脈動熱管換熱器傳熱性能試驗研究

劉建紅,劉棟,閻天海,曹欣,巨海嬌,商福民

(長春工程學院 能源動力工程學院,長春 130012)

0 引言

換熱器作為一種能量交換設備,在石油、化工、冶金、電力、空調及其他高耗能行業中得到廣泛應用[1-3]。目前,我國很多能源領域都存在熱回收率不夠高、回收方式不科學等問題,傳統的換熱器由于自身的局限性和受環境地理因素的影響,其換熱能力有限,因此優化和改變換熱器結構類型是換熱器領域的重要研究方向。

脈動熱管是一種結構簡單,可用于微小空間、高熱流密度條件下的高效傳熱元件。相比傳統熱管,脈動熱管具有成本低、結構簡單、無吸液芯、隨意彎曲、傳熱效率高等優點,已經成為國際微電子和傳熱領域的研究熱點。研究者們通過改變脈動熱管結構[4-6]、充液率[7]、傾斜角度[8]、工質物性參數[9-11]、幾何參數[12]等來研究脈動熱管的傳熱特性。史維秀等[13]采用超純水為工質,對脈動熱管水平及傾斜30°時的傳熱性能進行了分析,研究表明低加熱功率下傾角對傳熱性能的影響相對較大,隨著加熱功率的升高,傾角對傳熱性能的影響有所減小。白麗娜等[14]研究了不同真空度對脈動熱管傳熱性能的影響,試驗采用去離子水和納米流體作為工質,分析得出隨著真空度的提高,脈動熱管的啟動功率降低的結論。BASTAKOTI等[15]通過試驗比較不同工質和充液率的脈動熱管的換熱特性,研究表明工質為50%去離子水的脈動熱管的運行熱阻最小,管內能夠形成穩定的循環流動。紀玉龍等[16]通過試驗得出結論:表面浸潤性越強,脈動熱管脈動幅度和頻率也越大,傳熱熱阻降低,傳熱性能增強。

本文設計了一種脈動熱管換熱器試驗裝置,是將脈動熱管與散熱翅片相結合,通過大量的試驗對比分析了在不同恒溫水浴下脈動熱管換熱器的換熱性能,為脈動熱管換熱器的實際應用研究提供了理論依據。

1 脈動熱管換熱器結構

如圖1所示,脈動熱管換熱器是由脈動熱管主體、箱體、隔板等組成。脈動熱管換熱器主體是由20根內徑為5 mm的U形翅片銅管交錯排列組合,并由銅彎頭連接焊接形成一個閉合回路結構,位于下箱體的脈動熱管部分為蒸發段,位于上箱體中帶翅片的脈動熱管部分為冷凝段,中間由隔板隔開。

2 試驗系統及試驗方法

2.1 系統組成

試驗系統由脈動熱管換熱器、數據采集器、恒溫水浴、計算機、流量控制器、風扇、熱線風速儀和熱成像儀組成,如圖2所示。試驗時熱源由恒溫水浴提供,采用流量控制器控制熱水流量,在進風口、出風口、進水口、出水口、蒸發段壁面和冷凝段壁面設置6個熱電偶測溫點,并配以Agilent 34980A型數據采集器進行實時溫度測量,采集頻率為1s-1。

1 脈動熱管換熱器;2 數據采集器;3 恒溫水浴;4 計算機;5 流量控制器;6 風扇;7 熱線風速儀;8 紅外熱像儀圖2 脈動熱管換熱器試驗系統

2.2 試驗方法

本試驗對象為脈動熱管換熱器,管內工質為充液率φ=50%的無水乙醇,熱源溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃,數據采集過程中采用熱線風速儀實時測量出風口的速度,通過測量脈動熱管加熱段和冷凝段的壁面溫度分析脈動熱管換熱器的傳熱性能。

3 試驗分析

3.1 不同熱源溫度下冷凝段壁溫特性對比

圖3為恒溫水浴分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃的冷凝段壁溫變化曲線。從圖中可以看出,當熱源為40 ℃時,冷凝段壁面溫度上升緩慢,振蕩比較微弱,脈動熱管壁面呈現出導熱型升溫的現象,在762 s時,脈動熱管有較為明顯的脈動,這是由于熱源溫度較低,管內局部工質無水乙醇經過吸收熱量蒸發形成氣泡,然后上升至冷凝段,凝結放出的熱量通過壁面和翅片散出,使得冷凝段壁溫突然升高又降低,但整體呈導熱型傳熱,由于汽化潛熱量太小,所以此工況并沒有將脈動熱管的傳熱特性完全發揮出來。

圖3 不同熱源溫度下冷凝段壁溫變化

當熱源為50 ℃時,冷凝段壁面溫度多次出現瞬時大幅度振蕩現象,說明脈動熱管整體已經開始運行;在820～1 411 s時間段出現了小幅度、均勻、高頻率的波動現象,這是因為隨著加熱時間的增加,管內工質壓強逐漸趨于飽和狀態的蒸汽壓,工質蒸發和冷凝形成一個瞬態平衡狀態,此時,液態工質的汽化速度等于汽態工質的冷凝速度,液態工質和汽態工質達到平衡狀態,因此出現均勻高頻率的波動現象;繼續加熱后,脈動熱管蒸發段不斷吸收熱量,溫度不斷升高,蒸汽壓也不斷增大,在1 399 s時,波動呈現無規律形式,此時蒸發-冷凝狀態失衡。

當熱源溫度為60 ℃時,整體振蕩頻率減小,但振蕩幅度遠大于50 ℃時,脈動現象呈間歇性,呈現開始-停止-開始不斷交替的現象。

熱源溫度為70 ℃時,蒸發段的吸熱量迅速增加,熱量大量聚集,阻礙了管內壓力平衡的建立,脈動熱管的工質停滯狀態在工作時間內所占比例逐漸減少,管內工質停滯和脈動的轉換頻率更高,脈動熱管傳熱性能增強。

熱源溫度為80 ℃時,脈動熱管迅速啟動,在56 s時冷凝段出現溫度增高、驟降現象,說明管內工質呈現劇烈無序振蕩,隨著加熱時間的增加,開始進入準穩定脈動模式,劇烈的振蕩強化了脈動熱管的傳熱性能。

3.2 不同熱源溫度下蒸發段壁溫特性對比

圖4為不同熱源溫度下蒸發段的壁溫變化,可以看出當熱源溫度分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃時,脈動熱管分別在650 s、525 s、448 s、150 s和56 s時開始啟動,熱源溫度越高,脈動熱管的啟動時間越短。在熱源為40 ℃時,脈動熱管啟動速度最慢;在熱源為80 ℃時,脈動熱管啟動速度最快,運行過程中振蕩頻率和幅度最劇烈。脈動熱管的啟動時間之所以隨著熱源溫度的增加而變短,是因為無水乙醇的表面張力和黏度隨著熱源溫度的升高而降低,脈動熱管的啟動過程受氣泡的生成、成長和脫離的影響,當表面張力減小時,氣泡生成-成長-脫離的周期也隨之減小,從而縮短了汽塞的累計時間,因此脈動熱管的啟動時間加快,工質在管內受到的摩擦力小,脈動也更加順暢,強化了脈動熱管的傳熱性能。

圖4 不同熱源溫度下蒸發段壁溫變化

3.3 不同熱源溫度對熱阻與傳熱極限變化的影響

通過計算熱阻和傳熱極限值分析脈動熱管的傳熱性能。根據熱阻公式:

R=(Te-Tc)/Q,

(1)

式中:R為脈動熱管熱阻值,℃/W;Te為脈動熱管蒸發段溫度,℃;Tc為脈動熱管冷凝段溫度,℃;Q為熱負荷,W。

圖5為脈動熱管熱阻值變化曲線,從圖中可以看出隨著熱源溫度的升高,脈動熱管熱阻值整體是先升高后降低。熱源溫度<50 ℃時,脈動熱管的熱阻值呈線性增長趨勢;在熱源溫度為50 ℃時,熱阻值最高;熱源溫度>50 ℃后,脈動熱管熱阻值整體呈下降趨勢;熱源溫度為80 ℃時,熱阻值最低。熱阻值的變化反映了脈動熱管的啟動與運行特性。熱源溫度在40 ℃時,雖然脈動熱管蒸發段管內工質不斷吸熱,但由于熱源熱量較少,管內只有局部相變產生,熱阻值較大,脈動熱管沒有完全運行,無法帶動管內整個工質循環振蕩。當熱源為50 ℃時,熱阻值最高,由冷凝段壁溫變化可知此時脈動熱管開始完全運行,但只出現瞬時的脈動現象,說明熱源溫度升高,脈動熱管蒸發段和冷凝段之間壓差增大,推動管內工質運行,但工質在運行過程中需要克服重力、與壁面的摩擦力、毛細力等,遇到的阻力很大,工質運行一段時間就停止,并且導致工質回流速度慢,蒸發段熱量無法有效傳遞至冷凝段。當熱源溫度升高至60 ℃時,熱阻值下降,管內工質流動速度較慢,管內的阻力依然影響工質運行,所以出現運行和停止交替的現象。當熱源溫度繼續升高,至70 ℃和80 ℃時,脈動熱管熱阻值驟降,各種力對管內工質的影響越來越小,氣液兩相振蕩劇烈,流動換熱效果較好。

圖5 不同熱源溫度下熱阻變化曲線

根據傳熱極限公式[17]:

(2)

(3)

(4)

式中:B0為無因次管徑;hfg為工質的汽化潛熱,kJ/kg;K為無因次準則數;h為熱管的傳熱系數,W/(m2·℃);ρl為飽和狀態下液態密度,kg/m3;A為熱管的橫截面積,m2;ρv為飽和狀態下汽態密度,kg/m3;σ為工質的表面張力,N/m;dl為脈動熱管內徑,m;g為重力加速度,m/s2。

圖6為不同熱源溫度下工質的傳熱極限,從圖中可以看出管內工質傳熱極限值隨著熱源溫度的升高而增大,說明管內工質總體攜帶的熱量也隨之增加,因此冷凝壁面溫度波動的幅度越大,脈動熱管振蕩越劇烈,傳熱效果越好。當傳熱極限很小時,隨著汽液間相對速度增大,汽液界面的剪切阻力會阻止冷凝液回流至蒸發段,在冷凝段聚集大量汽、液介質,蒸發段卻無冷凝液回流,最終會導致蒸發段干燒,使得脈動熱管傳熱性能惡化。

圖6 不同熱源溫度下工質的傳熱極限

4 不同熱源溫度下換熱器換熱性能分析

本文利用紅外熱像儀選取了同一時刻(1 600 s)時,熱源溫度分別為40 ℃、60 ℃和80 ℃下的冷凝段散熱輻射變化和出風口溫度變化。從圖7中可以看出,隨著熱源溫度不斷升高,冷凝段向外輻射散出的熱量也隨之增加;由圖8可知,出風口溫度隨著熱源溫度的增加而升高。

(a)40 ℃

(b)60 ℃

(c)80 ℃圖7 不同熱源溫度下冷凝段散熱輻射變化

圖8 不同熱源溫度下出風口溫度變化曲線

由圖7和圖8可以看出,隨著熱源溫度的增加,脈動熱管內工質循環振蕩效果加強,脈動熱管換熱器的冷、熱段交換的熱量增多,冷卻風從冷凝段與翅片中帶出的熱量增加,使出風口溫度不斷升高,換熱器換熱性能較好,換熱效率不斷提高。

圖9為不同熱源溫度下脈動熱管換熱器換熱效率變化曲線,從圖中可以看出換熱效率與熱源溫度成正比關系,當熱源為80 ℃時,換熱效率達到54%,換熱器的冷熱段換熱量不斷增加,冷凝段散熱效果較好,脈動熱管換熱器的換熱性能較好。

圖9 不同熱源溫度下換熱器換熱效率

5 結論

本文設計了一種用于余熱回收的脈動熱管換熱器,對脈動熱管冷熱段壁溫、啟動時間和換熱器的換熱效率進行了對比分析,得出結論:

1)熱源溫度較低時,管內工質只有局部發生氣液相變,管內幾乎沒有振蕩現象,偶爾出現瞬時的脈動,隨著熱源溫度的升高,管內工質整體發生相變,脈動熱管振蕩頻率變高,幅度增大,脈動熱管的傳熱性能得到強化。

2)隨著熱源溫度的升高,脈動熱管的熱阻先升高后降低,并在熱源為50 ℃時,熱阻達到最大值,管內工質運行需要克服一些阻力,達到峰值后,熱阻值逐漸變小,對管內工質的流動影響越來越小。

3)熱源溫度越高,脈動熱管換熱器換熱效率越高,熱源為80 ℃時,換熱效率達到54%。