分离式热管的应用

热管——凭借封闭管内的工作介质反复发生相变(蒸发、冷凝)而进行热量传递的一种高效传热元件热管的优点：1）高效的导热性（利用分子相变）金属（分子的热运动）2）恒温性。热管表面的温度是由蒸汽温度控制的3)优良的热响应性。热管的启动温差(蒸发段温度与冷凝段温度之差)很小4)热管的结构简单、重量轻、体积小1易于合理布置蒸发段和冷凝段，利于实现换热器的大型化2可实现一种流体和多种流体的同时换热，即一个蒸发段可以匹配几个冷凝段，或多个蒸发段共用一个冷凝段3加热段与冷却段的位置与尺寸有充分的自由度,尤其适合于工业换热与余热回收,为换热设备的优化创造良好的条件4冷、热流体间可绝对分隔，完全无互混，为易燃易爆流体的预热提供了安全可靠的热交换途径5便于冷、热流体的远程换热。将蒸发段和冷凝段分别布置在工艺流程需要的位置，只需连接蒸汽上升管、液体下降管即可，两者之间的距离可达数十米乃至数百米6安全性和露点腐蚀的解决。将热流体进口处一组或几组蒸汽上升管与液体下降管和冷流体进口处的组件连接起来，形成逆顺混流布置，或改变冷、热段传热面积比例，以调整各组热管管内的工作温度，这样可解决热管换热器高温区管内工作温度较高带来的安全性问题和低温区管壁温度较低而造成的露点腐蚀问题。不同热流密度下蒸发段管内的流型热流密度对流动特性的影响（1）热流密度较低时，有明显的弹状流，流体振荡较剧烈，热流密度增加，弹状流转变为泡状流，流体振荡减弱，流动趋于稳定，在蒸发段上部有汽泡夹带液滴脱离主流，向上飞溅，撞击壁面，破碎后形成液膜，沿管壁流下；（2）在保证蒸发段出口干度一定的情况下，沿蒸发段自下而上的流型依次为单相液流、泡状流、飞溅降膜流和汽雾流，四种流型所占比例随热流密度的不同而有所变化；（3）在飞溅降膜区内，飞溅频率与热流密度有关，随热流密度的增加，飞溅频率增加，达到某一临界值后，趋于稳定值；（4）飞溅降膜所形成的液膜具有时间上的不稳定性和空间上的不连续性。蒸发段倾角对流动特性的影响垂直布置蒸发段中的核态沸腾首先发生在蒸发段尾部，可以观察到明显的弹状流。管内汽弹破裂时冲击振荡剧烈，一部分液体随蒸汽进入蒸汽空间并湿润壁面(图1-3中A管)。随着热流密度的增加，弹状流逐步转变为泡状流并趋于稳定，汽泡在自由液面破裂引起液滴飞溅。由于液滴飞溅的高度和方向随机性较大，飞溅的液滴不能始终维持蒸汽空间整个壁面的湿润状态而形成连续的下降液膜，因此蒸发段出口处出现间歇性干涸点(图1-3中B管)。蒸汽量的逐步增加使汽泡几乎连续不断地冲击液面，降低了液滴向上飞溅的能力。飞溅到管壁面上的液滴和冲刷形成的不连续下降液膜因蒸发作用加强减薄很快，蒸发段出口区间间歇性干涸点转为固定干涸区，并随热负荷增加不断扩大(图1-3中C管)。蒸发段的倾斜角度减小到35°时，管内工质流动不对称的特点已非常明显。脉冲对流周期性地推动工质向出口流动，回流液体大部分沿下壁返回,上壁始终保持湿润蒸发段的倾斜角度减小到5°时，汽弹在汽液混合物中不断长大，推动液体向出口运动，液面呈波浪状，波峰能接触并湿润局部上壁。由于倾斜角度极小，附着在上壁面液膜的回流能力几乎完全丧失，该液膜不能保持整个上壁的良好湿润，一些较大范围的干涸区始终存在(图1-5中A管)。随着热流密度的增加，流型向波动层状流转变，相界面的波幅降低，波峰无法冲刷到上壁间，上管壁一直处于干涸状态(图1-5中B管)。汽流速度随蒸发量增大而加快，相界面上液波波幅更低，干涸区域沿管子周向扩展，甚至在蒸发段中间某个部位发生整段周向干涸。最后，快速运动的液体在蒸发段出口处形成一层较厚的液膜，严重时在该液膜下会发生膜态沸腾(图1-5中C管)对分离热管倾斜蒸发段的换热特性进行了实验研究，实验发现：分离式热管蒸发段在倾角0～90°范围内均存在浪涌沸腾现象，换热系数先随倾角的增大而急剧增加，从4°以后增加趋势变得缓慢，在倾角为16～18°时换热系数达到最大值，19°以后换热系数有所下降，但在4～30°之间，换热系数随倾角的变化幅度不大。传热特性研究分离式热管的启动特性实验条件——蒸发段竖直，充液率为90%，冷热端热平衡参数选择：1kW/m2、2kW/m2、3kW/m2、4kW/m2、5kW/m2热管蒸发段充液率的确定倾角对蒸发段传热的影响条件：在充液率90%，工作温度40℃，热流密度2kW/m2由图3-7看出，图中五条曲线完全重合，轴向各点上下壁温相同，这说明在实验参数范围内倾角对蒸发段管壁轴向温度的大小和分布没有影响，从而说明在实验参数范围内倾角对蒸发段传热特性几乎没有影响。实验过程中还发现，尽管倾角减小到10°，上壁并没有出现间歇性干涸点，出口处并未发生温度飞升。这是因为热管内径只有14mm，空间结构本身决定了管内难以发生分层流，另一方面充液量足够，整个管壁得到良好润湿。随着空气流量的增加,分离式热管冷凝换热系数增加.这是因为随着空气流量的增加,管外空气的对流换热增加,空气对冷凝段的冷却增强,使蒸气的饱和温度和管内内壁温度之差减少,结果使冷凝换热系数增加.试验结果表明,充液率对冷凝换热影响较大.在同一介质压力下,在相同冷却条件下,有一最佳充液量使其冷凝换热系数最大,其值为45%左右.工作介质压力对冷凝换热的影响在同一充液率下,冷却条件相同,通过改变输入电功率,使工作介质的压力变化,可测得介质压力对冷凝换热的影响,试验结果如图4所示.由试验知,随着压力的增加,冷凝换热系数略有减少.主要是随着工作压力的升高,蒸气密度增加,蒸气流速相对减少,对液膜的扰动减弱,液膜厚度增加,使换热系数减少.但换热系数减少量相对其冷凝换热系数本身而言不大.如蒸气压力从0.13MPa增加到0.36MPa,压力增加了2.7倍,但冷凝换热系数仅降低9.5%.试验结果还表明,在不同充液率下,分离式热管内的工作压力对冷凝换热系数的影响趋势相同.背景：在含尘烟气余热利用过程中，热管积灰是普遍存在的问题，对于含尘量大的废气的余热回收需考虑除灰问题。积灰增加了受热面传热阻力，降低了设备的传热效率，还可能减少流体的通道面积，增加流动阻力，影响烟气产生装置的正常运行，降低了换热表面温度，造成低温露点腐蚀。本实用新型公开了一种分离式热管换热器，包括蒸发段、气导管、凝结段组件和液导管，蒸发段与凝结段组件两端分别由气导管和液导管连接形成密闭循环连通系统，蒸发段为单管热管或多管热管，蒸发段为可旋转结构。本实用新型通过蒸发段的旋转，一方面提高了热管与流体间的相对速度，可以提高传热能力，另一方面可以甩掉附着于传热面上的粉尘，以达到除灰的效果。同时，采用蒸发段和凝结段分离的结构，一方面方便设备布置，另一方面有利于换热介质循环，可以提高换热效果。本实用新型适用于含尘烟气余热的利用。:1一单管热管，2一翅片，3一蒸发段，4一气导管旋转接头，5一气导管，6一上联箱，7一换热管，8一下联箱，9一凝结段组件，10一液导管，11一液导管旋转接头实用新型专利参考文献