夏侯國(guó)偉，謝明付，孔方明, 2，楊彩蕓

?

基于空調(diào)能量回收的平板熱管傳熱性能

夏侯國(guó)偉1，謝明付1，孔方明1, 2，楊彩蕓3

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410076；2. 中國(guó)人民解放軍92002部隊(duì)，廣東 汕頭，515000；3. 中機(jī)中聯(lián)有限公司，重慶，400039)

為了開發(fā)一種用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收的熱管式換熱器，設(shè)計(jì)一種單面槽道板式脈動(dòng)熱管并對(duì)其傳熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析在空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻條件下冷熱段比例、工質(zhì)、充液率、傾角對(duì)其熱性能的影響。研究結(jié)果表明：熱管冷熱段軸向長(zhǎng)度比例為6:4時(shí)，導(dǎo)熱性能最好；丙酮工質(zhì)時(shí)的熱管傳熱性能優(yōu)于水工質(zhì)的熱管傳熱性能；傾角對(duì)其傳熱性能的影響不大；該熱管采用丙酮工質(zhì)、充液率為20%時(shí)具有最高的傳熱性能及最低的啟動(dòng)溫度，適于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的能量回收。

空調(diào)；能量回收；平板熱管；傳熱性能

隨著社會(huì)的快速進(jìn)步發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境舒適性的要求越來越高，暖通空調(diào)系統(tǒng)及設(shè)備成了人們生產(chǎn)和生活的重要組成部分。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)暖通空調(diào)系統(tǒng)所消耗的能源占全國(guó)能耗的比重越來越大[1?2]。面對(duì)日益緊缺的可用能源，如何減少空調(diào)系統(tǒng)的能耗顯得很有必要。熱管由于具有傳熱系數(shù)大、熱傳遞速度快等特點(diǎn)，近年來逐漸應(yīng)用于空調(diào)余熱回收系統(tǒng)[3?5]。此系統(tǒng)中，熱管傳熱性能直接影響余熱回收的效率，因此，開發(fā)傳熱能力強(qiáng)的熱管成為關(guān)鍵工作。脈動(dòng)熱管作為一種新的熱管，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、熱流方向可逆的特點(diǎn)，近年來國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6?11]及傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究[12?17]。本文根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收系統(tǒng)特點(diǎn)及脈動(dòng)熱管研究熱點(diǎn)，結(jié)合前期研究基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種新型單面槽道板式脈動(dòng)熱并對(duì)其進(jìn)行傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究，致力于開發(fā)一種用于空調(diào)排風(fēng)能量回收的核心換熱元件。

1 單面槽道板式脈動(dòng)熱管結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的平板脈動(dòng)熱管外形長(zhǎng)×寬×高為210.00 mm×41.80 mm×2.88 mm，包括下蓋板、波紋板和中間通道，其截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于上蓋板為波紋板，下蓋板為平板，上下蓋板形成一組平行的梯形通道，通道當(dāng)量直徑為1.664 mm，共11條平行通道。殼體采用不銹鋼制作，管壁為0.40 mm。熱管工質(zhì)采用去離子蒸餾水和丙酮，分為加熱段和冷卻段，無絕熱段。

單位：mm

圖1 脈動(dòng)熱管的截面結(jié)構(gòu)示意圖

Fig. 1 Schematic diagram of PHP cross-section structure

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)板式脈動(dòng)熱管的特點(diǎn)，搭建傳熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括加熱部分、冷卻部分和數(shù)據(jù)采集部分。加熱部分采用電加熱，將電阻絲纏繞黃銅柱作為加熱塊，通過調(diào)壓器和功率表提供穩(wěn)定可調(diào)的加熱功率；熱管蒸發(fā)端與加熱塊端面緊密接觸，為減小其接觸熱阻，接觸面涂有導(dǎo)熱硅脂。冷卻部分采用空氣強(qiáng)迫對(duì)流散熱，由改進(jìn)的電腦CPU散熱風(fēng)扇形成。數(shù)據(jù)采集部分有計(jì)算機(jī)、多功能數(shù)字表、鎳鉻?鎳硅熱電偶等組成，在熱管外壁，沿軸向等間距布置一些測(cè)溫點(diǎn)，溫度采集后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。采用分子泵和機(jī)械泵聯(lián)合抽真空，實(shí)驗(yàn)熱管的真空度為0.2 mPa。為保證實(shí)驗(yàn)過程中熱管的可重復(fù)灌液及密封性，灌裝裝置采用真空閥進(jìn)行切換，灌液后采用高真空硅脂進(jìn)行密封。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

將熱管結(jié)構(gòu)看成是一種復(fù)合材料，采用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)來評(píng)價(jià)熱管傳熱性能，定義熱管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為

式中：為包括壁厚與蒸汽腔的整體熱管截面積，cm2；為蒸發(fā)端平均溫度，℃；為冷凝端平均溫度，℃；為熱管的加熱功率，W；為熱管的軸向長(zhǎng)度，cm；為當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(cm·℃ )。

實(shí)驗(yàn)方案及步驟如下：在某充液率下，調(diào)節(jié)不同傾角進(jìn)行不同加熱功率的傳熱性能試驗(yàn)，當(dāng)熱電偶測(cè)量的壁溫在15 min內(nèi)波動(dòng)小于0.5 ℃時(shí)，認(rèn)為實(shí)驗(yàn)達(dá)到熱平衡。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后得出一系列曲線，從以下幾個(gè)方面對(duì)熱管傳熱性能進(jìn)行分析和對(duì)比。

3.1 不同冷熱段長(zhǎng)度比的影響

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)冷熱段長(zhǎng)度比分別為5:5，6:4和7:3時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3所示為3組冷熱段長(zhǎng)度比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖3可知：當(dāng)冷熱段長(zhǎng)度比為6:4時(shí)，脈動(dòng)熱管的導(dǎo)熱性能最佳；當(dāng)比例為5:5時(shí)，熱管導(dǎo)熱性能最差。因?yàn)楫?dāng)加熱功率一定時(shí)，若冷凝段長(zhǎng)度過短，則導(dǎo)致冷凝段散熱熱阻增大，冷凝段平均溫度增大，熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)下降；若冷凝段過長(zhǎng)，則管內(nèi)氣塞未到冷凝段頂端即被冷卻回流，導(dǎo)致實(shí)際冷凝段減少，當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)下降；只有當(dāng)冷熱段比例適中時(shí)熱管的導(dǎo)熱性能才能達(dá)到最佳。本次實(shí)驗(yàn)熱管冷熱段長(zhǎng)度比為6:4時(shí)導(dǎo)熱性能最好，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用此比例，加熱段和冷凝段分別為4個(gè)和5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

冷熱段長(zhǎng)度比：1—5:5；2—6:4；3—7:3

圖3 不同冷熱段長(zhǎng)度比時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Fig. 3 Experimental results at different ratio of cold length and hot length

圖4 測(cè)點(diǎn)分布圖

3.2 工質(zhì)的影響

2種工質(zhì)下當(dāng)充液率為20%和40%時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖5和圖6。從圖5和圖6可見：在充液率為20%和40%時(shí)，在同一功率下以丙酮為工質(zhì)的脈動(dòng)熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)大于水工質(zhì)當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，丙酮工質(zhì)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)最大達(dá)到280.41 W/(cm·℃)，水工質(zhì)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)最大達(dá)到215.45 W/(cm·℃)。這是因?yàn)榕c水工質(zhì)熱物性相比，丙酮工質(zhì)飽和溫度及氣化潛熱小，較容易汽化，吸收較少熱量就可以汽化，故采用丙酮工質(zhì)的脈動(dòng)熱管傳熱效果更優(yōu)。

(a) 工況一(丙酮，充液率為20%)；(b) 工況二(水，充液率為20%)

傾角/(°)：1—90；2—60；3—45；4—30；5—0

圖5 充液率為20%時(shí)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

Fig. 5 Experimental results of thermal conductivity with 20%

(a) 工況一(丙酮，充液率為40%)；(b) 工況二(水，充液率為40%)

傾角/(°)：1—90；2—60；3—45；4—30；5—0

圖6 充液率為40%時(shí)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

Fig. 6 Experimental results of thermal conductivity with 40%

3.3 充液率的影響

以丙酮和水為工質(zhì)，在傾角為30°和90°時(shí)，脈動(dòng)熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)隨加熱功率的變化見圖7。從圖7可見：在相同傾角下，丙酮工質(zhì)最佳充液率為20%，水工質(zhì)最佳充液率為30%。故本實(shí)驗(yàn)件的最佳充液率為20%~30%。

(a) 工況一(丙酮，傾角為90°)；(b) 工況二(水，傾角為90°)；(c) 工況三(丙酮，傾角為30°)；(d) 工況四(水，丙酮，傾角為30°)

充液率/%：1—20；2—30；3—40；4—50

圖7 不同充液率的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

Fig. 7 Experimental results of thermal conductivity with different filling ratios

3.4 傾角的影響

以2種工質(zhì)下充液率分別為30%和50%時(shí)為例，分析傾角對(duì)脈動(dòng)熱管傳熱性能的影響，結(jié)果見圖8。從圖8可知：該熱管傳熱特性與傾角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不特別明確，在0°~90°范圍內(nèi)都能運(yùn)行；但丙酮工質(zhì)、傾角為0°時(shí)運(yùn)行時(shí)，加熱功率過大傳熱性能有所下降?？傮w來說，傾角對(duì)熱管傳熱性的影響不大。

(a) 工況一(丙酮，充液率為30%)；(b) 工況二(水，充液率為30%)；(c) 工況三(丙酮，充液率為50%)；(d) 工況四(水，充液率為50%)

傾角/(°)：1—0；2—30；3—45；4—60；5—90

圖8 不同傾角時(shí)的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)

Fig. 8 Experimental results of thermal conductivity at different oblique angles

3.5 熱負(fù)荷對(duì)熱管軸向溫度分布的影響

圖9所示為丙酮工質(zhì)和水工質(zhì)在不同加熱功率下，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)熱管軸向溫度分布，其中橫坐標(biāo)原點(diǎn)取值為冷卻段端部，指向蒸發(fā)端。從圖9可以看出：不管工質(zhì)是丙酮還是水，熱管在各加熱功率條件下等溫性都比較好，兩端最大溫差均不超過10 ℃；隨著功率增大，溫差絕對(duì)值有一定程度增加，但熱管當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大并達(dá)到最大值；當(dāng)加熱功率很低時(shí)，雖然因管壁自身的導(dǎo)熱使得冷熱端溫差很小，但此時(shí)冷熱端溫差相對(duì)加熱功率仍然顯得更大，故熱管的導(dǎo)熱性能仍然很差；當(dāng)功率足夠大時(shí)，傳熱過程從加熱初期的以自身導(dǎo)熱為主變成了由工質(zhì)的兩相對(duì)流傳熱為主，冷熱端溫差雖然變大，但相對(duì)加熱功率變小，所以，熱管導(dǎo)熱性能也增大；當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)存在最大值，說明熱管存在傳熱極限。

(a) 工況一(丙酮，充液率為20%，傾角為60°)；(b) 工況二(水，充液率為30%，傾角為60°)

加熱功率/W：1—15；2—20；3—30；4—40；5—50；6—60；7—70；8—75

圖9 熱管軸向溫度分布

Fig. 9 Axial temperature distribution of heat pipe

3.6 熱管最低啟動(dòng)溫度

圖10 所示為熱管在實(shí)驗(yàn)過程中啟動(dòng)溫度曲線。從圖10可知：當(dāng)熱管采用丙酮工質(zhì)、充液率為20%、加熱功率為15 W時(shí)熱管的最低啟動(dòng)溫度分別為21 ℃和15 ℃。鑒于國(guó)發(fā)[2006]28號(hào)文規(guī)定，空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)溫度夏季不得低于26 ℃，冬季不得高于20 ℃，可知該熱管恰好適于其能量回收。

(a) 工況一(丙酮，充液率為20%，加熱功率為15 W)；(b) 工況二(丙酮，充液率為30%，加熱功率為15 W)

1—蒸發(fā)端平均溫度；2—冷凝端平均溫度

圖10 熱管最低啟動(dòng)溫度

Fig. 10 Minimum start-up temperature of heat pipe

4 結(jié)論

1) 當(dāng)熱管冷熱段軸向長(zhǎng)度比為6:4時(shí)，平板脈動(dòng)熱管有最好的傳熱性能。

2) 平板脈動(dòng)熱管采用丙酮工質(zhì)時(shí)的傳熱性能整體優(yōu)于以水工質(zhì)時(shí)的傳熱性能。

3) 平板脈動(dòng)熱管采用丙酮工質(zhì)時(shí)，最佳充液率為20%；采用水工質(zhì)時(shí)，最佳充液率為30%。

4) 傾角對(duì)此平板脈動(dòng)熱管的傳熱性能影響不大，在0°~90°范圍內(nèi)熱管都能穩(wěn)定運(yùn)行。

5) 采用丙酮為工質(zhì)，當(dāng)充液率為20%時(shí)，熱管啟動(dòng)溫度為15~21 ℃，適于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的能量回收。

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Heat transfer performance of flat heat pipe based on air-conditioning energy recovery

XIAHOU Guowei1, XIE Mingfu1, KONG Fangming1, 2, YANG Caiyun3

(1. College of Energy and Dynamic Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410076. China;2. No.92002 Unit, People’s Liberation Army, Shantou 515000, China;3. China CMCU Engineering Co. Ltd., Chongqing 400039, China)

In order to develop a kind of heat pipe exchanger used for exhaust energy recovery of air-conditioning system, one kind plate pulsating heat pipe was designed and experimentally investigated.The influence on heat transfer performance of cold and hot length ratio, working liquid, filling ratio and inclination angle was analyzed under the effect of forced air convection cooling conditions. The results show that the heat pipe has the best heat transfer performance when the ratio of cold length and hot length is 6:4, heat transfer performance is better when the working liquid is acetone rather than water, and the effect of inclination angle is very small. Heat pipe has the highest heat transfer performance and the lowest starting temperature when the working liquid is acetone and the filling ratio is 20%, which can be used to exhaust energy recovery of air-conditioning system.

air-conditioning; energy recovery; flat heat pipe; heat transfer performance

TK121

A

1672?7207(2015)01?0317?07

2014?01?10；

2014?03?15

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目；長(zhǎng)沙市能源局資助項(xiàng)目([2008]27-8) (Project(12jj2031) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province of China; Project([2008]27-8) supported by Changsha Municipal Bureau of Energy)

夏侯國(guó)偉，副教授，從事高效強(qiáng)化傳熱研究；E-mail: xh_gw@126.com

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.043

(編輯 陳燦華)