常温小温差下的分离式热管换热器充液率研究

燃烧温度随燃气燃烧过剩空气系数、空气和燃 气加热温度的变化而变化, 对于同一燃烧设备当燃 用燃气种类发生变化时, 在满足燃烧设备加热温度 的条件下, 根据燃烧温度的变化规律, 通过调整过 剩空气系数、空气和燃气加热温度能够满足燃烧设 备加热温度的要求。
3 结论
钢铁企业炼钢过程中产生数量众多的各类燃 气, 各种燃气的燃烧温度受燃气燃烧的过剩空气系 数、空气和燃气的被加热温度等因素影响很大。当 过剩空气系数 1 2、空气和燃气均不预热时, 焦 炉煤气 ( COG )、转炉煤 气 ( LDG )、天然气 ( NG )、 COREX煤气 ( CRG) 四种燃气燃烧温度比较相近, 燃烧温度变化范围为 1800 ~ 2000 , 高炉煤气燃 烧温度比较低为 1200~ 1280 。当空气和燃气温 度均被加热到 400 时, 各种燃气的燃烧温度显著 提高, 对于低热值高炉煤气 ( BFG )燃烧温度提高约
器入口的管内工质干度为 0, 蒸发器出口、上升管 和冷凝器入口的管内工质干度相等 ( 对应充液率 下限, 此干度值为 1)。
蒸发器和冷凝器均设为恒热流密度条件, 有:
q = const.
( 2)
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2 2分离式热管充液率计算 式 ( 1)中的充液率也可表示为:
qm = q D l /r
( 5)
设蒸发器出口干度为 xL, 蒸发器总长为 L e, 则
蒸发器汽液总的质量流量为:
qm = ( q D Le ) / ( xL r)
( 6)
则在 l 处的干度为:
x = qm /qm = ( l xL ) /L
( 7)
由式 ( 7 )可见蒸发器中 x 沿管长 l呈线性变
2 分 离式 热管 的充 液率
分离式热管的充液率 R 定义为充入液相工质 的体积与蒸发器管内容积之比值 [ 3] , 有:
R = V l /Ve
( 1)
式中: V l 充入液相工质的体积, m 3;
Ve 蒸发器管内容积, m 3。
充液率是影响分离式热管传热效果的重要因
素之一, 也是热管设计和应用中必不可少的参数。 充液过多, 液态工质将会被气体夹带进入蒸汽上升 管, 甚 至到冷凝器, 降低系统 的传热性能; 充液过 少, 则会使加热段上部管内壁无液膜覆盖, 引起传
( 12)
式中: A e、A c 蒸发器、冷凝器管内截面积, m 2;
A v、A l 上升管、下降管管内截面积, m 2;
v 、v 饱和蒸汽、总工质比体积, kg /m 3;
L e、L c L v、L l m e、m c m v、m l
蒸发器、冷凝器管总长度, m; 蒸发器、冷凝器管总长度, m; 蒸发器、冷凝器的工质质量, kg; 上升管、降液管的工质质量, kg。
28 7
26 5
g
25 8
27 6
27 0
26 1
25 2
h
24 5
27 6
26 8
25 9
25 2
i
24 5
27 4
26 7
25 8
25 0
g
24 4
27 1
26 7
25 8
24 9
k
24 1
26 8
26 5
25 7
24 7
l
23 9
26 7
26 3
25 3
24 2
图 3 在不同充液率下蒸 发器与冷凝器表面温度分布
[ 3] 项凌. 燃气燃烧过程效率的热力 学分析 [ J]. 城市燃气, 2006, ( 3) : 13- 16.
[ 4] 钱申贤. 燃 气燃烧 原理 [M ]. 北京: 中 国建 筑工 业出 版 社, 1989.
[ 5] 宋鸿鹏, 周屈兰, 惠世恩, 等. 过量空 气系数 对燃气 燃烧 中 NOx 生成的影响 [ J]. 节能, 2004, ( 1): 12- 13.
当热管工作温度为 30 时, 按式 ( 12) 可算得 充液率下限值为 71 2% 。
3 试 验结 果及 分析
在蒸发器入口风温为 40 , 室外环境温度为 20 的试验条件下, 测试了 41% 、65% 、82% 、98% 和 113% 等 5组充液率下的蒸发器和冷凝器管的 壁温分布, 如表 1和图 3所示。
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常温小温差下的分离式热管换热器充液率研究
洪 光, 张春辉, 罗 晴, 张新铭 ( 重庆大学 动力工程学院, 重庆 400044)
摘要: 分离式热管散热器具有小温差下的高效传热能 力, 可 在一定条件 下替代室内 空调系 统, 以 达到 节能减排的目的。针对分离式热 管散热 器的应用 之需, 根据两 相流理 论和 R22工质 的热力 学性质 , 建立了最佳充液率的理论模 型, 进行了最佳充液率的计算及实验研究, 分析了不同充液率下蒸发器和 冷凝器管壁温度分布的实验 结果, 讨论了在常温小温 差条件下水 平布置分离 式热管散 热器的最 佳充 液率范围。 关键词: 分离式热管; 常温; 小温差; 充液率 中图分类号: TK172 4 文献标识码: A 文章编号: 1004- 7948( 2011) 01- 0024- 04 do:i 103969 / .j issn. 1004- 7948. 2011. 01. 007
[ 6] 彭世尼, 黄蓉, 黄 山. 过剩 空气系 数与 富氧 燃烧 对理 论 燃烧温度影响的数值计算 [ J]. 能源技术, 2007, 28( 1): 17- 18.
作者简介: 任 建兴 ( 1961- ), 男, 江苏 海门人, 博 士, 教授, 从事能源高效利用与污染物控制等方面的研究工作。 收稿日期: 2010- 11- 24; 修回日期: 2010- 12- 15
引言 电子设备的运行对温度、湿度及空气洁净度有
一定的要求, 因此通常在电子设备机房中装有空调 装置。热管是一种新型、高效的换热设备, 利用工
基金项目: 重庆大学 211工程 三期建设 项目 ( 项目编号: S - 09101)
质的相变吸放热原理, 传热系数高, 且结构简单、布 置灵活, 应用范围十分广泛 [ 1- 2] 。在我国大部分地 区, 冬季和春秋过渡季节多数时间的户外气温低于 20 。当室外环境温度低于电子设备机房的要求 温度时, 利用分离式热管散热器的小温差高效传热 性能, 可停用或部分停用常规空调系统, 有效降低 能耗, 减少机房运行和维护费用, 以达到节能减排 的目的。
表 l 换热器管壁温度分布
测温点 41
充液率 /%
65
82
98
113
a
28 9
28 1
27 3
26 2
25 3
b
29 1
28 5
27 8
27 2
26 2
c
29 8
28 9
28 1
27 3
26 4
d
30 2
29 1
28 3
27 3
26 4
e
32 2
29 2
28 5
26 1
26 5
f
33 7
31 6
28 7
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使局部传热性能降低。 可以看出当热管在 41% 充液率 工作时, 蒸发
器的管壁温度变化剧烈。测温点 a、b、c、d处的温 度变化不大, 其平均温度为 29 5 。测温点 e、f处 的温度与 a、b、c、d测温点温度突然间升高很大, 其 平均温度是 31 2 。由此可以看出该热管工质的 饱和温度是 29 5 。蒸发器上部在测温点 d处时 温度开始异常上升, 表明管内工质已经开始过热。 管内已经无液态工质存在。所以在 d 测温点之后 蒸发器已经无相变吸热状态。同理在 65% 充液率 的实验中, 同样出现了蒸发器上部温度异常升高的 现象。这同样表示了在蒸发器上部有部分的非相 变区。表明在蒸发器出口附近的管内工质全部气 化。这是由于较低的充液率造成了传热效率的低 下。
200 达到 1580 。因此, 燃气种类改 变时, 通过 调整过剩空气系数、空气和燃气加热温度能够满足 燃烧设备加热温度的要求。 参考文献
[ 1] 同济大学, 重庆建筑大学, 哈尔 滨建筑大 学, 等. 燃 气燃 烧与应用 [M ]. 北京: 中国建 筑工业出版社, 2000.
[ 2] 王秉铨. 工 业锅炉 设计 手册 [M ]. 北京: 机 械工 业出 版 社, 2000.
分离式热管散热器试验装置由室内蒸发器和 室外冷凝器两部分组成, 蒸发器和冷凝器之间通过 蒸汽上升管和液体下降管连通, 形成一自然循环回 路。图 1所示为分离式热管试验台。冷凝器入口 高于蒸发器出口 0 8m, 以克服管内工质的流动阻 力损失。共布置有 15个测温点, 其中蒸发器和冷 凝器壁温各 6个, 另 3个为蒸发器进、出口和冷凝 器出口的风温。采用 级铜 - 康铜热电偶与 1台 A g ilent 34970A 数据采集仪将温度信号接入 PC 进 行记录与处理, 测温精度为 。冷凝器入口高位和 下降管低位装有排气阀, 用以排除管内不凝气体, 其中下降管低位的排气阀也作为充液口。蒸发器 出口装有压力表。
可以看出, 在低充液率下, 蒸发器管壁温分布 较不均匀, 接近出口处的壁温分布较陡, 表明蒸发 器管内工质并不完全是相变吸热, 而存在过热段, 使局部传热性能降低。
同样, 在高充液率下, 蒸发器管壁温分布也不 均匀, 在入口附近壁温分布也较陡, 表明蒸发器管 内工质并不完全是相变吸热, 而存在未饱和段, 也