本研究基于973项目"钢铁生产过程高效节能基础研究"子课题"生产过程的能量转化与优化配置方法"。主要针对中低温余热回收设备中的热管换热器进行蒸汽凝结换热的研究。文献研究表明,热管中混入少量不凝气体就会对装置换热效果造成巨大抑制。在使用前需要进行抽真空操作,而抽真空耗能耗时,特别是大型热管换热装置,且抽真空后管内仍会残留少量不凝气体影响换热。本文设计开发一种不抽真空的重力回路热虹吸管,有效解决不凝气体对换热设备带来凝结换热的抑制。相比传统回路热管,不抽真空的重力回路热虹吸管无需管芯材料,工作液依靠重力在系统内自循环,仅在冷凝管末端增加气液分离器,将不凝气体引入气液分离器,可大幅降低不凝气体在冷凝管中对蒸汽凝结传热的抑制。同时,气液分离器限制了不凝气体在回路系统内循环流动,避免不凝气体对蒸发器和冷凝器换热造成循环影响。研究发现,不抽真空重力回路热虹吸管内存在大量不凝气体时,蒸汽在高分压不凝气体中形成混合传热传质区域,我们将此区域定义为扩散栓塞区。在扩散栓塞区不凝气体阻碍蒸汽流动,蒸汽通过流动+扩散的方式到达液膜表面凝结换热,同时不凝气体逆蒸汽流动方向发生逆向扩散并达到局部区域的动态平衡。实验研究了重力回路热虹吸管内不凝气体对系统启动过程的影响发现,不凝气体含量、系统充液率、蒸发器热负荷以及气液分离器安装位置均会对系统启动时间、运行压力及蒸发器和冷凝器温度造成影响。研究表明:1)重力回路热虹吸管启动过程蒸汽与不凝气体在蒸汽管中形成扩散栓塞区,蒸汽推动扩散栓塞区,并压缩不凝气体进入冷凝管及末端的气液分离器,当扩散栓塞区进入冷凝管后,系统压力迅速降低,形成启动过程"压力峰"现象;2)系统充液率越高,启动过程压力越大,启动时间越长;蒸发器热负荷越大启动时间越短;不凝气体含量越高,启动时间越长;3)气液分离器内有效初始气相容积越大,回路热虹吸管启动越容易。不抽真空重力回路热虹吸管进入动态平衡工作阶段后,大量不凝气体聚集在气液分离器内并逆蒸汽流动方向,向冷凝管逆向扩散,与蒸汽形成扩散栓塞区,影响冷凝管内的凝结换热。实验表明:1)不凝气体提升系统运行压力及蒸发器的蒸发温度,有利于提高局部凝结换热量,但会影响整个换热系统的换热能力;2)扩散栓塞区放大了由于蒸汽蒸发凝结自平衡引起的系统压力震荡,使冷凝管管壁温度振幅增大,而扩散栓塞区的震荡可以提升局部的凝结换热效率;3)扩散栓塞区的存在大幅改变了冷凝管内蒸汽的凝结分布,不凝气体含量越大,蒸汽凝结越集中在冷凝管前段,70%充液率蒸发器热负荷为3.0kW时,不抽真空工况在冷凝管前段的平均热流密度是抽真空工况的1.67倍,有效冷凝管长度比抽真空工况短;4)系统内添加含量为0.5-1wt%乙醇后,会促进蒸汽的局部凝结换热,降低不凝气体对凝结换热的影响,提升换热器的换热效率。为了检测扩散栓塞区内不凝气体的分布,我们设计了一套非接触式红外检测平台,利用水蒸气和不凝气体(空气)对红外光谱中特定光谱吸收率的不同,测量水蒸气在石英玻璃冷凝管中的分布,得到了冷凝管内扩散栓塞区的分布位置及扩散栓塞区内组分浓度分布。最后基于组分输运方程建立了扩散栓塞区内蒸汽与不凝气体的流动扩散模型,使用Maxwell-Stefan组分扩散代替组分输运方程中的Fick定律扩散项,并数值计算得到模型在某些工况下的近似解。将扩散栓塞区模型计算得到的数值解与实验数据相比较,发现模型能准确描述出冷凝管内蒸汽及NCG的扩散流动规律。