三相流重力热管冷凝段传热性能研究

为拓展三相流强化传热和防、除垢技术的应用领域,优化重力热管的传热性能,设计并构建了1套三相流闭式重力热管系统。考察了固含率、加热功率、充液率等参数对于三相流重力热管冷凝段传热性能的影响。结果表明,三相流重力热管可以强化传热。冷凝段对流传热系数随着加热功率的增加而增大,随着充液率的增加而减小。充液率较低时,冷凝段对流传热系数随着固含率的增加而增大;而当充液率较高时,随着固含率的增加,对流传热系数则呈现出先增加,后降低,然后再增加的变化趋势。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70～100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

倾角及充液率对并联式脉动热管传热性能的影响

以超纯水为工质,在不同的充液率（35%、50%、70%）和倾角（60°、90°）下,对并联式脉动热管的传热特性进行实验研究,分析在不同加热功率下充液率和倾角对并联式脉动热管壁面温度、加热端与冷凝端温差、传热量及传热热阻的影响,并对传热热阻进行不确定度计算。实验结果表明,充液率和倾角对脉动热管的传热特性影响显著。倾角为90°时,3种充液率条件下,充液率为35%和50%时的壁面温度脉动稳定性要优于充液率为70%的情况,并且充液率为50%的传热热阻最小,加热端与冷凝端温差最小,充液率为70%的传热热阻最大,加热端与冷凝端温差最大。充液率为50%,倾角为60°和90°时,在相同的加热功率下,倾角为60°的壁面温度的脉动幅度较大,传热热阻较高,传热极限变窄,传热效果明显差于倾角为90°的情况。     

重力径向偏心热管的温度特性

研制了不锈钢-水重力径向偏心热管,在70~100℃范围内实验研究了该热管的温度特性及其影响因素。当冷凝段处于自然对流时,较大充液率、上部控温方式和较低运行温度有利于提高冷凝段及蒸发段壁面温度的稳定性和均匀性;冷凝段内壁中心处的温度稳定性2 h内为±0.024℃,其中心段20 cm内温度均匀性为0.142℃。当采用强制对流冷却时,增大充液率、降低冷却能力可提高蒸发段平均温度,并改善蒸发段外壁面温度均匀性。此外,分析了热管通过相变换热及其热容来提高温度稳定性和均匀性的传热机理。此类热管在温度校准领域具有较好的应用前景。     

两相闭式热虹吸管的流动与传热特性研究

对两相闭式热管内的流动与传热特性进行数值模拟.分段建立热管内的流动与传热方程,通过编写程序对控制方程进行求解.采用离散液膜下降高度方法,联合利用复合辛普森数值积分和四阶龙格库塔数值微分方法成功地实现模型求解过程.将热管内充液量、饱和蒸汽温度和加热段热流密度作为影响因素进行数值计算.在分析中考虑下降液膜和上升蒸汽之间界面剪切力的影响.数值计算结果发现,尽管界面剪切力有时对传热过程的影响不大,但冷凝段和蒸发段的液膜都有所增厚,模型预测结果与实验测量值吻合程度有所改善.数值模拟结果表明,综合考虑热管内界面剪切力和总体充液量对热管流动与传热特性的影响是有必要的,由此获得的传热特性关联式更符合实际情况,可以为热管换热器的性能计算和设计提供指导.     

充液率及工质对复合中空热管传热性能的影响

建立了复合中空热管传热性能实验平台,对不同充液率(20%,25%,33%,40%,50%)和不同工质(蒸馏水,无水乙醇,重铬酸钾溶液)条件下的复合中空热管传热性能进行了实验研究。研究表明:当工质为蒸馏水时,复合中空热管的最佳充液率为33%;当充液率均为33%时,无水乙醇工质复合中空热管的传热性能最好,其次是蒸馏水工质和重铬酸钾溶液工质的复合中空热管;当充液率为20%时,蒸馏水工质的复合中空热管的传热性能变化趋势明显与充液率为25%,33%,40%,50%时不同,而且传热效果最差。当充液率均为33%、工质为纯水时,加热蒸汽热流密度(102,108,115 kW/m2)不同,复合中空热管的传热性能也不同,传热性能随着加热蒸汽热流密度的提高而提高。实验研究为工业应用提供了基础。     

蒸发段和冷凝段变化对重力热管性能的影响

以铜-水重力热管为对象,研究了热管蒸发段和冷凝段的长度及位置等应用条件改变对重力热管传热性能的影响,实验输入功率范围为40~160 W。对比不同应用条件下热管的蒸发段温度、当量热阻、蒸发段和冷凝段分别与绝热段之间温差的变化规律得出结论：蒸发段和冷凝段长度及位置的改变能够影响重力热管的传热性能。冷凝段适当下移能使热管热阻减小,冷凝段和绝热段温差降低,蒸发段温度降低,热管传热性能改善,而冷凝段长度减小会对传热性能产生不利影响;加热段适当向冷凝端方向移动有利于热管的传热性能提升,蒸发段长度的减小对热管传热产生不利影响,实际应用中应避免。     

重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术(ECT)对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示:当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

重力热管冷凝段运行特征的可视化实验研究

应用电容层析成像技术（ECT）对重力热管冷凝段的流动换热进行了可视化实验研究。重力热管以乙醇为工作介质,通过加热器控制重力热管蒸发段加热温度,冷凝段采用冷却水与乙醇蒸气进行逆向对流换热。通过ECT测量系统对冷凝段乙醇蒸气的冷凝过程进行监测,观察不同工况条件下重力热管冷凝段的气、液分布特性和液膜的形成及发展过程。摒弃了传统电容传感器的屏蔽罩结构,通过将测量电极用绝水层密封实现了传感器在液下环境工作,有效地拓展了ECT技术的应用领域。实验结果显示：当蒸发段加热温度较低时,乙醇蒸气在冷凝段壁面凝结形成条索状流动;随加热温度升高,冷凝液流动过渡至环状流;加热温度超过一定限值后,冷凝段出现液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象,并且频率随温度升高而升高。重力热管与垂直方向夹角为30°倾斜放置时,在高加热温度条件下同样存在液膜增厚甚至闭合脱落的周期性现象。     

热管蒸汽发生器在大型硫酸装置中的设计与运行

介绍了热管蒸汽发生器的结构、工作原理及在祥光铜业700 kt/a冶炼烟气制酸装置中的运行实践。2台热管蒸汽发生器自2007年12月投用以来运行状况良好,工艺指标稳定,热回收效率较高,正常生产时约产2.2～2.5 MPa中压饱和蒸汽700 t/d。     

热管锅炉在金隆铜业硫酸装置的应用实践

介绍了金隆铜业硫酸装置转化工序3台热管锅炉的设计烟气工况、设计选型及操作管理情况。3台热管锅炉设计蒸汽压力1.35 MPa、给水温度104℃、总蒸发量最大为30.1t/h,实际生产给水温度90℃左右,总蒸发量最大仅为19.3 t/h。生产中还出现水管漏水、膨胀节焊缝漏烟、汽包下降管盐垢堵塞等问题,采取相应处理措施后恢复正常生产。同时对热管锅炉的设计、制造及操作提出一些建议。     

热源位置对轴向槽道热管传热的影响

探讨了轴向槽道热管垂直安装时热源位置的不同对热管工作特性的影响。当热源位于热管管内工质静止液面以下时，重力的作用提高了垂直安装热管的传热极限。热源相对于热管管内工质静止液面的位置不同时，热管的工作温度、启动过程以及传热极限都表现出不同的特性。当热源位于热管管内工质静止液面附近时，热管存在一个非正常启动过程，在该过程中热管的工作温度会发生瞬态的升高，然后逐渐恢复到正常的工作状态，该瞬态最高温度受热源位置、热管充液量、热管加热速率等因素的影响。当热源的位置高于热管管内工质静止液面一定距离后，热管将无法正常工作。     

热管省煤器在120 kt/a硫磺制酸系统中的应用

介绍120kt／a硫磺制酸装置转化工段两台热管省煤器的结构特点和应用情况。转化器第三段出口冷换热器后的省煤器为水箱式热管省煤器，锅炉给水在水箱内与热管内工质换热；五段出口省煤器为夹套式热管省煤器，锅炉给水在套管与热管的间隙内被工质加热：两台热管省煤器的蒸发段与放热段之间均由管板隔离，以防止烟气对水侧管壁面的腐蚀，热管省煤器具有运行费用低、操作安全稳定等优点。通过严格控制锅炉给水质量和正确的开停车操作，近两年来热管省煤器运行良好，未发生泄漏故障：     

板式换热器波纹通道的流动与传热机理

采用Realizable k-ε湍流模型,针对一种人字形板间波纹通道的流动与传热机理进行了数值模拟研究。考察了不同Reynolds数湍流状态下波纹通道中沿壁面的平均以及局部表面特征数（Nu和f）的变化规律,揭示了流动与传热参数在波纹通道不同横向剖面的分布规律。结果表明在Re<7860时,凹壁面Nu更大;Re>7860时,凸壁面Nu更大;随着Re的增大凹壁面f大于凸壁面。凹壁面的Nu在近入口和近出口处存在两个峰值,并且在近出口处存在极大值;而凸壁面在近入口处存在一个极大值,在近出口处存在极小值。凹壁面的f在近出口处出现陡升现象,而凸壁面则在近入口处出现陡升。随着Re增大,剖线v和TKE增大,而T减小。另外,v、T和TKE在近凹壁面区域皆突然增大。     

管壳式换热器强化传热研究进展

管壳式换热器作为工程中应用广泛的换热器,具有结构坚固、适应性强、能够利用和回收热能等优点。在追求高能源利用效率的背景下,换热器的强化传热得到广泛关注。本文重点阐述了管壳式换热器的强化传热相关研究进展,包括换热器本身几何结构的优化、换热流体的热物性改善以及多种强化传热技术结合的复合强化传热方法。其中几何结构优化主要包括改变换热管管型、增加管内插入物以及壳程中的隔板优化研究等。换热流体热物性改善包括纳米流体提高热导率、潜热型热流体提高比热容等。复合强化传热是将多种强化方法结合,可弥补单一方法的不足,以获得更高强化传热效果。最后指出管壳式换热器强化传热未来的研究方向在于持续开发强化传热管、制备稳定的纳米流体及潜热型流体以及多种强化方式复合提高强化效果。     

轴向导热对微通道内传热特性的影响

以去离子水为工质,在当量直径为155.3 μm的三角形硅基微通道中进行了传热特性的实验研究;采用轴向导热与总加热量的比值和轴向导热准则数来分析轴向导热对微通道内传热特性的影响;基于实验结果,对入口段长度进行了计算。根据红外热像仪的测量结果,局部壁面温度沿流动方向上呈非线性规律分布,并计算得出局部Nusselt数沿流动方向上的分布规律。轴向导热与总加热量的比值的变化范围为0.106～0.275,表明轴向导热对微通道内传热特性的影响显著,特别是在Reynolds数较小的情况下。对轴向导热准则数进行了新的修正,在热流密度与入口温度相近的情况下,轴向导热准则数随Reynolds数的增加而减小。     

板棒式换热器传热与流阻性能研究

简要介绍了板棒式换热器的结构和工作原理,设计制造了板棒式换热器,对板棒式换热器进行了传热与流阻实验。实验结果表明总传热系数理论计算与实验结果吻合较好,验证了模型公式的正确性。板棒式换热器是一种性能优良、结构紧凑的高效换热器,在硫酸工业等气体换热场合将有广阔的应用前景。     

无填料热源塔吸热效率实验

建立无填料热源塔热泵系统实验平台,研究不同进风位置、喷嘴位置、室外空气干球温度、相对湿度、风量、溶液入口温度下无填料热源塔吸热效率的变化规律。结果表明：进风位置和喷嘴位置对热源塔的吸热效率会产生影响,下喷式无填料热源塔吸热效率高于上喷式无填料热源塔;干球温度与吸热效率无明显相关性,但干球温度升高,热源塔从空气中吸收的总热量增加;相对湿度和风量升高,吸热效率提高;溶液入口温度升高,热源塔的吸热效率明显提高。与其他参数相比,溶液入口温度对热源塔的吸热效率影响最大。     

磷酸二铵反应造粒尾气余热的利用

介绍预中和反应的尾气与管式反应及二次氨化反应尾气混合洗涤后的尾气余热利用的有关计算。若将此尾气的余热用于氨蒸发器替代蒸汽气化液氨供预中和用气氨,年可节约蒸汽成本138万元,增加换热器系统的投资160万元,14个月可收回投资。