曹宵瑜 藍(lán)樺 任杰 田小亮

摘要：? 針對(duì)熱管的研究現(xiàn)狀及當(dāng)前醫(yī)藥食品行業(yè)的背景，本文對(duì)一種新型環(huán)型流熱管的傳熱性能進(jìn)行研究?；诃h(huán)形流熱管的工作原理，對(duì)環(huán)形流熱管換熱器的傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在相同充注量及不同傾斜角的情況下，分別對(duì)兩種冷熱水進(jìn)口溫度的傳熱量及傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)充注量為40%，傾斜角為5°時(shí)，環(huán)型流熱管換熱最好，達(dá)到環(huán)型熱管的最佳工作狀態(tài)，充注量過(guò)多與過(guò)少以及傾斜角接近于豎直或水平都會(huì)降低熱管的換熱效果。該研究完全避免了交叉污染，滿(mǎn)足無(wú)菌要求，有效降低了電能與蒸汽的消耗量，具有較高的實(shí)用價(jià)值，對(duì)我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃具有重要意義。

關(guān)鍵詞：? 熱管; 環(huán)形流熱管; 換熱系數(shù); 傾斜角; 充注量

中圖分類(lèi)號(hào)： TK172.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

目前，我國(guó)能源存在利用效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、生態(tài)環(huán)境壓力大等問(wèn)題，因此節(jié)能減排、降低能耗、提高能源綜合利用率成為能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的重要內(nèi)容，是我國(guó)能源問(wèn)題解決的根本途徑[1]。近年來(lái)，提升余熱利用率和節(jié)能減排成為推進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[2]。熱管因其結(jié)構(gòu)獨(dú)特和相變傳熱機(jī)理，具有安全可靠性高、導(dǎo)熱性強(qiáng)、等溫性好、熱流密度可變性及環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域廣[3]等特點(diǎn)，在余熱回收領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。李永等人[4]設(shè)計(jì)了一種熱管余熱鍋爐，可有效回收鋼管退火的煙氣余熱;王璐等人[5]利用熱管式氣氣換熱器對(duì)煙氣余熱進(jìn)行回收，結(jié)果表明，采用熱管式煙氣回收技術(shù)后，天然氣消耗量可節(jié)約24%～28%;王晶晶等人[610]利用熱管的特性，對(duì)空調(diào)方面的余熱回收進(jìn)行研究，提出了不同的熱管換熱器，顯著降低了原料消耗，增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益。但制藥和食品等行業(yè)的某些產(chǎn)品，其生產(chǎn)過(guò)程都有高溫滅菌工藝的要求，該工藝過(guò)程的加熱和冷卻會(huì)消耗大量的熱量和冷卻水，運(yùn)行成本高，經(jīng)濟(jì)效益低，不利于節(jié)能環(huán)保[11]。上述研究所設(shè)計(jì)的熱管系統(tǒng)都能有效的回收余熱，但無(wú)法保證無(wú)菌環(huán)境與交叉污染。因此，本文利用重力熱管的特性，設(shè)計(jì)了一種高效節(jié)能型無(wú)菌熱管能量回收裝置環(huán)形流熱管。該裝置保證生產(chǎn)和清洗無(wú)死角，滅菌前與滅菌后的溶液分別在不同管道中流動(dòng)，完全避免了交叉污染，滿(mǎn)足了生產(chǎn)過(guò)程中的無(wú)菌要求。同時(shí)，搭建環(huán)形流熱管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)環(huán)型流熱管傳熱性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明，充注量過(guò)多與過(guò)少及傾斜角接近于豎直或水平都會(huì)降低熱管的換熱效果。該研究對(duì)我國(guó)提高能源綜合利用率具有重要作用。

1 環(huán)形流熱管工作原理

環(huán)形流熱管原理如圖1所示。當(dāng)換熱器工作時(shí)，恒溫?zé)崴毓苈纷陨隙铝鲃?dòng)，套管內(nèi)的制冷劑吸收熱水側(cè)的能量，發(fā)生液氣相變過(guò)程，熱水溫度逐漸下降，出口時(shí)溫度最低;套管內(nèi)的制冷劑蒸汽通過(guò)重力作用逐漸上升，通過(guò)套管通道接觸到冷水側(cè);冷水沿管路自下而上流動(dòng)，套管內(nèi)的制冷劑蒸汽對(duì)冷水側(cè)放出熱量，發(fā)生氣液相變過(guò)程，冷水溫度逐漸上升，出口時(shí)溫度最高;而制冷劑蒸汽在冷水側(cè)凝結(jié)為液體，在重力作用下返回底部，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)[1217]。

由圖1可以看出，相對(duì)于水平面的角度，通過(guò)改變環(huán)形流熱管可以得到不同工況、不同角度下?lián)Q熱器的換熱性能。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)考慮到影響換熱系數(shù)的因素有冷熱水進(jìn)出口溫度、環(huán)型熱管工質(zhì)的充注量和環(huán)型熱管裝置的傾斜角度。在相同充注量及不同傾斜角的情況下，分別對(duì)兩種冷熱水進(jìn)口溫度的傳熱量及傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。在完全隔絕外界散熱及穩(wěn)定換熱的情況下，熱水與冷水的換熱量應(yīng)完全相同，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制及兩相流換熱的不穩(wěn)定性，熱水與冷水的換熱量有細(xì)微的偏差，因此取平均值進(jìn)行分析。

3.1 20%充注量時(shí)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為20%時(shí)，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進(jìn)行膜狀凝結(jié)，水蒸氣在豎管外進(jìn)行凝結(jié)換熱，液膜厚度隨管徑在重力作用下變厚，使熱阻增大，換熱效果大幅減弱，因此，傾角為90°時(shí)，換熱量與換熱系數(shù)較低。隨著傾角減小，換熱量與換熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)傾角為0°時(shí)，有利于液膜排泄，但回流的液體無(wú)法在重力作用下有效回到蒸發(fā)段，因此換熱能力較差。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°～10°時(shí)，冷凝換熱效果最好，有利于液膜排泄和液體有效回流。

在豎直狀況下，環(huán)形流熱管套管內(nèi)的蒸發(fā)段，蒸餾水沉積在底部，有效換熱面積僅為底部面積，熱側(cè)水管上部為無(wú)效換熱，換熱較差。隨著傾角的減小，有效換熱面積逐漸增大，工質(zhì)在重力作用下回流，蒸汽向上運(yùn)動(dòng)的阻力較小，換熱能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)呈水平時(shí)，蒸餾水在同一水平面上，充注量較低，使熱側(cè)水管與制冷劑蒸餾水的接觸面積較少，同時(shí)制冷工質(zhì)靜止，水蒸氣運(yùn)行阻力較大，換熱效果較差。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°～15°時(shí)，蒸發(fā)換熱效果較好。熱水進(jìn)口在70 ℃，冷水進(jìn)口為40 ℃時(shí)，整體換熱效果比熱水進(jìn)口為60 ℃，冷水進(jìn)口為30 ℃時(shí)略好[1920]。

3.2 40%充注量時(shí)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為40%時(shí)，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系如曲線(xiàn)圖7所示。

由圖5～圖7可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進(jìn)行膜狀凝結(jié)，換熱情況與20%充注量時(shí)類(lèi)似，傾角水平與豎直換熱效果較差。

當(dāng)傾角為5°～10°時(shí)，換熱效果最好。當(dāng)充注量達(dá)到40%時(shí)，蒸發(fā)段環(huán)型熱管內(nèi)的工質(zhì)隨傾角的增大，逐漸覆蓋整個(gè)熱側(cè)水管，換熱能力達(dá)到最強(qiáng)，換熱效果在水平與豎直情況下較差;當(dāng)傾角為10°～15°時(shí)，換熱效果較好。熱水進(jìn)口在70 ℃，冷水進(jìn)口為40 ℃時(shí)，整體換熱效果比熱水進(jìn)口為60 ℃，冷水進(jìn)口為30 ℃時(shí)略好。

3.3 60%充注量時(shí)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為60%時(shí)，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖9所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖10所示。

由圖8～圖10可以看出，環(huán)型流熱管套管內(nèi)的冷凝段，制冷工質(zhì)水蒸氣在冷水管外進(jìn)行膜狀凝結(jié)，換熱情況與20%，40%充注量時(shí)類(lèi)似，傾角水平與豎直換熱效果較差，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角為5°時(shí)，換熱效果最好。當(dāng)充注量達(dá)到60%，蒸發(fā)段環(huán)型熱管內(nèi)的工質(zhì)隨傾角的增大，可以逐漸覆蓋整個(gè)熱側(cè)水管，換熱能力較強(qiáng)，換熱效果在水平與豎直情況下較差。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傾角在5°～10°時(shí)，換熱效果較好。熱水進(jìn)口在70 ℃，冷水進(jìn)口為40 ℃時(shí)，整體換熱效果比熱水進(jìn)口為60 ℃，冷水進(jìn)口為30 ℃時(shí)略好。

3.4 80%充注量時(shí)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)充注量為80%時(shí)，換熱量與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖11所示，蒸發(fā)段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖12所示，冷凝段k與傾斜角的關(guān)系曲線(xiàn)如圖13所示。

由圖11～圖13可以看出，當(dāng)充注量達(dá)到80%時(shí)，制冷劑工質(zhì)幾乎占據(jù)了整個(gè)環(huán)形套管，運(yùn)行阻力大幅增加。當(dāng)傾角分別為90°，60°，45°時(shí)，幾乎沒(méi)有相變換熱，工質(zhì)在蒸發(fā)段蒸發(fā)后沒(méi)有發(fā)生有效流動(dòng)，使蒸發(fā)段換熱系數(shù)數(shù)值較大，而冷凝段換熱系數(shù)較小。當(dāng)傾角逐漸變小時(shí)，蒸發(fā)冷凝換熱得以有效進(jìn)行，蒸發(fā)段換熱系數(shù)下降，冷凝段換熱系數(shù)上升，水平時(shí)達(dá)到最大。

3.5 各充注量傳熱系數(shù)綜合對(duì)比

以冷凝段為例，在不同充注量下，換熱量與傾斜角關(guān)系曲線(xiàn)如圖14所示。由圖14可以看出，熱管工作的最佳充注量為40%，最佳傾角為5°，充注量較大或較小都會(huì)影響熱管的工作性能。較小的充注量使熱管啟動(dòng)困難，不能充分發(fā)揮熱管的換熱性能，無(wú)法有效的發(fā)揮蒸發(fā)段的全部性能;較大的充注量使可容納的工質(zhì)蒸汽空間減少，蒸汽的運(yùn)行阻力增大，影響換熱。傾斜角度也是影響換熱的因素，豎直與水平都不利于熱管的換熱。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)要選用合適的充注量和傾斜角，充注量過(guò)小或過(guò)大都會(huì)影響環(huán)型熱管的工作性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一種新型環(huán)型流熱管的傳熱性能進(jìn)行研究，并對(duì)不同傾斜角與充注量下的傳熱原理進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)充注量為40%，傾斜角為5°時(shí)，環(huán)型流熱管充分發(fā)揮換熱能力，達(dá)到環(huán)型熱管的最佳工作狀態(tài)。當(dāng)充注量與傾斜角增大或減小時(shí)，傳熱系數(shù)隨之減小;傾斜角處于垂直或水平時(shí)，不利于環(huán)形流熱管的傳熱;冷熱水的進(jìn)口溫度上升時(shí)，提升環(huán)形流熱管的換熱性能。本文設(shè)計(jì)的高效節(jié)能型無(wú)菌熱管能量回收裝置，達(dá)到了無(wú)菌需求，同時(shí)完全避免了交叉污染，可有效降低電能與蒸汽的消耗量，減少對(duì)冷凍水的需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)用價(jià)值，對(duì)我國(guó)提高能源綜合利用率具有重要作用。

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