現(xiàn)象,冷凝段壁面溫差達(dá)到30 ℃。但在此階段停留時(shí)間較短,所以設(shè)備響應(yīng)較快,啟動(dòng)性能較好。

在熱源工質(zhì)中含有硫化物時(shí),為防止低溫腐蝕,將工質(zhì)的溫度控制高于露點(diǎn)20 ℃左右,因此換熱器壁面溫度和流體平均溫度的溫差直接影響了換熱器的應(yīng)用。圖4 為不同含氣率時(shí)流體和壁面溫度的變化趨勢(shì)。隨著含氣率的增大,壁面平均溫度和流體平均溫度的溫差逐漸升高。當(dāng)含氣率高于20%后壁面平均溫度和流體平均溫度的溫差高于20 ℃,當(dāng)含氣率高于40%后其溫差趨于穩(wěn)定,為26 ℃。

圖4 不同含氣率時(shí)流體和壁面的平均溫度變化趨勢(shì)

2 脈動(dòng)熱管設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)原理

以冷源側(cè)水和熱源側(cè)煙氣換熱為例。

1)換熱量計(jì)算

熱端放出熱量Qa計(jì)算式見(jiàn)式(1)。

冷端吸收熱量Qb計(jì)算式見(jiàn)式(2)。

定性溫度計(jì)算式見(jiàn)式(3)。

式中:ρ1和Cv1分別為熱端定性溫度tm1時(shí),煙氣的密度(kg/m3)和比熱(kJ/(kg·K));q1為煙氣流量,kg/s;t1和分別為煙氣進(jìn)出口溫度,℃;ζ為散熱器散熱損失,取5%～10%

2)熱端換熱系數(shù)計(jì)算

煙氣側(cè)雷諾數(shù)Re1計(jì)算式見(jiàn)式(4)。

煙氣側(cè)努謝爾特?cái)?shù)Nu1計(jì)算式見(jiàn)式(5)。

對(duì)流換熱系數(shù)h1計(jì)算式見(jiàn)式(6)。

式中:ν1和λ1分別為熱端定性溫度tm1時(shí),煙氣的黏度(m2/s)和導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K));d0為脈動(dòng)熱管的直徑,m;u1為煙氣側(cè)的迎風(fēng)速度,m/s。

3)冷端換熱系數(shù)計(jì)算

冷端定性溫度計(jì)算式見(jiàn)式(7)。

水側(cè)雷諾數(shù)Re2計(jì)算式見(jiàn)式(8)。

煙氣側(cè)努謝爾特?cái)?shù)Nu2計(jì)算式見(jiàn)式(9)。

對(duì)流換熱系數(shù)h2計(jì)算式見(jiàn)式(10)。

式中:t2和分別為水側(cè)進(jìn)出口溫度,℃;ν2和λ2分別為熱端定性溫度tm2時(shí),水的黏度(m2/s)和導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K));u2為水側(cè)的迎風(fēng)速度,m/s。

4)換熱系數(shù)計(jì)算

管外流體與管外壁的換熱量Q1計(jì)算式見(jiàn)式(11)。

管外壁到管內(nèi)壁的到熱量Q2計(jì)算式見(jiàn)式(12)。

管內(nèi)壁與管內(nèi)工質(zhì)的換熱量Q3計(jì)算式見(jiàn)式(13)～(15)。

式中:h0和hi分別為管內(nèi)、外流體的換熱系數(shù),W/(m2·K);λw為脈動(dòng)熱管導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);di為脈動(dòng)熱管內(nèi)徑,m。

管內(nèi)流體的換熱系數(shù)hi較大,所以忽略1/hi,傳熱公式簡(jiǎn)化為式(16)。

5)換熱溫差計(jì)算

脈動(dòng)熱管壁面的溫度tw計(jì)算式見(jiàn)式(17)。

6)換熱面積計(jì)算

根據(jù)公式Q=KA△t計(jì)算換熱面積。

熱端換熱面積A1計(jì)算式見(jiàn)式(18)。

冷端換熱面積A2計(jì)算式見(jiàn)式(19)。

總換熱面積A計(jì)算式見(jiàn)式(20)。

7)脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)計(jì)算

熱端迎風(fēng)面積Ay1計(jì)算式見(jiàn)式(21)。

冷端迎風(fēng)面積Ay2計(jì)算式見(jiàn)式(22)。

式中:ql和q2分為冷熱端流體的流量kg/s。

迎風(fēng)面寬E計(jì)算式見(jiàn)式(23)。

迎風(fēng)面上管排數(shù)B計(jì)算式見(jiàn)式(24)。

式中:L為熱管長(zhǎng)度;Pl為脈動(dòng)熱管迎風(fēng)面上管間距。

8)脈動(dòng)熱管尺寸計(jì)算

2.2 脈動(dòng)熱管的設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2.1 冷源無(wú)相變

本案例工質(zhì):冷源側(cè)為水,熱源側(cè)為煙氣,初始參數(shù)如表1 所示。

表1 初始參數(shù)

脈動(dòng)熱管的初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示,脈動(dòng)熱管換熱器的初始計(jì)算參數(shù)如表3 所示,脈動(dòng)熱管設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表4 所示。根據(jù)計(jì)算,管脈動(dòng)熱管換熱器尺寸長(zhǎng)×寬×高為1.73 m×0.93 m×1.7 mm。

表2 脈動(dòng)熱管初始參數(shù)

表4 脈動(dòng)熱管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

2.2.2 冷源有相變

在低溫多效蒸發(fā)中,低溫蒸汽可以直接做為熱源。因此,本案例將脈動(dòng)熱管換熱器冷源室設(shè)置于真空條件下,按冷端出口為蒸汽進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。工質(zhì):冷源為水,熱源為煙氣,初始參數(shù)如表5所示。

表5 初始參數(shù)

脈動(dòng)熱管的初始設(shè)計(jì)參數(shù)如表6 所示,脈動(dòng)熱管換熱器的初始計(jì)算參數(shù)如表7 所示,脈動(dòng)熱管設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表8 所示。根據(jù)計(jì)算,管脈動(dòng)熱管換熱器尺寸長(zhǎng)×寬×高為1.73 m×0.58 m×1.7 m。

表6 脈動(dòng)熱管初始參數(shù)

表7 脈動(dòng)熱管換熱器初始參數(shù)

表8 脈動(dòng)熱管換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)論

本文建立了脈動(dòng)熱管測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),分析了脈動(dòng)熱管的啟動(dòng)特性和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性,并分析了在換熱工質(zhì)為水和蒸汽含不凝汽時(shí)脈動(dòng)熱管換熱器的溫度。根據(jù)脈動(dòng)熱管的理論基礎(chǔ),通過(guò)已有文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)及相關(guān)項(xiàng)目的參數(shù),對(duì)脈動(dòng)熱管換熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算,主要結(jié)論如下:

1)在實(shí)驗(yàn)條件下,脈動(dòng)熱管在啟動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生較大的跳躍溫度,間歇震蕩明顯,但間歇震蕩時(shí)間較短,設(shè)備響應(yīng)較快,啟動(dòng)性能較好,在實(shí)際工程中選用脈動(dòng)熱管換熱器回收余熱,流體平均溫度和壁面平均溫度的溫差較小,有效減小腐蝕對(duì)換熱設(shè)備的影響。

2)脈動(dòng)熱管換熱器在設(shè)計(jì)計(jì)算條件下,煙氣側(cè)的換熱系數(shù)最高可達(dá)242 W/(m2·K),相比傳統(tǒng)換熱設(shè)備,脈動(dòng)熱管換熱器的換熱系數(shù)可以達(dá)到普通換熱設(shè)備的2 倍以上。

3)以傳統(tǒng)重力熱管為基礎(chǔ),針對(duì)熱源側(cè)為煙氣的工程實(shí)例設(shè)計(jì)脈動(dòng)熱管換熱器,計(jì)算了脈動(dòng)熱管及換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸。