傾角對三相閉式重力熱管傳熱性能的影響

姜 峰,林一鳴,馬宇鑫,齊國鵬,李修倫

重力熱管(TPCT)是一種高效的換熱器,它利用工質在管內的相變傳熱來實現熱量從熱源到冷源的傳遞。 由于其具有導熱性能高、自身結構簡單和使用操作方便等諸多優點,現已在核反應過程中的冷卻換熱[1,2]、地熱能源的利用[3,4]、太陽能的使用[5,6]和LED 燈的散熱[7]等換熱領域得到了較為廣泛的應用。

能源緊張和環境問題的日趨彰顯,對換熱設備的強化傳熱提出了更高的要求。 因此,研究人員圍繞TPCT 的強化傳熱方式進行了許多的探索。 到目前為止,相應的強化傳熱方法主要集中在改進熱管內部結構[8-10]、表面修飾[11-14]和使用新工質[15-26]等3 個方面。

與改進熱管內部結構和表面修飾相比,使用新工質可以減少設備結構的復雜性和加工成本。 目前的新工質主要包括混合流體[15,16]、 全氟介質[17,18]、自潤濕流體[19,20]和納米流體[21-24]。 其中,納米流體由于其優異的熱物理性能而得到了更多的關注。 一些實驗結果表明,在使用納米流體后,TPCT 的熱性能得到了明顯地提升。 Choi 等[23]使用了纖維素納米流體,研究了該新工質對TPCT 傳熱性能的影響。 他們發現,使用該新工質后,TPCT 的臨界熱流密度提升了14.3%,沸騰傳熱系數提高了71.74%。 Xu 等[24]考察了單納米流體和雜化納米流體在TPCT 中的傳熱性能,并與去離子水進行了比較。 結果表明,納米流體最大可將TPCT 的熱阻降低26.8%。

但也有一些研究指出,在使用某些納米流體后,TPCT 的傳熱性能發生了下降[25,26]。 Khandekar等[25]的研究表明,與純水相比,3 種水基納米流體均增加了TPCT 的總熱阻。 Chen 等[26]考察了水基SiO2功能化納米流體TPCT 的傳熱特性。 結果表明,使用該新工質后,蒸發段的傳熱系數與熱流密度均發生了減小。 此外,納米顆?；蚣{米流體的制作工藝復雜、成本高,且其穩定性難以滿足長時間連續使用,這些都限制了納米流體的工業應用。

流化床換熱節能技術(FBHFPT)可應用于換熱設備[27,28],形成高效的流化床換熱裝置。 惰性固體顆粒在流化后可使流動和傳熱邊界層得到減薄甚至破壞,降低了傳熱過程的阻力,進而實現傳熱過程的強化。 同時,換熱壁面受到顆粒的碰撞后,還能有效防止溶液在近壁面處出現過飽和,使結垢誘導期得到較大的延長,從而實現在線防垢的作用。此外,傳熱過程的強化還能夠使管壁溫度下降,有利于減少對管壁的腐蝕。 該技術已經引起了研究者廣泛的關注[29-32],已在工業上具有了一定的應用。

因此,將FBHFPT 應用于TPCT,開發出三相(V/L/S)閉式重力熱管(THPCT),促進了TPCT 傳熱強化方法的發展。 Jiang 等[33-38]以水作為工質,構建了THPCT,并初步對其傳熱性能進行了實驗研究。 他們發現,在不同的操作條件下,THPCT 的傳熱增強效果均比較理想。 但THPCT 的實驗研究還處于起步階段,到目前為止,關于THPCT 的熱性能隨傾角變化的規律,還沒有文獻進行相關的報道。而加入的惰性固體顆粒存在于液池中,熱管傾角的變化又會影響熱管內部相的分布和顆粒的流化,進而改變傳熱效果。 Gou[39]和Kim[40]考察了傾角對TPCT 傳熱性能的影響。 結果表明,傾角對冷凝傳熱系數的影響大于對沸騰傳熱系數的影響;在傾角為60°時,重力熱管具有較好的傳熱性能。 因此,本研究擬開發傾角可變的THPCT,實驗研究其傳熱性能隨傾角變化的規律。 所用的熱管殼體材料為紫銅,工作流體為水,固相工質分別為碳化硅(SiC)、聚甲醛(POM)和玻璃珠顆粒。

1 實驗

1.1 實驗裝置及流程

本研究開發并組裝了可變傾角的THPCT,如圖1 和圖2 所示。 實驗裝置包括3 部分,分別是數據采集系統、真空泵和熱管。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Diagram of the experimental apparatus

圖2 可變傾角的重力熱管Fig.2 THPCT with variable inclination angle

實驗所用的熱管為長600 mm,管徑Ф22 mm×1.5 mm 的紫銅管,可分成3 個部分,分別是冷凝段(220 mm)、絕熱段(140 mm)和蒸發段(240 mm)。

實驗所用的加熱裝置是由鎳鉻電阻絲制造的加熱帶,蒸發段由該加熱帶進行加熱。 冷凝段由冷凝夾套所包裹,使用冷卻水移走冷凝潛熱。 為測量熱管內部的真空度和操作壓力,在熱管冷凝段的上端安裝了真空壓力傳感器。 冷卻水的體積流量保持在20 L·h-1,其值由轉子流量計來測量,冷卻水的進口和出口溫度均利用熱電阻溫度計測量。

為對熱管外壁溫度進行測量,本研究在熱管左右兩側各選取了11 個對稱的測溫點,并安裝了熱電阻溫度計,同時進行了引線電阻補償。 其中,蒸發段5 對,絕熱段2 對,冷凝段4 對。 為使熱量損失降到最低,還在熱管外壁面處包裹了保溫棉。 利用真空泵把熱管內的空氣抽出,并達到指定真空度(95 kPa)。 熱管穩定運行時的工作溫度為19 ～76℃,壓力范圍(表壓)為-93.6 ～-79.20 kPa。 利用AI-501 MF 數字儀表來顯示溫度及壓力,并采用“組態王”軟件將實驗數據自動采集并保存到電腦中。圖1 列出了實驗所用儀表的相關型號及規格。

首先將一定量的水和固體顆粒加入到閉式重力熱管中。 然后打開真空泵,待熱管內部壓力達到指定真空度后,切斷熱管與真空系統的連接,使其處于真空狀態。 打開冷卻水,調節轉子流量計使冷卻水流量保持在20 L·h-1。 打開加熱裝置,將加熱功率調節到指定值。 待熱管穩定運行后(即20 min內所有熱電阻溫度計的溫度變化均小于1 ℃),即可采集壓力和溫度數據。 改變加熱功率、傾角和顆粒種類等參數,重復上述實驗。 每個條件重復3 次,以檢查數據的重復性。

表1 儀表型號及規格Table 1 Specifications and models of the apparatuses

1.2 實驗工質及參數

實驗中選用水作為液體工質,添加的惰性固體顆粒分別為碳化硅(SiC)、聚甲醛(POM)和玻璃珠顆粒。 3 種顆粒都具有較好的耐磨性能及腐蝕性能,其中,碳化硅顆粒密度大,導熱系數高,粒徑小;聚甲醛顆粒粒徑較大、密度較小、導熱系數低;玻璃珠粒徑較小,密度和導熱系數適中。 固體顆粒的相關物性如表2 所示。

表2 固體顆粒的物性Table 2 Physical properties of the solid particles

本實驗研究了顆粒類型、傾角和加熱功率對THPCT 傳熱性能的影響。 實驗中使用的充液率(管內液體的體積與熱管的總容積之比)和固含率(管內固體顆粒的堆體積與液體的體積之比)分別為20%和10%。

1.3 數據處理和誤差分析

當傳熱達到穩態時,利用冷卻水從熱管內吸收的熱量,來計算熱管的傳熱速率,如式(1)所示。

式(1)中:ρw為水的密度;Vw為水的體積流量;cpw為水的比熱容;ti和to分別為水的進、出口溫度;Qc為傳熱速率。

采用總熱阻R、蒸發段熱阻Re和冷凝段熱阻Rc來評估熱管的熱性能,如式(2)、(3)和(4)所示。

式(2)～(4)中:Tei和Tci分別為蒸發段和冷凝段的平均內壁溫,Ts為絕熱段的平均外壁溫,可作為液相工質的飽和溫度。 可利用一維圓筒壁在穩態時的傳熱速率方程和平均外壁溫來計算平均內壁溫,如式(5)和(6)所示。

式(5)～(6)中:do與Le分別為熱管的外徑和內徑;Lc與Le分別為冷凝段長度與蒸發段長度。λ0=383.79 W·m-1·℃-1,為0 ℃時銅的導熱系數;b=- 1.2 × 10-4℃-1, 為銅的溫度系數。

使用對流傳熱系數來評估蒸發段及冷凝段2 部分的傳熱性能。 計算分別如式(7)和(8)所示。

分別采用總熱阻減少率Er和增強因子E來描述THPCT 的傳熱增強效果,如式(9)、(10)和(11)所示。

式(9) ～(11)中:Rth和Rt分別為THPCT 和TPCT 的總熱阻;heth和het分別為THPCT 和TPCT的蒸發段對流傳熱系數;hcth和hct分別為THPCT 和TPCT 的冷凝段對流傳熱系數。

本研究中計算了傳熱速率、蒸發段和冷凝段對流傳熱系數以及總熱阻,并進行了不確定度分析,參考式(12)～(15)。

本實驗中,傳熱速率、蒸發段和冷凝段對流傳熱系數以及總熱阻的不確定度分別為6.79%、7.12%、6.82%和6.80%。

2 結果與討論

2.1 不同傾角下THPCT 的強化傳熱性能

圖3 所示為傾角和加熱功率對THPCT 總熱阻減少率的影響。 由圖3 可知,總熱阻減少率基本上隨著傾角和加熱功率的增加而波動變化。

圖3 傾角對總熱阻減少率的影響Fig.3 Effect of inclination angle on the reduction rate of the overall thermal resistance

大多數情況下,SiC 和聚甲醛顆粒都能夠降低熱管的總熱阻,使傳熱得到強化,而玻璃珠顆粒卻使總熱阻升高,傳熱發生了惡化。 加入碳化硅和聚甲醛顆粒時,最大的總熱阻減少率分別為25.7%和39.4%,均在θ=30°和Q=100 W 時獲得。

一方面,熱管內的固體顆粒主要分布在液池中。 液池受到沸騰汽泡的擾動,湍動程度加劇,導致了顆粒的流化。 而在流化后,顆粒會以剪切和碰撞的方式作用于加熱壁面,使流動與傳熱邊界層被破壞,使傳熱熱阻減小。 同時,顆粒直接和蒸發段的加熱壁面發生碰撞,還可以使汽化核心進一步增加,使汽泡脫離壁面時半徑減小,加快汽泡的脫離,從而強化沸騰傳熱。 此外,大汽泡在流化顆粒的作用下,更易變為小汽泡。 而從液池中逃逸出的小汽泡可以減少液膜夾帶,可以使附著在壁面上的液膜變薄,減小傳熱阻力。 另一方面,顆粒加入后,顆粒床層也會增加流體的流動阻力,對液池中汽泡的運動有較大的阻礙,使沸騰傳熱過程的傳熱速率降低。 同時,在離開液池時,會出現較大的汽泡,增加液膜的夾帶量,使冷凝段傳熱阻力增加。

綜合對比實驗中的3 種顆粒,玻璃珠顆粒粒徑小,密度較低,沉降速度小,流化效果較好,對加熱壁面和邊界層的作用更強,因此可以有效地強化蒸發段的傳熱,如圖4(c)所示。 而碳化硅和聚甲醛顆粒由于密度或尺寸較大,沉降速度高于玻璃珠顆粒,流化效果較差,因此在加入碳化硅顆粒后,蒸發段的傳熱增強效果并不如玻璃珠。 同時,沸騰傳熱由于汽泡從液池逸出時受到顆粒床層的阻礙而被抑制,因此,使得碳化硅和聚甲醛顆粒的加入在一些情況下惡化了蒸發段的傳熱,如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 傾角對蒸發段增強因子的影響Fig.4 Effect of inclination angle on the enhancement factor of the evaporation section

然而,重力熱管的傳熱效果取決于蒸發段與冷凝段兩部分。 流化程度較好的玻璃珠顆粒,其床層對汽泡在液池中上升和逸出所形成的阻力較大;同時,由于其粒徑較小和密度較低,對蒸發段液池中上升汽泡的撞擊力和破壞程度也較小,不利于將大汽泡破碎成小汽泡,因此導致了較為嚴重的液膜夾帶,使附著在冷凝段表面的液膜進一步變厚,使冷凝段的傳熱阻力增加,導致傳熱發生了惡化,如圖5(c)所示。 而碳化硅和聚甲醛顆粒由于密度或尺寸較大,有利于將大汽泡破碎成小汽泡,減輕液膜夾帶,強化冷凝段的傳熱,如圖5(a)和圖5(b)所示。 因此,在蒸發段和冷凝段的共同作用下,SiC 和POM 顆粒的加入基本上均可以降低總熱阻,強化傳熱,而玻璃珠顆粒的加入基本上增加了總熱阻,使傳熱發生了惡化。

圖5 傾角對冷凝段增強因子的影響Fig.5 Effect of inclination angle on the enhancement factor of the condensation section

2.2 操作參數對閉式重力熱管傳熱性能的影響

圖6 描述了加熱功率和傾角對總熱阻的影響?？偟膩碚f,TPCT 和THPCT 的總熱阻在4 個傾角下均隨著加入功率的增加而降低,但其程度不斷變小。 在同一加熱功率條件下,總熱阻基本上隨著傾角的增加而波動變化,最大值一般出現在傾角為30°時;但加熱功率增加后,4 個傾角所對應的總熱阻之間的差異不斷變小。

圖6 傾角對閉式重力熱管總熱阻的影響Fig.6 Effect of inclination angle on the overall thermal resistance of the THPCT

總熱阻是蒸發段和冷凝段傳熱阻力的整體反映。 圖7 和圖8 所示分別為蒸發段對流傳熱系數和冷凝段對流傳熱系數隨著傾角的變化趨勢。

圖7 傾角對蒸發段對流傳熱系數的影響Fig.7 Effect of inclination angle on the convective heat transfer coefficient of the evaporation section

圖8 傾角對冷凝段對流傳熱系數的影響Fig.8 Effect of inclination angle on the convective heat transfer coefficient of the condensation section

如圖7 所示,蒸發段對流傳熱系數一般隨著加熱功率和傾角的增加而波動。 一方面,加熱功率增大后,蒸發段的壁面過熱度會增加,汽化核心增加,有利于液池的泡核沸騰。 液池內汽泡的劇烈運動加劇了液池的湍流,有利于顆粒的流化,增強了相間作用,亦有利于強化傳熱。 另一方面,在加熱功率提高后,汽泡數量增多,導致汽膜于加熱壁面生成聚集,進而增大了傳熱阻力。 同時,顆粒的流化也一定程度上阻礙了汽泡從液池的逸出,使沸騰傳熱過程阻力增加。 受以上兩方面因素的影響,加熱功率的增加導致蒸發段對流傳熱系數隨之波動變化。

在重力作用下,隨著傾角的增加,汽泡在液池中上升的浮升力減小,不利于汽泡從液池中逸出,進而抑制了汽泡脫離壁面和泡核沸騰。 同時,汽泡傾向于附著在蒸發段左側加熱壁面(圖2)上,不易脫離,形成汽膜,從而增大了對流傳熱阻力。另一方面,隨著傾角的增加,蒸發段與冷凝段的高度差縮小,有利于蒸汽從蒸發段液池表面流向冷凝段,促進汽泡從液池中逸出,促進沸騰傳熱。 同時,傾角增加降低了蒸發段液池液位的豎直高度,汽泡更容易從蒸發段右側的加熱壁面(圖2)脫離,進而促進沸騰傳熱。 由于以上因素的影響,在傾角增大時,蒸發段的對流換熱系數隨之波動變化。

加熱功率增大使得冷凝段的對流傳熱系數增加,而傾角的增大卻使其波動變化,如圖8 所示。 此外,在不同的加熱功率下,基本上傾角為30°時冷凝段的對流傳熱系數最小。

加熱功率增加,單位時間內產生的蒸汽量增大。 從液池到冷凝段的蒸汽流速增加,冷凝段的液膜受到更強的擾動,液膜內部湍動程度增大,從而減小了冷凝段的傳熱阻力,強化了冷凝段的傳熱。

傾角的增大減小了冷凝段液膜回流的驅動力,液膜回流速率變小,使附著在冷凝段壁面上的液膜變厚,導致冷凝段傳熱阻力增大。 另一方面,如前所述,蒸發段與冷凝段的高度差隨傾角的增大而減小,因此降低了蒸汽從液池表面到冷凝段的流動阻力,促進了蒸汽的流動,增強了對液膜的擾動,使冷凝傳熱阻力減小。 由于以上因素的影響,在傾角增大時,冷凝段的對流傳熱系數隨之波動變化。 圖9所示為閉式重力熱管內壁溫的軸向分布,壁溫隨著傾角的增加而波動,進一步反映了傾角對對流傳熱的影響。

圖9 傾角對THPCT 內壁溫的影響Fig.9 Effect of inclination angle on the inner wall temperature of THPCT

圖10 所示為傾角和加熱功率對冷凝段與蒸發段熱阻比值的影響。 由圖10 可知,冷凝段的熱阻明顯高于蒸發段。 因此,由總熱阻所反映的傳熱性能變化趨勢與冷凝段對流換熱系數所反映的趨勢相似,如圖6 和圖8 所示。

圖10 冷凝段與蒸發段的熱阻比率Fig.10 Ratio of the thermal resistance of the evaporation section to that of the condensation section

在加熱功率增大時,熱阻比率在不同傾角下隨之減小,但減小的程度不斷下降。 在一定的加熱功率下,熱阻比率一般隨傾角的增加而波動,但不同傾角之間熱阻比率的差異隨加熱功率的增大而減小。 碳化硅和聚甲醛顆粒的加入降低了冷凝段與蒸發段的熱阻比率,而玻璃珠顆粒的加入提高了熱阻比率。 結合圖7、圖8 和圖10 可知,加熱功率和顆粒類型對冷凝段傳熱的影響更為顯著。

圖11 為總熱阻的三維等高線圖。 圖11 中描述了傾角、加熱功率和顆粒類型對總熱阻影響的變化規律,有助于確定三相閉式重力熱管的最適宜工藝參數范圍,指導工業實踐。

圖11 總熱阻隨操作參數變化的三維等高線圖Fig.11 3D contour map of the overall thermal resistance varying with operating parameters

3 結論

在不同的顆粒類型和加熱功率條件下,實驗探究了傾角對銅/水THPCT 傳熱性能的影響,并得到了以下結論。

(1)在不同的傾角下,SiC 和POM 顆粒均能明顯提高重力熱管的傳熱性能,其總熱阻減少率最大分別為25.7%和39.4%;玻璃珠顆粒惡化了重力熱管的傳熱。

(2)TPCT 和THPCT 的總熱阻均隨傾角的增加而波動。 加熱功率的增加導致總熱阻減小,但程度不斷下降。

(3)在傾角增大時,蒸發段和冷凝段的對流傳熱系數均隨之波動變化。 加熱功率對冷凝段傳熱過程的影響比蒸發段的更為顯著。 在大多數情況下,碳化硅或聚甲醛顆?？梢詮娀舭l段和冷凝段的傳熱;玻璃珠顆?？梢暂^好地強化蒸發段的傳熱,但基本上惡化了冷凝段的傳熱。

(4)冷凝段的熱阻明顯高于蒸發段,對總熱阻產生了更大的影響。 在加熱功率增大時,蒸發段和冷凝段的熱阻比率在4 個傾角下均隨之不斷減小,但程度不斷降低。 熱阻比率一般隨傾角的增加而波動,但不同傾角之間的差異隨加熱功率的增大而減小。 碳化硅和聚甲醛顆粒的加入降低了熱阻比率,而玻璃珠顆粒的加入增加了熱阻比率。

(5)繪制了總熱阻隨操作參數變化的三維等高線圖。 在后續研究中將進一步考察多尺度混合顆粒對THPCT 傳熱性能的影響,并使用CFD 中VOF模型和DPM 模型對THPCT 進行數值模擬。