大型分离式热管换热器的模型实验研究.docx

1997年6月JournalofEastChinaShipbuildingInstituteJun.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:热管;换热器;试验/分离式热管中图法分类号:TK172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,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?32×3.5mm的无缝钢管组成,它们分别与6根?45×3的上、下联箱管连接,上、下联箱中心距为450mm,蒸发段12根收稿日期:1996—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,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=(0.4～2.8)×10W/m2,工作压力pv=(0.076～0.21)MPa,充液率α=40%～100%。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,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