中高溫熔鹽重力熱管的傳熱性能

王慧慧, 王輝祥, 熊亞選, 吳玉庭

(1.北京京能熱力發展有限公司通州分公司,北京101100;2.北京市熱力集團有限責任公司西城分公司,北京100032;3.北京建筑大學供熱供燃氣通風及空調工程北京市重點實驗室,北京100044;4.北京工業大學傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室,北京100124)

1 概述

為減緩全球變暖造成的生態環境問題,我國提出了雙碳目標。2020年我國一次能源消費總量高達49.8×108t標準煤,同比增長約2.2%。這與雙碳目標還有很大差距,各行業在節能、減碳、降耗、提效方面面臨巨大挑戰,而傳熱過程提效是實現雙碳目標的關鍵技術之一。

熱管具有熱導率高、運行無噪聲、體積小等優點,是一種高效的傳熱元件[1],廣泛應用于可再生能源利用[2]、工業過程傳熱[3]、余熱回收[4]、電子器件[5]、航空航天領域[6]、核電領域[7]。重力熱管內,循環工質依靠重力而不是傳統熱管的吸液芯實現液態工質回流。根據工作溫度的不同,熱管可分為低溫、常溫、中溫和高溫型[8],在不同的傳熱領域發展了適用于不同傳熱溫度的高效熱管。并且重力熱管結構簡單,傳熱效率較高,工作性能可靠,成本低廉。重力熱管種類較多,如傳統的水熱管[9]、鈉熱管[10]、鉀熱管[11]、鋰熱管[12],以及近年來出現的各種納米工質熱管[13]等。熔鹽作為一種新興的高效傳熱工質,因其密度大、飽和蒸氣壓力低、使用溫度范圍廣等特點[14],廣泛應用于太陽能熱發電系統[15]及傳熱儲熱系統[16]。張瑞瑛等人[17]研究了不銹鋼-水重力熱管中,傾斜角對其表面傳熱系數的影響,結果表明在65°時熱管啟動最快,隨著傾斜角增加,表面傳熱系數呈現先增加后減小的趨勢,最佳傾斜角為55°～65°。陳曦等人[18]研究了傾斜角及加熱功率對乙烷脈動熱管的傳熱影響。當傾斜角較小時,其對傳熱溫差的影響較小,當傾斜角增加至45°～90°時,傾斜角增大,傳熱溫差亦增大。大功率對傳熱溫差的影響強于小功率。李鑫[19]研究了不同工況下重力熱管的傳熱特性,分別選取水、甲醇、質量分數為3%的正丁醇水溶液作為工質,研究傾斜角對傳熱效果的影響,結果表明3種工質依次在45°、60°、45°傾斜角下獲得最佳的傳熱效果。此類論文均僅研究了單個變量對熔鹽重力熱管的傳熱影響,沒有將各個變量結合起來分析。

在熔鹽熱管研究方面,本課題組進行了大量研究工作,研究了不同熔鹽工質作為熱管工質的可行性[20],不同熔鹽重力熱管的啟動性能[21]、等溫性能[22],取得了較好的效果。本文在已做研究工作的基礎上,以AlBr3和TiCl4作為熱管工質,探究熔鹽充注量、熱管傾斜角、加熱功率對重力熱管傳熱性能的影響。

2 實驗系統與方法

2.1 實驗系統

為確保實驗工作的連續性,本文研究工作采用課題組前期研究工作中搭建的熱管性能測試實驗臺[22],見圖1。

1—熱管; 2—保溫材料; 3—管式電加熱爐; 4—可控硅調功器;5—熱電偶; 6—數據采集儀; 7—筆記本電腦;8—可調角支架; 9—抽真空模塊。

實驗臺主要由實驗測試部分、數據采集部分、抽真空模塊3部分組成。實驗測試部分由管式電加熱爐、保溫材料、熱管、可控硅調功器、可調角支架組成;數據采集部分由筆記本電腦、數據采集儀和熱電偶組成;抽真空模塊由機械真空泵、擴散泵和復合式真空計組成。為降低蒸發段的熱損失,降低實驗誤差,管式電加熱爐的爐腔外側包裹了耐火保溫棉和多層耐高溫的硅酸鋁保溫棉,厚度為100 mm。熱管絕熱段同樣進行了保溫隔熱措施,采用耐1 000 ℃以上高溫的硅酸鋁鎂保溫材料。根據熱管絕熱段最高工作溫度和GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》第5.3.1條和第5.4節的方法確定絕熱段保溫層厚度,以盡可能減小熱損失給實驗結果造成的誤差。

2.2 熔鹽熱管制作

熔鹽熱管不僅要求熱管工質具備良好的傳熱特性,還對工質的運行溫度區間、飽和蒸氣壓、黏度與熱管材質的相容性等有很高的要求。在課題組前期研究工作[22]的基礎上,本文以溴化鋁(AlBr3)和四氯化鈦(TiCl4)作為工質,以C10H8為參照工質,制得7種熔鹽熱管,其主要特征參數見表1。

表1 7種熔鹽熱管的主要特征參數

實驗系統中,熱管蒸發段外的高溫真空閥的另一端與抽真空模塊連接,對裝有工質后的熱管實現抽真空處理。關閉閥門后,可保持熱管長時間的高真空狀態。熔鹽熱管結構見圖2。熱管蒸發段、絕熱段和冷凝段各布置不同數量的溫度傳感器,溫度傳感器使用K型鎧裝熱電偶,鎧裝管直徑1.0 mm,利用不銹鋼絲將熱電偶捆綁貼合在熱管外壁上用于測量熱管外壁溫度。熱電偶布置方式見圖3,其中蒸發段3個、絕熱段2個、冷凝段3個,熱電偶旁邊的數據表示布置位置距蒸發段下端點的距離,單位為mm。

圖2 熔鹽熱管結構

圖3 熱電偶布置方式

熱管分為蒸發段(長500 mm)、絕熱段(長200 mm)和冷凝段(長300 mm) 3個部分。實驗中,蒸發段被放入管式電加熱爐內加熱,深度為500 mm。在蒸發段管外套上銅管,以確保蒸發段的加熱溫度均勻。絕熱段外側包有具有良好保溫性能的硅酸鋁鎂保溫材料實現保溫,冷凝段暴露于室內環境,室溫通過空調控制在(25±0.5) ℃。實驗前,對所使用的熱電偶采用恒溫熔鹽浴進行標定。

2.3 實驗方法

工質種類、充注量、熱管傾斜角、加熱功率是影響重力熱管傳熱性能的主要因素。實驗前,開啟管式電加熱爐,通過調節加熱功率維持穩定溫度,進行預熱。實驗時,將熱管蒸發段插入管式電加熱爐內,利用抽真空模塊對重力熱管抽真空,熱管內絕對壓力抽至10-5Pa。對于每一種工質的熱管,在一定的熱管傾斜角下,調節加熱功率。通過調節管式電加熱爐的旋轉機構,調節熱管傾斜角度至不同值(90°、60°、45°、30°)。通過熱管上布置的溫度傳感器測量熱管外壁面溫度,通過可控硅調功器調節輸出的電流和電壓,計算得出加熱功率。采用安捷倫數據采集儀34972A對實驗數據進行采集、記錄。

3 數據處理與不確定度分析

3.1 數據處理方法

經熱管管壁軸向導熱的傳熱量忽略不計。熱管總熱阻R分為5個部分:蒸發段熱管管壁熱阻、冷凝段熱管管壁熱阻、蒸發段沸騰傳熱熱阻、冷凝段凝結傳熱熱阻、傳熱工質由蒸發段運動至冷凝段的傳熱熱阻。其中,傳熱工質由蒸發段運動至冷凝段的傳熱熱阻可忽略不計。用αeff替代蒸發段沸騰傳熱熱阻、冷凝段凝結傳熱熱阻,表示表面傳熱能力。R的計算式為:

(1)

式中R——熱管總熱阻,W/K

do——管殼外直徑,m,取0.025 m

di——管殼內直徑,m,取0.022 m

λ——管殼熱導率,W/(m·K)

le、lc——蒸發段、冷凝段長度,m

αeff——熱管等效傳熱系數,W/(m2·K)

df——蒸氣腔直徑,m,取0.022 m

對本文所用熱管,di與df相等。R可以由下式計算,其中蒸發段、冷凝段外壁面溫度為各測點溫度的平均值。

(2)

式中Tw,e,o、Tw,c,o——蒸發段、冷凝段外壁面溫度,K

Φin——加熱功率,W

可控硅調功器的輸出電壓為0～100 V,最大輸出電流為90 A。加熱功率計算式為:

Φin=UI

(3)

式中U——輸出電壓,V

I——輸出電流,A

由式(1)、(2)得到等效傳熱系數:

(4)

3.2 不確定度分析

為確定測量結果的可靠性,對熱管的等效傳熱系數進行不確定度分析。本文中,影響實驗測量結果可靠性的參數主要有熱管壁面溫度、管式電加熱爐電壓及電流測量結果的隨機誤差和測量儀表的示值誤差。參照文獻[23]中實驗測量不確定度的計算方法,取包含因子為2.2,得到熱管等效傳熱系數的不確定度為1.637。

4 實驗結果與分析

4.1 熱管穩態傳熱溫度分布

以C10H8工質作為參照,研究AlBr3、TiCl4熱管的傳熱特性。C10H8是一種有機化合物,常溫下為固態。在熱管內,隨著啟動至穩定,C10H8的狀態變化是固態—液態—沸騰。

研究熱管啟動實驗階段軸向溫度變化。6號C10H8熱管軸向壁面溫度變化見圖4,圖例為熱管傾斜角和時間。充注100 gC10H8,加熱功率從0.15 kW逐漸升高到8.90 kW。由圖4可以看出,除熱管傾斜角為90°外,其他傾斜角下的變化趨勢基本相同:在啟動實驗初期(前600 s)蒸發段內溫度在短時間內快速升高,而此時對應的冷凝段溫度基本沒有發生變化,維持室溫。當啟動實驗進行到2 400 s時,蒸發段溫度達到150～200 ℃,其中傾斜角為30°的熱管溫度最高,達到200 ℃,然而冷凝段溫度較低。實驗進行到9 600 s時,蒸發段溫度與冷凝段溫度相差較小,啟動實驗完成。

圖4 6號C10H8熱管軸向壁面溫度變化

1號AlBr3熱管軸向壁面溫度變化見圖5,圖例為時間。熱管傾斜角為60°,加熱功率為1 700 W。啟動實驗初期(前600 s)蒸發段溫度迅速升高,尤其第2個測溫點溫升最高,600 s時溫度達到210 ℃,此時冷凝段溫度仍保持室溫,熱管兩端溫差較大。當啟動實驗進行到4 800 s時,蒸發段溫度升高至250～300 ℃,此時冷凝段溫度分布不均勻,第6、7個測溫點溫度與蒸發段相差較小,而第8個測溫點溫度較低,為136.2 ℃,軸向溫差較大。當啟動實驗進行到9 600 s時,此時蒸發段內的工質蒸氣已經擴散至絕熱段與冷凝段,因此冷凝段溫度迅速升高至310 ℃,且冷凝段溫度分布較為均勻,熱管兩端即蒸發段與冷凝段溫差也較小,啟動實驗完成。

圖5 1號AlBr3熱管軸向壁面溫度變化

3號TiCl4熱管軸向壁面溫度變化見圖6,圖例為時間。熱管傾斜角為60°,加熱功率為420 W。啟動實驗進行到600 s,蒸發段溫度快速上升至120 ℃,而此時冷凝段溫度基本沒有上升,仍然維持在室溫水平,此時蒸發段與冷凝段溫度存在較大的溫差。啟動實驗進行到4 800 s時,冷凝段溫度迅速升高,其溫度與蒸發段溫度相差不大,維持在200 ℃左右。9 600 s時,蒸發段內溫度升高至310 ℃,此時冷凝段溫度為290 ℃,蒸發段與冷凝段溫差為20 ℃,溫差較小,啟動實驗完成,基本達到熱管穩定運行狀態。

圖6 3號TiCl4熱管軸向壁面溫度變化

4.2 熱管傾斜角對熔鹽重力熱管的傳熱性能影響

熱管傾斜角對熔鹽重力熱管傳熱性能有一定影響。1號AlBr3熱管等效傳熱系數隨熱管傾斜角變化趨勢見圖7,3號TiCl4熱管等效傳熱系數隨熱管傾斜角變化趨勢見圖8,圖例為加熱功率。圖7在3種加熱功率下,等效傳熱系數隨熱管傾斜角降低先升高后降低,在60°時達到最大值,加熱功率2 450 W下等效傳熱系數最大值為16 500 W/(m2·K)。圖8在3種加熱功率下,其等效傳熱系數的變化趨勢與1號AlBr3熱管相同,隨熱管傾斜角降低先升高后降低,同樣在熱管傾斜角為60°時達到最大值,加熱功率600 W下等效傳熱系數最大值為12 500 W/(m2·K)。造成這種現象的原因可能是熱管內浮升力的不同及滑移現象的產生。具有一定傾斜角度的重力熱管,其內部的沸騰傳熱受到浮升力的影響。由于溫度的升高,氣泡生長到一定尺寸,離開壁面,因此有一個向上推的浮升力。熱管內氣泡一般在加熱壁面處產生,在脫離壁面時,氣泡會出現滑移現象。滑移現象的發生會對熱管傳熱有兩方面的影響:①產生氣泡的位置一般是沸騰核化點,當該位置氣泡生長到一定尺寸離開壁面時,周圍的液體會補充至該位置,從而激發其他位置的氣化核心,增強沸騰傳熱效果。②氣泡的滑移現象會增強固液表面處的對流傳熱,從而增強對流傳熱效果,使總的傳熱性能增強。當熱管傾斜角較小時,蒸發段下表面與液體接觸面積較大,上表面接觸面積較小,甚至可能發生干涸現象,此時僅為下表面壁面處受熱產生氣泡,影響傳熱。當熱管傾斜角增加后,上表面可以與液體接觸,增加了受熱面積,削弱干涸現象,傳熱效果有一定增強[17]。當熱管傾斜角增加到一定程度后,工質與壁面的接觸面積又減小,傳熱效果被削弱。除此之外,當熱管傾斜角很小時,蒸發段上側與氣泡之間有一層薄薄的液膜,而下側熱管的工質主要是氣泡的滑移運動,此時,壁面處的摩擦力較大,由冷凝段返回至蒸發段的阻力變大,也會影響傳熱效果。由圖7、8可以得到,對于不同工質,均在熱管傾斜角60°時獲得最大的等效傳熱系數,傳熱效果最好,而當熱管傾斜角降低至30°時,熱管傳熱效果有一定程度降低。

圖7 1號AlBr3熱管等效傳熱系數隨熱管傾斜角變化

圖8 3號TiCl4熱管等效傳熱系數隨熱管傾斜角變化

4.3 工質充注量對熔鹽重力熱管的傳熱性能影響

確定最佳熱管傾斜角為60°后,探究熱管傾斜角為60°下工質充注量對熔鹽重力熱管傳熱性能的影響。AlBr3熱管在不同充注量下等效傳熱系數變化見圖9,TiCl4熱管在不同充注量下等效傳熱系數變化見圖10,圖例為充注量。

圖9 AlBr3熱管在不同充注量下等效傳熱系數變化

圖10 TiCl4熱管在不同充注量下等效傳熱系數變化

從圖9中可以看出,無論在何種加熱功率下,100 g充注量的AlBr3熱管其等效傳熱系數均大于200 g充注量下的值,最大差值達到4 063 W/(m2·K)。因此,對于AlBr3熱管,在所研究的充注量內,100 g能夠達到最好的傳熱效果。圖10中,對于不同充注量,TiCl4熱管的等效傳熱系數隨加熱功率升高的變化趨勢有所不同,其中40 mL充注量下,熱管的等效傳熱系數大于其他兩種充注量下的值,當加熱功率為600 W時,其等效傳熱系數達到最大值12 500 W/(m2·K),由此,40 mL為TiCl4熱管的最佳充注量。對這一現象的解釋為:當充注量比較大時,蒸氣在蒸發過程中攜帶液體進入冷凝段,堵塞冷凝段,使蒸發段溫度升高,冷凝段溫度降低,即熱管兩端的溫差增大,傳熱效果增強。當充注量不足時,上升到冷凝段的蒸氣沒有完全冷凝,因此流入蒸發段的回流液減少,即蒸發段中的工作液不足以正常蒸發和冷凝,隨著熱量的持續供應,蒸發段將干涸甚至沒有工質存留。然而,當充注量很大時,如果此時熱流密度也不斷增加,氣液之間的相對速度變大,同時黏滯剪切力也變大,從而阻礙了冷凝段工質的回流,影響傳熱效果[24]。

4.4 加熱功率對熔鹽重力熱管的傳熱性能影響

在最佳熱管傾斜角60°及最佳充注量工況下,探究加熱功率對熔鹽重力熱管傳熱性能的影響。隨著加熱功率增加,從圖9中可知AlBr3熱管等效傳熱系數不斷增大,從圖10中可知TiCl4熱管等效傳熱系數先減小后增加,兩種不同工質的熔鹽重力熱管均在最大加熱功率下達到最佳傳熱效果,其最大等效傳熱系數分別為16 500 W/(m2·K)、12 500 W/(m2·K)。AlBr3熱管的最大等效傳熱系數大于TiCl4熱管,傳熱性能更好,AlBr3熱管更符合中溫熱管的技術要求。加熱功率對熔鹽重力熱管的影響主要與沸騰強度有關,加熱功率越高,沸騰強度越大,沸騰傳熱效果更好,熱管的傳熱性能越好。當加熱功率較小時,蒸發段內工質溫度較低,此時傳熱工質發生的是自然對流傳熱,傳熱強度較小,由液面蒸發而產生的蒸氣量較少,且蒸氣溫度較低,熱管傳熱性能較差。當加熱功率增加到一定程度時,蒸發段內傳熱由自然對流傳熱變為沸騰傳熱,沸騰傳熱強度遠高于自然對流傳熱。當工質受到大熱流密度加熱時,加熱表面會產生大量氣泡,借助浮升力快速上升至冷凝段,釋放熱量,熱管傳熱效果增強;繼續增加加熱功率時,管殼內部可能形成一層液膜,呈現膜態沸騰狀態,嚴重影響傳熱效果,同時增加管殼被燒毀的風險。在大熱流密度下,也要考慮重力熱管的淹沒現象[25],該現象是重力熱管所特有的,即重力熱管蒸發段內腔過小或熱管內部在短時間獲得很大熱流時,工質吸熱沸騰產生很多氣泡,這些氣泡會直接濺到熱管的冷凝段,由此改變了重力熱管的傳熱方式,導致重力熱管的傳熱性能降低。

5 結論

① 隨著傾斜角增加,AlBr3、TiCl4熱管的等效傳熱系數均呈現先增加后減小的趨勢。隨著充注量增加,AlBr3的最大等效傳熱系數降低,TiCl4熱管的最大等效傳熱系數先升高后降低。加熱功率影響熱管的傳熱性能,在最佳熱管傾斜角及最佳充注量下,隨著加熱功率增大,等效傳熱系數增大。

② 充注量為100 g、熱管傾斜角為60°、加熱功率為2 450 W時AlBr3熱管等效傳熱系數最大,達到16 500 W/(m2·K)。充注量為40 mL、熱管傾斜角為60°、加熱功率為600 W時TiCl4熱管等效傳熱系數最大,達到12 500 W/(m2·K)。

③ AlBr3熱管的傳熱性能優于TiCl4熱管,AlBr3熱管更符合中高溫熱管的技術要求。