微通道型分離式熱管傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究

金 鑫 瞿曉華 祁照崗 陳江平

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

分離式熱管由于其蒸發(fā)器和冷凝器的可分離性，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛[1]。目前，大型和中型分離式熱管得到了比較充分的研究，其應(yīng)用也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展[2]。但是，隨著科技的發(fā)展，小型緊湊型熱管的需求正在增加，出現(xiàn)了各種各樣的換熱器形式。郝瑩等對(duì)采用蛇形翅片管作為分離式熱管的換熱器的情況進(jìn)行了研究，得出各影響因素與熱管換熱量的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明，隨著蒸發(fā)器進(jìn)風(fēng)溫度的升高。蒸發(fā)器與冷凝器換熱系數(shù)都是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在冷凝端進(jìn)風(fēng)溫度恒定為16.55℃、蒸發(fā)端進(jìn)風(fēng)溫度低于60℃時(shí)，以R600a為工質(zhì)的分離式熱管的傳熱量曲線近似于二次曲線，蒸發(fā)端進(jìn)風(fēng)溫度高于60℃時(shí)，其傳熱量曲線近似于一條直線。加大充液率及增加蒸發(fā)器與冷凝器的高度差，分離式熱管的傳熱能力均會(huì)得到提高[3]。陳嵐等則對(duì)水平排管串聯(lián)型分離式熱管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了充液率與換熱量和換熱系數(shù)的關(guān)系，得出該分離式熱管在以丙酮為工質(zhì)、設(shè)定的加熱功率為1400W、空氣流速1.3m/s時(shí)，最佳充液率為70%～114%[4]。唐志偉等對(duì)由5根直徑20mm的無(wú)縫鋼管短管束組成的換熱器作為分離式熱管換熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該小型分離式熱管最佳充液率按蒸發(fā)段總?cè)萘坑?jì)為48%～63%，按管束總?cè)萘坑?jì)為20%～40%[5]。微通道型換熱器因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)緊湊、風(fēng)阻小和換熱能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在空調(diào)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。但是將其作為分離式熱管換熱器的研究報(bào)道較少，對(duì)于微通道型分離式熱管的充液率與換熱量和換熱系數(shù)的變化規(guī)律更是鮮有報(bào)道。

這里使用微通道型換熱器作為分離式熱管的蒸發(fā)器和冷凝器，并搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。主要研究充液率、高度差、溫差和進(jìn)出口數(shù)量等不同因素對(duì)微通道型分離式熱管單位面積換熱量的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)分析

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用分離式熱管系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由蒸發(fā)器、冷凝器、上升管和下降管等部件組成。蒸發(fā)器和冷凝器結(jié)構(gòu)完全相同，其中冷凝器位于上部，兩器的高度差為1.2m，足以克服換熱器內(nèi)的壓力損失。下降管處裝有排氣閥，同時(shí)排氣閥還可作為工質(zhì)的充注口。系統(tǒng)以R134a為工質(zhì)。

圖1 分離式熱管系統(tǒng)圖Fig.1 System of the separate heat pipe

圖2 微通道管結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the microchannel

此分離式熱管的特點(diǎn)是采用微通道型換熱器作為蒸發(fā)器和冷凝器，微通道型換熱器具有換熱能力強(qiáng)和風(fēng)阻小等優(yōu)點(diǎn)，有助于分離式熱管提高換熱能力，換熱器由鋁制微通道管和百葉窗翅片組成，如圖2所示。表1為微通道型換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of microchannel heat exchanger

實(shí)驗(yàn)裝置中有兩組風(fēng)機(jī)分別與蒸發(fā)器和冷凝器組裝在一起，風(fēng)機(jī)出口有均流格柵，使得風(fēng)均勻的吹在蒸發(fā)器和冷凝器表面。分離式熱管系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器分別處于兩個(gè)可以控制溫濕度的房間內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)制冷機(jī)組和濕度機(jī)組保持房間內(nèi)溫濕度恒定。在蒸發(fā)器工質(zhì)進(jìn)出管路和換熱器表面均布有10個(gè)銅康銅T型熱電偶，測(cè)量蒸發(fā)器各部分的溫度。

實(shí)驗(yàn)裝置熱電偶的分布位置如圖3所示，10個(gè)熱電偶分布于蒸發(fā)器的進(jìn)出管壁面以及換熱器表面。其中5、6是進(jìn)口，2、3、4是出口。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，通過(guò)改變研究的因素得出該因素對(duì)微通道型分離式熱管傳熱性能的影響，總結(jié)得出規(guī)律。

圖3 蒸發(fā)器熱電偶位置分布圖Fig.3 Position distribution of the thermocopule

1.2 數(shù)據(jù)分析

充液率是指20℃時(shí)充入工質(zhì)質(zhì)量所對(duì)應(yīng)體積與蒸發(fā)段的體積比。采用工程上常用的間接測(cè)量法，根據(jù)傳熱計(jì)算基本方程式，得出傳熱系數(shù)為:

式中 x—c或e,c表示冷凝，e表示蒸發(fā)；F0—換熱器空氣側(cè)換熱面積，m2；Δtm—對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

蒸發(fā)器或冷凝器的換熱量為

式中x—空氣密度，kg/m3；V —風(fēng)量，m3/s；Cp—空氣比定壓熱容，J/(kg.K)；t1x, t2x—換熱器前后平均空氣風(fēng)溫，℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫差對(duì)單位面積換熱量的影響

圖4所示的是不同溫差對(duì)微通道型分離式熱管單位面積換熱量的影響。從圖中看出，當(dāng)有5℃的溫差時(shí)，熱管即可運(yùn)行，且隨著溫差的變大，單位面積換熱量也會(huì)成倍的增加。圖5所示的是不同溫差與EER的關(guān)系，可以看出，溫差越大系統(tǒng)的EER越大，是一種非常節(jié)能的裝置。熱管單位面積換熱量在溫差為20℃時(shí)比溫差為10℃時(shí)增加了106%，故可看出溫差對(duì)此類(lèi)型熱管單位面積換熱量的影響是顯著的。在溫差為10℃時(shí)此類(lèi)型熱管的換熱量就可達(dá)到1734W，且具有高的能效比，可以利用其實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 不同溫差與單位面積換熱量的關(guān)系Fig.4 Heat transfer at the different temperature difference

圖5 不同溫差與EER關(guān)系Fig.5 EER under the different temperature difference

2.2 充液率對(duì)單位面積換熱量的影響

實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量的參數(shù)是蒸發(fā)器表面的溫度，通過(guò)只改變工質(zhì)的充液率，研究不同充液率時(shí)微通道型分離式熱管的單位面積換熱量和換熱系數(shù)。

表2所示的是蒸發(fā)器進(jìn)出口的溫度分布，可以看出系統(tǒng)充液率的不同會(huì)引起蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度的變化，這也將會(huì)影響蒸發(fā)器的換熱量。圖6所示的是不同充液率情況下蒸發(fā)器的單位面積換熱量。圖7所示的是不同充液率的平均換熱系數(shù)。

從圖6中可以看出，以單位面積換熱量為指標(biāo)本系統(tǒng)的最佳充液率介于113%～140%，在此區(qū)間內(nèi)的單位面積換熱量最大。如圖7所示，若以換熱系數(shù)為指標(biāo)，蒸發(fā)器換熱系數(shù)在充液率為140%左右時(shí)達(dá)到最大。兩個(gè)范圍基本吻合，所以微通道型分離式熱管系統(tǒng)的最佳充液率為113%～140%。

表2中可以看出，在低充液率時(shí)，蒸發(fā)器出口的溫度要明顯高于其他充液率情況，這是由于系統(tǒng)工質(zhì)不足，工質(zhì)在蒸發(fā)器底部時(shí)就已全部蒸發(fā)變成氣態(tài)，以后均為過(guò)熱蒸汽，所以出口的溫度較高。因?yàn)榉蛛x式熱管換熱主要是靠工質(zhì)的相變潛熱，在工質(zhì)過(guò)熱和過(guò)冷時(shí)的換熱量遠(yuǎn)小于相變潛熱的換熱量，低充液率時(shí)雖然進(jìn)出口工質(zhì)的焓差很大，但系統(tǒng)的質(zhì)量流量很小，所以低充液率時(shí)的單位面積換熱量較小。

表2 蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度分布Tab.2 Inlets and outlets temperature of evap

圖6 不同充液率與單位面積換熱量的關(guān)系Fig.6 Heat transfer at the diverse fi lling rate

當(dāng)系統(tǒng)處于高充液率時(shí)，蒸發(fā)器出口的溫度較高，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的壓力會(huì)隨著充液率的增加而提高，而工質(zhì)的相變溫度也會(huì)提高，所以蒸發(fā)器出口的溫度較高。如圖6和圖7所示，蒸發(fā)器的換熱系數(shù)和單位面積換熱量在高充液率時(shí)反而降低了，這是因?yàn)橄嘧儨囟鹊奶岣呤拐舭l(fā)器工質(zhì)蒸發(fā)變成氣態(tài)的質(zhì)量比充液率為84.6%、169.2%和211.5%時(shí)少，蒸發(fā)器出口處于兩相區(qū)，雖然工質(zhì)質(zhì)量流量變大了，但進(jìn)出口狀態(tài)的焓差減小了很多，所以單位面積換熱量反而降低了。不難看出，如果充液率繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，蒸發(fā)器中全部是液體工質(zhì)，分離式熱管將無(wú)法啟動(dòng)，徹底喪失功能。

圖7 不同充液率與平均換熱系數(shù)關(guān)系Fig.7 Average heat transfer coeff i cient at diverse fi lling rate

2.3 高度差對(duì)單位面積換熱量的影響

圖8所示的是兩器高度差對(duì)熱管單位面積換熱量的影響。從圖中看出，當(dāng)高度差從0.75m增加到1.2m時(shí)，熱管的單位面積換熱量增加了267%，說(shuō)明對(duì)于微通道型分離式熱管高度差也是一個(gè)很重要的參數(shù)，會(huì)對(duì)單位面積換熱量產(chǎn)生很大的影響。在一定范圍內(nèi)，單位面積換熱量會(huì)隨著高度差的增加而增大，但是它存在一個(gè)最佳值。因?yàn)槊芏炔钍菬峁艿尿?qū)動(dòng)力，它會(huì)隨著高度差的增大而增大，可用公式(P1-Pv)H表示，但是高度差的增加也會(huì)使管路長(zhǎng)度增加，也就增加了管路的沿程阻力，在兩個(gè)因素共同影響下，系統(tǒng)的高度差是存在最優(yōu)值的。但是因?yàn)椴煌到y(tǒng)具有不同的運(yùn)行工況和管路設(shè)置方式，一般系統(tǒng)認(rèn)為高度差只要可以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行即可。但對(duì)于微通道型分離式熱管，高度差對(duì)單位面積換熱量的影響顯著，故調(diào)整高度差可作為提高單位面積換熱量的一種有效的方式。

圖8 不同高度差對(duì)單位面積換熱量的影響Fig.8 Heat transfer at diverse height difference

2.4 進(jìn)出口數(shù)量對(duì)單位面積換熱量的影響

圖9為不同進(jìn)出口數(shù)與微通道型分離式熱管單位面積換熱量的關(guān)系。表3所列的是不同進(jìn)出口數(shù)微通道型分離式熱管的類(lèi)型。除進(jìn)出口數(shù)不同外，換熱器的其他參數(shù)均保持一致。進(jìn)出口數(shù)對(duì)換熱器的影響主要是影響工質(zhì)的分配。如圖9所示，三進(jìn)三出和五進(jìn)五出兩種結(jié)構(gòu)的單位面積換熱量基本一致，三進(jìn)三出和五進(jìn)五出兩種結(jié)構(gòu)的單位面積換熱量明顯優(yōu)于其余兩種結(jié)構(gòu)，三進(jìn)三出的結(jié)構(gòu)比一進(jìn)一出和二進(jìn)二出的換熱量提高了102%和38%。

表3 不同結(jié)構(gòu)形式微通道型分離式熱管Tab.3 Different types of the microchannel separate heat pipe

圖9 進(jìn)出口數(shù)量與單位面積換熱量的關(guān)系Fig.9 Heat transfer of different types

圖10 不同進(jìn)出口數(shù)量的熱像圖Fig.10 Thermograph of different types

圖10所示的是不同進(jìn)出口數(shù)量微通道型換熱器的熱像圖。從中看出，一進(jìn)一出形式的表面溫度分布非常不均勻，換熱器右側(cè)上部為過(guò)熱蒸汽，而換熱器的左側(cè)上下溫差很小，所以一進(jìn)一出形式的工質(zhì)分配極不均勻，單位面積換熱量最小。二進(jìn)二出的溫度分布有了一定的改善，但上下溫差還是較小，說(shuō)明工質(zhì)的分配并沒(méi)有達(dá)到最好，故這種形式的單位面積換熱量介于一進(jìn)一出和三進(jìn)三出之間。三進(jìn)三出的溫度分布均勻，且有明顯的溫度分層，說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)形式的工質(zhì)分配較好，所以此形式的單位面積換熱量較大。五進(jìn)五出的溫度分布和三進(jìn)三出的基本一致，而且單位面積換熱量也相差不多，說(shuō)明三進(jìn)三出的結(jié)構(gòu)形式就已經(jīng)可以將換熱器的能力很好的發(fā)揮，沒(méi)有必要再增加進(jìn)出口。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，得出了微通道型分離式熱管單位面積換熱量和傳熱系數(shù)隨溫差、充液率、高度差、進(jìn)出口數(shù)量等因素的變化系。得出結(jié)論:

1)微通道型分離式熱管的單位面積換熱量會(huì)隨著溫差的增加而增大，熱管單位面積換熱量在溫差為20℃時(shí)比溫差為10℃時(shí)增加了106%，可看出溫差對(duì)此類(lèi)型熱管單位面積換熱量影響是顯著的。而且此類(lèi)型的熱管具有高能效比，節(jié)能潛力巨大。

2)以單位面積換熱量為指標(biāo)，此系統(tǒng)的最佳充液率介于113%～140%，在此區(qū)間內(nèi)的單位面積換熱量最大。

3)此類(lèi)型熱管的單位面積換熱量會(huì)隨著高度差增大而增加，但存在一個(gè)最佳值。當(dāng)高度差從0.75m增加到1.2m時(shí)，熱管的單位面積換熱量增加了267%，說(shuō)明對(duì)于微通道型分離式熱管來(lái)說(shuō)高度差也是一個(gè)很重要的參數(shù)，會(huì)對(duì)單位面積換熱量產(chǎn)生很大的影響。

4)通過(guò)對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的比較，得出三進(jìn)三出形式的工質(zhì)分配較好，能充分發(fā)揮微通道型分離式熱管的性能。

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