分離式螺旋熱管

分離式螺旋熱管是指一種蒸發段與冷凝段相互是分開的螺旋形傳熱的高效傳熱器件。從分離式螺旋熱管系統的內部運行機理來看，它是一種汽液自然循環系統。分離式螺旋熱管是將螺旋熱管與分離式熱管的結合，分離式螺旋熱管包括四部分：結蒸發段、蒸汽上升管、冷凝段和液體下降管是構成。蒸發段與冷凝段相互是分開的，兩個換熱器通過蒸汽上升管與液體下降管進行連線，構成一個自然迴路循環。詳細介紹了分離式熱管、分離式螺旋熱管的蓄冰過程模型、放冷特性模型以及換熱模型。

基本介紹

• 中文名：分離式螺旋熱管
• 外文名：Separated helical heat pipe
• 英文縮寫：SHHP
• 類型：傳熱元件
• 領域：能源
• 學科：熱力學

分離式熱管

國外分離式熱管換熱器的研製開始於20世紀80年代。這種換熱器可實現遠距離傳熱，避免大直徑煙風道遷移;可實現一種流體與多種流體間的換熱;具有良好的密封性能;方便順逆流混合布置;大幅調整蒸發段與冷凝段的面積比還可使冷熱流體完全隔開;適用於換熱裝置大型化等優點。因此，很快引起了我國科技工作者的重視，並進行了廣泛的基礎理論和工程套用研究。

分離式熱管中探索研究和套用最廣泛的屬重力型分離式熱管(以下稱為分離式熱管)，其中，中科院工程熱物理研究所與上海711研究所一起進行了有關分離式熱虹吸管組的換熱特性研究;上海海運學院研究了分離式熱管換熱器系統的模型實驗;東北工學院針對分離式熱管元件隨著熱管的套用進一步深入換熱器在大型化的發展，如在化工、電站、煉鐵等工業部門，要從大量的煙氣中回收廢熱和餘熱，有時為了保證安全，不允許各種流體之間相互滲漏，傳統的熱管換熱器在總體布置方式和輔助循環設備方面都受到相當大的制約，因此基於上述原因，學者們研究開發了分離式熱管。

分離式螺旋熱管簡介

螺旋熱管與直管相比不僅具有較大的換熱係數,而且其單位體積具有較大的換熱面積。分離式螺旋熱管是將螺旋熱管與分離式熱管的結合，分離式螺旋熱管包括四部分：結蒸發段、蒸汽上升管、冷凝段和液體下降管是構成。蒸發段與冷凝段相互是分開的，兩個換熱器通過蒸汽上升管與液體下降管進行連線，構成一個自然迴路循環。系統工作時，對熱管進行抽真空並加入一定量的工質，當這些工質匯集於蒸發段並受熱後，工質蒸發，伴隨內部蒸發壓力升高，使產生的較高壓蒸汽通過蒸汽上升管到達冷凝段並釋放出氣化潛熱而被冷凝成液體，重力作用下，冷凝液體經液體下降管重新回到蒸發段，如此實現循環往復運行。由於一般不在蒸發段加入吸液芯，冷凝液依靠重力作用回流，所以分離式螺旋熱管系統的冷凝段必須保證高於蒸發段。蒸汽上升管與液體下降管之間的密度差產生壓頭以平衡工質流動的壓力損失套用於冰蓄冷空調的蒸發段,在圓柱型的蓄冷桶內裝有兩組螺旋熱管,螺旋熱管內充入了熱管介質,熱管介質從螺旋熱管底部進入,在螺旋管內蒸發吸熱,然後從螺旋熱管上部流出,而熱管外部的蓄冷材料因放熱凝固而蓄冷。熱管介質進入螺旋熱管之前是液體,在螺旋管內因蒸發吸而變成氣液兩相流動。由於熱管介質在螺旋熱管內進行的是氣液相變換熱,其換熱係數和換熱量遠高於普通的冰盤管蓄冷系統。

分離式螺旋熱管融冰放冷特性模型

在完成蓄冰過程的蓄冷桶內,熱管管外結有一定厚度的冰,在其周圍充滿了溫度高於結冰點的水。蓄冷桶內的低溫水通過循環泵輸送到用戶末端裝置,釋放出冷量後循環水溫度升高再返回到蓄冷桶。熱管管外的冰是從外表面開始向內逐漸融化,屬於外融冰方式。外融凍的液相區有較明顯的流動,固-液相界面的形狀和位置受固相區導熱和液相區對流的影響。本文採用數值模擬的方法對螺旋熱管外的融冰過程進行分析。蓄冷桶內的冷量變化包括冰融化過程中的潛熱與水的顯熱變化的總和,桶內溫度假定均勻。

分離式螺旋熱管蓄冰過程理論模型

建立螺旋熱管蓄冰過程的數學模型,並將該模型進行離散化處理,採用數值疊代的方法求解該模型。為計算方便,作如下假定:

(1)螺旋熱管管外壁面與水接觸的溫度為0℃ ;

(2)冰層在熱管外生長均勻;

(3)結冰過程中凍的熱物性參數不隨時間變化;

(4)由於熱管蓄冷系統保溫良好,故忽略散熱損失。
熱管管外的冰層厚度是隨時間而變化的,根據能量平衡關係,當蓄冷桶內水溫達到0℃時,熱管管外開始結冰,冰層生長所需要的冷量與熱管的傳熱量應該相等

建立了螺旋熱管蓄冰過程的理論模型,並利用該模型分析了蓄冷過程中單位時間管外結冰厚度、冰層總厚度、蓄冰率、單位時間蓄冷量以及系統總蓄冷量的變化規律,並對三種不同管徑的螺旋熱管的蓄冰特性進行了比較,研究結果表明:

(1)單位時間管外結冰厚度隨蓄冰過程的進行逐漸減小,同時管外冰層總厚度在逐漸增加,且增加的幅度會越來越小;
(2)單位時間蓄冷量在蓄冷過程的前期會增加得較快,但隨著冰層厚度的逐漸增加,冰層的熱阻也越來越大,從而使系統的單位時間蓄冷量增加得越來越小,甚至保持不變或略有減小;
(3)系統的蓄冰率和總蓄冷量在蓄冰過程中一直是增加的。對於較大管徑的熱管,其蓄冰率和總蓄冷量的增長幅度都較大。因此,在設計熱管蓄冷系統時,除了保證蓄冰槽的保溫效果外,還可以設計較大管徑的熱管,以利於增大蓄冷系統蓄冰率和總蓄冷量。

分離式螺旋熱管的換熱模型

螺旋管幾何尺寸對熱管內流動換熱的影響

根據傳熱學原理,熱管介質在直管內流動換熱時,換熱Nu數受Re數和Pr數的影響。然而在螺旋熱管介質及介質流動狀態確定的狀態下,熱管內換熱Nu數還受到螺旋管幾何形狀的影響。玉宇等[2]採用二維計算模型,不但將離心力在螺旋熱管內流體流動中的作用體現出來,還在修正直管內對流換熱係數的基礎上,得到熱管介質在螺旋管內流動時的對流換熱係數。

熱流密度對熱管內流動換熱的影響

通過實驗加熱管內徑為4mm螺旋熱管蒸發段,觀察管內工質流動特性,發現隨充液量和熱流密度的不同,從入口到出口依次可以觀察到四種流型:單相流、泡狀流、柱塞狀流、分層流。流型不同,管內換熱機理也不一樣。

充液率對熱管內流動換熱的影響

充液率表示充液量與熱管蒸發段容積之比。熱管介質在螺旋熱管相變換熱所占比例最大時,得到最佳充液率,此時換熱係數較大。陳嵐等通過實驗觀察到分離式熱管充液率過低時,工質大部分在過熱蒸氣或過冷液體狀態換熱,換熱係數很低;充液率過高時,換熱係數沒有明顯變化,但是啟動時間延長。