水平布管重力型分离式热管实验研究

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(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

水平布管重力型分离式热管实验研究

周温泉，任杰，田晓亮，刘瑞璟，王兆俊，王伟

(青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071)

为了研究水平布管重力型分离式热管在空调余热回收领域的应用，本文设计了分离式热管的实验装置，进行了充液率的实验研究，并借助红外热力成像仪，首次应用图像可视化分析了不同充液率条件下热管蒸发器的工作状态。研究结果表明：热管的换热量随充液率的不同而发生变化，最佳充液率为45%～52%。通过能效比分析，最佳充液率时其能效比能达到8.4，表明水平布管重力型分离式热管节能效果显著，具有推广价值。

空调余热；水平布管；重力型分离式热管；换热量；充液率；可视化；能效比

0 引言

空调是现代建筑物的主要能耗之一,其节能性越来越受到人们的关注。把空调房间的热量排放到大气中既造成环境的热污染,又白白地浪费了热能。在建筑物的空调负荷中,新风负荷一般占20%～30%[1]。利用排风中的余冷或余热来处理新风,可以减少处理新风所需的能量, 降低机组负荷，提高空调系统的经济性。使用排风热回收装置,可以在节能的同时增加室内的新风量,提高室内空气质量。

热管由于具有传热系数大、热传递速度快、结构简单等特点，近年来在余热回收领域得到了广泛应用[2-10]。重力式热管技术成熟，应用最为普遍。重力型分离式热管是在重力式热管基础上改进而成的，其在空间布局上可根据需要灵活地布置热管的蒸发器和冷凝器，可实现远距离传输热量，只需要冷凝器的安装位置高于蒸发器的安装位置。重力型分离式热管完全可以应用到空调余热回收领域。目前唐志伟等[11-14]对竖直排管型的重力型分离式热管的充液率、运行特性等做了大量试验研究，王爱辉等[15]对重力式热管空调机组的运行特性进行了试验研究，金鑫等[16]对分离式热管空调的性能进行了实验研究，而对水平排管式的重力型分离式热管研究还很少。本文所研究的重力型分离式热管，其换热器的结构布置方式为水平排管型，多排管由上、下集气管并联而成。

本文设计了一个试验装置， 采用R134a为工质，研究在常温、10℃温差条件下工作的重力型分离式热管的性能。在不同充液率条件下，实测了蒸发器进、出风温差，计算出蒸发器的换热量，进而算出热管的能效比，并首次利用红外热力成像仪拍摄了不同充液率下蒸发器管表面的温度分布照片，根据实验结果确定了最佳充液率。

1 实验装置及原理

1.1 实验装置

重力型分离式热管实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， 形成自然循环回路。图1所示为重力型分离式热管试验台。冷凝器出口高于蒸发器出口0.55 m，以克服管内工质的流动阻力损失。共布置有12个测温点，其中蒸发器进、出风面和冷凝器进风面各4个。采用铂电阻Pt1000(二线制，精度A级)与1台Agilent 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A级。风速由热线风速仪测量，其测量精度为1级。蒸发器出口装有压力表。液体下降管低位装有充液阀。

本实验的蒸发器和冷凝器由紫铜盘管和铝质平板套片组成,两者之间通过胀管来连接。垂直气流方向每排水平布置12根管,沿气流方向为4排管,单管长360 mm，直管段之间由180°弯头连接而形成通路。管间距25 mm，错排布置，管径Φ9.52×0.2，翅片间距为2 mm，翅片厚0.15 mm。4排管由上、下集管并联连接。蒸汽上升管内径为14 mm，液体下降管内径为8 mm，长度均为2 m，实验时均被海绵保温管包裹，以减少热量损失。实验时蒸发器和冷凝器分别放入两个控制室内，控制室内的温度通过空调调节，使得蒸发器和冷凝器的进风温差达到10℃左右。

图1 水平布管重力型分离式热管试验台Fig.1 The test bench of horizontal-pipe gravitational separate heat pipe

1.2 实验原理

本文定义的充液率为充液量与热管系统(包括蒸发器、冷凝器和连接管)的容积之比。本实验装置热管系统一共可充注3.2 kg的R134a制冷工质，实验过程从充注0.9 kg工质开始，逐渐充注，每个充液率工况下运行至少1小时的时间，以使热管达到稳定运行状态。测得风速为1.4 m/s。

蒸发器的换热量Q

Q=ρvAcpΔt

(1)

式中ρ——空气密度/kg·m-3;

V——风速/m·s-1;

A——风道截面积/m2;

cp——空气定压比热容/kJ·kg-1·℃-1;

Δt——蒸发器进出风空气温差/℃。

2 试验数据及分析

实验测得了室内外温差10℃情况下充液量为0.9 kg、1.1 kg、1.3 kg、1.45 kg、1.6 kg、1.75 kg、1.9 kg条件下的蒸发器进、出风空气温差，并代入公式(1)中求得蒸发器的换热量，转化为充液率与换热量的关系如图2所示。

图2 换热量与充液率的关系Fig.2 Relationship betweenheat exchange and filling rate

较低充液量时，以充液量1.1 kg为例，此时充液率为34.4%，换热量为357 W。从表1可以看出，第1、2、4排管的测温点a、b、c和第3排管的测温点a、b、c、d温度均在19.4℃左右，而第1、2、4排管的测温点d、e、f和第3排管的测温点e、f温度突然增加到21.6℃～23.8℃之间，说明此工作状态下热管工质的饱和温度为19.4℃左右，管表面温度为21.6℃～23.8℃的管内流动的已经是过热蒸汽。因此在蒸发器底部由于相变吸热，局部吸热量大，故蒸发器该部位进出风空气温差大，传热性能好。而在蒸发器上部，管内均为过热蒸汽，该部位成为过热段，无相变吸热过程，使得传热系数和传热性能均降低。故该充液率时不符合热管的最佳工作要求。

表1 充液量1.1 kg时蒸发器管壁表面温度

注：蒸发器管壁表面测温点位置及管排标记见图1

图2中换热量最高时为504 W，此时充液量1.6 kg，充液率为50%，从表2可以看出，蒸发器管壁表面温度分布均匀，在19.4℃左右，此时各管内均发生相变吸热过程，蒸发器整体处于相变区，进出风温差较大而且均匀，蒸发器换热量大，传热性能好，符合热管的最佳工作要求。最佳充液率时蒸发器的整体均处于相变换热区域。从图2可以看出最佳充液率范围在45%～52%之间。

表2 充液量1.6 kg时蒸发器管壁表面温度

注：蒸发器管壁表面测温点位置及管排标记见图1

本次试验最高充液量为1.9 kg，充液率为59.4%，此种运行工况时，蒸发器底部管路内已经为过冷液体，同样冷凝器底部管路出现积液，无相变换热过程，减少了换热器的有效换热面积，蒸发器整体换热量比最佳充液率时下降25.7%之多。如果继续增加充液率，换热量会继续下降，当充液率达到一定值时，蒸发器只处于液相区，重力型分离式热管将无法工作。

3 可视化分析

试验过程中利用红外热力成像仪拍照了不同充液率下蒸发器管表面温度分布图片，如图3所示。从图中可以看出，对于该重力型分离式热管，由于充液率的不同，会引起蒸发器管壁温度分布的明显变化，这将直接影响热管的工作状态及换热效率。下面分别以充液量1.1 kg、1.6 kg为例进行分析。

图3中充液量为1.1 kg的图片显示：第1、2、4排管的下面5根管和第3排管的下面7根管显示为黑色管路，温度较低，表明蒸发器该区域为相变吸热区域；第1、2、4排管的上面7根管和第3排管的上面5根管显示为高亮管路，温度较高，表明蒸发器该区域管内为过热蒸汽，无相变吸热。因此在蒸发器底部由于相变吸热，局部吸热量大，而在蒸发器上部，管内均为过热蒸汽，无相变吸热过程，使得传热系数和传热性能均降低。

图3中充液量为1.6 kg，即充液率为50%的图片显示：蒸发器所有管路均显示为黑色，管壁表面温度分布均匀。此时各管内均发生相变吸热过程，蒸发器整体处于相变区，换热量大，传热性能好。

图3 不同充液量下蒸发器管表面温度分布Fig.3 Wall temperature of evaporator at different filling amounts

4 节能性分析

能效比是在额定工况和规定条件下，空调进行制冷运行时实际制冷量与实际输入功率之比。能效比越大说明越节能。本文中热管的能效比(COP)即为热管的换热量与输入功率之比。本实验热管系统的输入功率P为60 W。

热管系统的COP为

COP=Q/P

(2)

式中Q——热管换热量/W;

P——输入功率/W。

图4 COP与充液率的关系Fig.4 Relationship between cop and filling rate

图4为热管系统COP与充液率的关系图。从图中可以看出，充液率在28%～60%范围内，热管系统COP均可达到5以上，当在最佳充液率工况下运行时，热管系统的COP可以达到8.4，而一般空调的能效比在2.8～3.4之间，从能效比来分析，较大范围内充液率工况下，该水平布管重力型分离式热管都比空调要节能得多，值得在空调余热回收领域大力推广。

5 结论

(1)充液率是影响分离式热管换热器传热效果的重要因素，通过实验研究，得到了水平布管重力型分离式热管的换热量随充液率的变化关系，其最佳充液率确定为45%～52%之间。

(2)首次利用红外热力成像仪拍摄的图像可视化分析了不同充液率下水平布管重力型分离式热管蒸发器的运行状态，图像中清晰的显示了蒸发器相变换热区域和过热区域的分布。

(3)最佳充液率时热管的蒸发器和冷凝器整体处于相变换热区域，此时热管换热量较大；低充液率时热管内工质有相当一部分处于过热蒸汽或过冷液体状态换热，此时热管换热量较低；高充液率时蒸发器底部和冷凝器底部不处于相变换热区，影响换热器的传热性能，此时换热量也较低。

(4)本实验所有充液率条件下，热管能效比均达到5以上，最佳充液率时，水平布管重力型分离式热管的能效比可以达到8.4，从节能性方面来说，此种热管比普通空调节能得多，可以在空调余热回收领域大力推广。

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ExperimentalStudyofHorizontal-pipeGravitationalSeparateHeatPipe

ZHOU Wen-quan, REN Jie，TIAN Xiao-liang,LIU Rui-jing,WANG Zhao-jun, WANG Wei

(College of Mechanical & Electronic Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071,China)

In this paper, experiments are conducted to study filling rates of horizontal-pipe gravitational separate heat pipe based on the device of separate heat pipes designed by ourselves, in order to study the gravitational separate heat pipe applications in the field of air-conditioning waste heat recovery. With the help of the infrared thermal imager, the evaporator working conditions are analyzed visually in different filling rates for the first time. The experimental results show that heat exchange changes with different filling rates. In this condition, the optimum filling rate is from 45% to 52%. The energy efficiency ratio is 8.4 in the optimum filling rate. It shows that the energy saving effect of horizontal-pipe gravitational separate heat pipe is remarkable,which is worth promoting.

air conditioning waste heat; horizontal pipes; gravitational separate heat pipe; heat exchange; filling rate; visualization; energy efficiency ratio

2013-07-23修订稿日期2013-10-14

周温泉(1987～)，男，硕士研究生，主要研究方向为高效节能技术。

TK172.4

A

1002-6339 (2014) 02-0190-03