船舶余热热管吸附床最佳倾角试验研究

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【摘 要】为有效利用船舶尾气余热，提高吸附式制冷热管吸附床的传热效率，搭建了热管吸附床测试试验台，研究了热管吸附床倾角与传热效率之间的关系。结果表明：热管吸附床传热效率随工作倾角的增大呈现先增大后减少的特征，并在40°时获得最佳传热效率；热管吸附床凝结换热系数在各个输入功率条件下均大于蒸发换热系数，两者与工作倾角几乎无关。

【关键字】船舶余热；热管吸附床；传热效率；倾角

引言

供船舶柴油机和发电柴油机燃烧的燃油，在缸内发火燃烧后所释放的热量，只有30%～55%转化为了推进船舶前进的有效功，剩余的热量以各种形式散失[1]。在所散失的热量中，排气热损失占到20%～40%，除部分被废气锅炉吸收外，其他的直接排放到空气中，造成了巨大的浪费[2]。进一步利用船舶柴油机排出的废气，作为固体吸附式制冷的热源，实现以低品位热能为动力的能量转换，驱动船舶空调设备或冰机运转，势必能降低营运成本，提高经济性。

文献[3]、[4]、[5]分别研究了以氯化钙-膨胀石墨、沸石分子筛-水、氯化钙-氨气为工质对的吸附式制冷系统，在实验室中搭建了制冷系统试验台，测试工质对的吸附制冷性能。文献[6]探讨了利用远洋船舶柴油机余热进行吸附制冷的可行性，建立了船舶余热吸附制冷系统模型并进行了仿真计算，给出了吸附制冷的整体设计方案。吸附式制冷工质对的先对成熟，但对于吸收低品位热源的吸附床传热性能的研究很少涉及。基于此，本文利用具有高效传热性能的热管，实现低品位余热与吸附工质对之间的高效传热，重点研究了热管吸附床的最佳工作倾角，为吸附式制冷系统的设计提供依据。

1、试验部分

热管是一种高效传热元件，运用传热学中相变传热有较大的对流传热系数这一重要性质，将沸腾传热和凝结传热巧妙的封闭在一个压力很小（一般为102～10-2Pa）的管道中，即可传递大量的热量。热管不仅传热效率极高，同时还具有体积小、重量轻、无噪声、无活动部件的特点。

本试验系统可以精确测定热管吸附床的传热特性，并可调节热管的倾斜角度，通过计算可求得热管蒸发与凝结换热系数。

整个实验系统由可调热管、加热系统、冷却系统、温度测量及数据采集系统和角度调节系统五部分组成。各组成系统详细参数见表1。

试验用的热管为重力式热管，根据吸附床的结构，确定热管的蒸发段长度为120mm，绝热段长度为130mm，冷凝段长度为150mm。测试系统安装时，在热管外壁涂抹一层导热硅脂，然后将其蒸发段插入加热座内，以保证紧密接触，增强传热效果。将电加热套包裹于铜质加热座的外壁，通过调节螺栓的松紧，保证电加热套与加热座的传热效率。电加热套的输入功率由可调交流电压源控制，通过电压表、电流表记录输入电压、电流的数值。

热管的冷凝段插入冷却水套中，并由卡套将冷却水套端面和热管密封。冷却水套采用逆流换热布置，通过水泵把恒温水浴内的冷却水送入冷却腔内，水浴的温度控制在20.0℃。系统组装完成后，用隔热材料包裹整个实验装置，以隔绝与外界产生的热交换，减少试验误差。热管吸附床由可调支架获得，从倾角仪中读出倾角。

热管吸附床的输入功率根据式P=UI计算得出，输出功率根据式Q=cmt计算得出，其中t表示冷却水套进出口水的温升。试验台的系统原理图见图1。热管内充有5ml无机工作液体，在蒸发段、绝热段、冷凝段分别布置4、4、2个T型热电偶，具置见图2。将10个热电偶依次插入数据采集板上，通过软件将各点温度数值显示在电脑上，采样频率为5Hz。

2、数据分析与讨论

2.1倾角对传热效率的影响

试验的目的是确定热管吸附床倾角与传热效率之间的关系。调节输入电源的电压，使输入的电加热功率依次为20W、30W、40W、50W、80W，热管吸附床的倾角从90°开始，每次减小10°，直到20°时为止，记录冷却水套进出口的温差及热管10个测点的温度值。温度采集仪在各角度处稳定工作一定时间后，每隔5s记录一组数据。据此可计算出热管吸附床各工况条件下的输出功率和传热效率。

热管输出功率可由下式进行计算：

（1）

式中：c——水的比热容，取4.2×103J/kg﹒K；

m——水的质量，kg；

t1——冷却水进口温度，℃；

t2——冷却水出口温度，℃；

图3为不同输入功率下热管吸附床的传热效率。

分析图3，可得出以下结论。在输入功率相同的条件下，改变热管吸附床的角度，传热效率随倾角的增大，呈现出先增大后减小的特征，并在40°附近出现最大传热效率值。这是由于倾斜角度的不同，改变了热管内充注的工作液体的回流速度，影响工作液体与热管壁之间的接触时间及接触状态，从而影响热管吸附床的传热效率。在倾角相同条件下，改变输入功率，热管的传热效率整体呈现出随输入功率增大，传热效率增大的趋势。30W、40W和50W输入功率条件下，热管处于稳定工作状态，其传热效率基本一致。

2.2蒸发与凝结换热系数

热管蒸发与凝结换热系数是评判和分析热管工作性能的重要指标，可根据以下进行计算：

图4和图5为热管吸附床倾角分别为20°和90°时，热管蒸发和凝结换热系数与输入功率的关系。由图4、图5可知，蒸发换热系数he随着输入功率的增大而增大；凝结换热系数hc随输入功率呈现先增大后缓慢减小的变化趋势；凝结换热系数在各个输入功率条件下均大于蒸发换热系数，且两者与热管吸附床的倾角几乎无关。

3、结论

为更好的利用船舶余热，提高吸附式制冷热管吸附床的传热效率，搭建了热管吸附床试验台，研究了热管吸附床工作倾角对传热效率的影响，得出了以下结论。热管吸附床传热效率随工作倾角的增大呈现先增大后减少的特征，并在40°时获得最佳传热效率；热管吸附床凝结换热系数在各个输入功率条件下均大于蒸发换热系数，两者与工作倾角几乎无关。