多角度重力型分離式熱管蒸發器的壓降特性研究

劉玉清 郭佳超 李浩鵬 田小亮

（青島大學 機電工程學院，山東 青島266000）

重力型熱管具有結構簡單、無需外部輸入功、能量回收效率好等優點，而分離式熱管則打破了常規熱管形式，使得蒸發器和冷凝器能夠安置在兩個地方，使熱量回收能夠更加靈活，對重力型分離式熱管而言，雖然它具有很多優點，但在安裝過程中一個重要的指標就是壓降性能，如果在施工過程中沒有掌握好各部件壓降，將會導致工質無法順利的循環起來，從而使得熱管無效工作，嚴重者可能損壞熱管換熱器管壁，造成事故。張軍等[1]研究了垂直同心環形管內上升氣液環狀流的壓降情況，并研究了截面空隙率。唐國力等[2]表示垂直管圈水冷壁，一個十分重要的設計參數是界限質量流速，基于經驗關聯式、流動壓降計算法分析了均勻受熱垂直上升管工質的流動壓降變化情況。劉琪等[3]對60mm 管徑、8m 長度的垂直管進行了氣液兩相流動壓降性能的研究，其中氣液兩相流是通過氣液直接混合的形式獲取得到的。Saisorn[4]研究了R-134a 在管徑1mm 的通道內橫向流動、垂直向上流動、垂直向下流動的傳熱性能和壓降情況，表示在水平流動時，兩相流流型與垂直流動有很大區別。

綜上所述，垂直管道中兩相流壓降性能的研究是一個十分熱門的話題，且本文所設計到的為一特殊的應用在重力型分離式熱管中的環狀管蒸發器，其壓降特性有可能與普通圓管內的上升沸騰流動壓降特性有一定的區別，具有明確的研究意義。

1 實驗設備的搭建

搭建如圖1 所示的試驗臺，其主體由兩部分構成：供熱系統和熱管系統。供熱系統采用水作為熱量載體，為蒸發器供熱，能夠通過對電加熱箱的功率控制來間接對熱管系統供熱量進行控制；重力型分離式熱管系統主要由環狀管蒸發器、風冷式冷凝器、視液鏡組成，在實驗之前先要從冷凝器附近的抽壓口對整個系統抽壓至0.05kPa 以下，然后對系統進行充注，本文采用的實驗工況為2.2～2.9kg 充注量，熱管系統的總容積為6L，工質從環狀管蒸發器右下側進入，在內徑31.6mm、環空間隙15mm、長度1450mm 的環空中吸收內管熱水所提供的熱量，同時在26000Pa 實驗工況下進行蒸發沸騰，變為氣相的工質從左上側出，經過風冷式冷凝器的降溫凝結，穿過視液鏡回流到蒸發器入口，完成循環。試驗臺各部位均進行了合理保溫，可以視為絕熱系統，熱管系統之間使用軟編織管進行連接，使其具備變角度可能性。

圖1 重力型分離式熱管蒸發器壓降性能試驗臺

2 實驗數據分析

本文重點關注的是環狀管蒸發器的壓降特性，需要對從實驗中獲取到的壓力數據進行簡單的處理。

由于實驗所采用的壓力傳感器獲取得到的是電壓信號，故需要對電壓信號進行轉換。在實驗前，對將壓力傳感器與真空表、真空泵串聯起來，利用真空泵與表閥協同控制，在0～0.1MPa選取10 個壓力點，記錄下對應壓力傳感器的電壓信號，將數據輸入到Origin 中進行擬合，獲取電壓- 壓力轉換公式，由于在實際實驗或工程應用中，即使是使用了同一型號的壓力傳感器，其對應的轉換公式也有所不同，此處就不再展示本文所擬合的轉換公式。

獲取入口壓力Pin，出口壓力Pout，其中Pout 的理論值應在26000±300Pa，即試驗工況蒸發溫度在65℃左右，系統的壓差△P 為

其中Pg 為蒸發器中液相工質重力壓降，與蒸發器中的液位高度有關，與系統的充注量有關，與蒸發器傾斜角度也有關，由下式計算：

其中ρl為工質的密度，由入口壓力對應數據庫獲取，也可以通過擬合公式獲取，gl為重力加速度常數，H 為液位相對入口處的豎直高度，通過觀察視窗可以獲取。系統的壓降為：

其中L 為整管長度。

3 數據分析結果

按照上一節數據處理方案，對采集到的實驗數據進行分析。

如圖2 所示為環狀管蒸發器左上側出口壓力隨角度的變化曲線，可以看出壓力控制較為良好，達到了數據單一控制變量法的使用標準。

如圖3 所示為環狀管蒸發器右下側入口壓力隨角度變化曲線，從圖中可看出較為明顯的變化趨勢，充注量越大，入口壓力隨角度增加的變化趨勢越靠近一個單峰值曲線，以2.9kg 充注量為例，在75°時達到入口壓力峰值；而隨著充注量的減小，該變化趨勢又向著一個持續下降的曲線，以2.2kg 為例，其峰值產生于45°，隨角度變大，入口壓力持續變大。另一方面，可以較為明顯的看出，隨著充注量的增加，入口壓力也整體增加了，這是因為由于工況控制的蒸發壓力是一定的，因此在冷凝器內的工質組成成分是相對穩定的，在其中的工質總量也相對蒸發器更加穩定，而充注量整體增加，冷凝器內又不會發生很大的變化，故蒸發器內的工質量就會增加，液位上升，入口壓力有很大一部分比重是工質的重力壓降帶來的，因此入口壓力也會增加。

圖2 出口壓力隨角度與充注量的變化

從圖4 可以看出，重力型分離式熱管的環狀管蒸發器壓降是隨著角度的增加顯著減小的，這是因為當蒸發管在傾斜角度時，重力在壁面上產生的分力增加，液相工質與壁面之間的摩擦增加，當角度增大時，重力更多的分擔在了液相之間的摩擦，而液相與管壁之間的摩擦相對減少了很多，故產生了壓降隨著角度的增加而減少的趨勢。

圖3 入口壓力隨角度與充注量的變化

圖4 壓降隨角度與充注量的變化

4 結論

本文通過對45～90°傾斜角度、2.2～2.9kg 充注量重力型分離式熱管的環狀管蒸發器壓降性能的研究，發現蒸發器入口壓力隨著充注量的增加而增加，入口壓力隨角度的增加依據充注量的減少而從單一峰值曲線轉變為單一下降曲線，壓降則是隨著角度的增加而持續下降。

在實際工程應用中，如果面臨管道阻力大、工質循環有困難的情況，可以考慮將換熱相變管的傾斜角度設置的更大。