重力热管换热性能的优化分析.pdf

第35卷第1期
华电技术
2013年1月
Huadian Technology
Jan.2013
重力热管换热性能的优化分析
程伟良,狄安,季辉,幻建辉
(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206
摘要:热管在工业余热利用及其他特殊行业有重要的应用价值,因此,对传热性能优化及综合设计进行研究具有重要
意义。分析了影响重力热管热传输性能的3个要素,即管外翅片、管壳管径及管内工质充液率。通过试验得到了充液率
和导致热管失效的输人热流密度的关系,在试验数据的基础上着重分析了热流密度对不同充液率的热管内部汽液分布
的影响。
关键词:重力热管;换热性能;充液率;汽液分布
中图分类号:TK172.4
文献标志码:A
文章编号:1674-1951(2013)01-0023-04
重力热管的传热热阻分为3部分:管外流体对
0引言
流换热热阻、管壁导热热阻及工质相变换热热阻。3
热管是一种高效的换热元件,具有较高的传热部分热阻并不相同:管外热阻为10-2~10-1
能力,热管熱传输的核心是利用其管内工质的吸热℃/W,管壁导热热阻约为10℃/W,管内换热热阻
汽化及放热凝结。与单纯的导热相比,热管传输的约为103℃/W,蒸发段与凝结段蒸汽传热热阻
热量要大得多,并且热管的结构设计灵活多变,适用为10"℃/W。故本文针对其管外、管壳及工质3个
于很多行业。自1964年美国的 G M Grover发明热要素进行分析,寻求各部分在正常工作前提下的传
管后,热管已在众多换热领域发挥了重要的作用。热热阻小、制造成本低及热传输能力大的最佳方案。
比如在航空业,使用热管束来降低飞行器与空气高
速摩擦产生的局部高温;在电子工业,使用格聋1管外换热性能的优化分析
为CPU散热?;在能源动力行业,大多数情况下利
大多数烟气余热回收工程均采用管外加翅片的
用热管进行余热回收]。本文将重点讨论能源动方式减小管外换热热阻,翅片的热管换热热阻的计
力行业中广泛使用的重力热管的换热性能状况,通算式为
过分析得出重力热管性能参数的优化选择。
R
标准热管由管壳、管芯及管内工质3部分组成,
而重力热管仅由管売及管内工质2部分组成。在重式中:R为热管管外换热热阻;a为管外对流换热系
力热管受热段,管内工质吸收热量汽化,此段也叫蒸数;A为热管外部翅片面积和翅片间光管面积之和;
发段;在蒸汽压力的推动作用下,汽化的工质上升,η为翅片热管肋化总效率。
在热管上端低温段放出热量凝结成液态,此段为重
由式(1)可知:a与管外流体流动状态以及热管
力热管凝结段;凝结液体在重力作用下,回流到热管管外翅片的结构有关,设计时增加翅片面积,热管管
下端的素发段。重力热管就是在这样的管内工质汽外热阻将减小。对于工程上常用的圆环形翅片,可
化一凝结→回流的循环过程中连续工作。
采取增加翅片高度、减小翅片间的距离以及增加翅
热管作为一种热传输元件,既不产生熱量,也不片厚度的方法来实现増加单位长度热管上翅片面积
消耗热量,其热传输性能的优良与否和热管蒸发段的目的。并不是管外增加的翅片面积越大管外换热
热量的传入、管内工质对热量的传输、凝结段热量的热阻就越小,这是因为管外翅片结构的改变也会影
输出3个环节直接相关。本文对热传输环节中的影响翅片的效率,从而影响翅片材料的投入量,其制造
响因素进行分析,以寻求换热性能高且投资成本低成本的增加与换热系数的提高之间存在着一个最优
的热管结构。
的选择。参考文献[5]指出,随着翅片高度的增加,
翅片根部与翅端的温差会越来越大,翅片效率随之
收稿日期:2012-08-18
降低,从而影响肋化总效率n。管外换热总面积A
基金项目:生物质发电成套设备国家工程实验室开放基金增加,翅化面总效率η却减小,管外换热热阻减小
(KZ0015)
程度不明显,造成金属材料过度投入,热回收经济性
华电技术
第35卷
提高却很少,间接导致了金属材料的浪费,没有达到热管的制造成本。
理想效果。
水属于中温段工质,在热管内部的工作温度范
可通过翅片结构的改变来进行实例分析?,当围为50~250℃,最高温度极限是300℃。因水具
环形翅片厚度δ分别为1,2,3mm,翅片高度ん为有较宽的工作温度范围,决定了它成为工业上使用
0~20mm时,随着翅片高度的增加,所投人的材料的重力型热管的首选工质。出于成本的考虑,重力
也增多,但是换热系数的増加速率并不与之呈线性热管管売材料一般选用优质碳素钢,尽管水和碳钢
关系。特别是当6为1mm时,换热系数随翅片高度不相容,在一定温度下会发生化学反应并产生不凝
增加而增加,其增加的幅度在这3种翅片厚度中最性气体一氢气,但经过重铬酸钾钝化处理的碳素
大,即达到相同的强化换热效率时,消耗的金属量最钢表面会生成一层Fe204氧化膜,该氧化膜将阻止
小。当8为0.15~0.50mm,翅高比(即翅片高度与水和碳钢管壳进一步发生化学反应,故エ业上所
厚度之比)b/6=30时,随着翅片厚度和翅片高度的用的重力热管一般又可以叫作钢-水热管。
增加,达到相同的换热效率时,所需的热管翅片材料
从热管的热交换情况可知,管内工质的热传输
最少。
过程可直接影响热管的工作性能。蒸发段管内工质
重力热管管壳的选择
吸热汽化、蒸汽在冷凝段管壁凝结放热以及凝结液
回流这3个环节构成了工质的循环,若其中一个环
由前述的热管各部分热阻大小可知,热管管壁节遭到破坏,热管就不能正常工作,传入热量的大小
的导热热阻不算大。在选择管壳直径与厚度时,首影响着管内工质循环的性能。
先要保证热管有安全工作的厚度,即在工质最大工
具有一定充液率的热管,外部输人热流密度的
作压力下,管壁不会被蒸汽撑破,管壁安全厚度的计变化会改变管内汽液分布,从而影响热管的工作性
算公式为7
能。本文通过试验研究了不同充液率(工质充装体
1. lpdo
0.5
(2)积和热管蒸发段容积之比)与极限输人热流密度的
关系,分析了相关的汽液分布状况。该试验采用
式中:为管壁厚度;p为热管最大工作压力;o为根管长36cm、管壳外径2cm、壁厚0.2cm、蒸发段长
热管外径;[o]为热管材料许用应力。
15cm的重力热管为研究对象,分析不同充液率所
以工业上常用的钢ー水型重力热管来分析,取对应的使热管失效的蒸发段输入热流密度。
热管工质水的极限工作温度为300℃,热管管壳材
判断热管失效的方法是:调整缠绕在热管蒸发
料为优质20号碳素钢,利用式(2)计算不同管径所段电热丝的端电压,使电热丝发热功率发生改变,即
对应的安全壁厚,结果见表1
改变了蒸发段输人热流密度。当热电偶测得的蒸发
表1热管外径与管壁安全厚度关系
段管壁温度急剧升高时,可以认为此时重力热管
项目
参数
失效。
热管外径dω
该试验系统分为3部分(如图1所示):上部是
管壁安全厚度δ
≥1,44≥1.91≥2.38≥2.85
热管的放热部分,热管内工质凝结释放的热量被管
由表1可以看出,选用大管径热管时,为了安全外空气带走;中间部分是竖直热管的绝热部分,外面
考虑,其管壁厚度也栢应加大,这样就加大了管壳材敷设水平隔板;下部是热管的工质吸热汽化部分,在

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