可拆裝PE-RT低溫熱管蓄冷裝置及其使用碳氫制冷劑的蓄冷效果

劉金光劉文瑤王世清宋慶武姜文利李 飛

LIU Jin-guang1 LIU Wen-yao2 WANG Shi-qing1 SONG Qing-wu3 JIANG Wen-li1 LI Fei1

(1. 青島農業大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2. 青島蔚藍生物集團有限公司，山東 青島 266101；3. 日照職業技術學院海洋工程學院，山東 日照 276800)

(1. Food Science and Engineering College, Qingdao Agricultural University, Qingdao, Shandong 266109, China; 2. Qingdao Vland Biltech Group Co., Ltd, Qingdao, Shandong 266101, China; 3. Marine Engineer Department, Rizhao Polytechnic College, Rizhao, Shandong 276800, China)

熱管通過填充介質的相變完成微小溫差高效熱傳遞，被譽為“熱的超導體”[1-2]。近年來，熱管技術發展迅速，已廣泛應用于航天器冷卻[3]、凍土路基保持[4]和自然冷能制冷食品冷藏庫建設等領域[5-6]。氟利昂制冷劑是低溫熱管常用的制冷工質，其熱力學特性穩定[7]，具有較大的單位容積制冷量和良好的導熱性、啟動性[8]，但有導致全球變暖的劣勢。碳氫制冷劑僅包含元素C、H，屬于天然制冷劑，是氟利昂的理想替代冷劑，其ODP(消耗臭氧潛能值)為零，GWP(全球變暖潛勢)極低；制冷更迅速，且充注量僅為氟利昂的1/3；無腐蝕性，材料兼容性良好[9-10]，能夠實現真正環保。碳氫制冷劑在歐洲和亞洲許多國家已有廣泛應用：如R600a替代R12用于家用冰箱；HCR22替代R22和R404a用在果蔬保鮮和制冷倉[11]，劉金光等[12]用HCR22替代R22用于低溫熱管，發現兩者制冷效果相當，但碳氫制冷劑的充注量更少。

制冰及果蔬保鮮等食品方面用途的低溫熱管管材常用無縫鋼或銅等金屬材質，金屬管材導熱性好，耐腐蝕，但存在重量大、成本高的缺陷，且用于低溫熱管時對管壁焊接點密封要求極高，因此，大規模應用時制作成本高、施工難度大。導熱塑料憑借良好的導熱性、易施工、壽命長以及質輕價低的優勢逐漸進入人們的視野。孫國華等[13]設計制作了分置式斯特林循環塑料制冷機，顏健等[14]和田樹生等[15]研究發現塑料管導熱系數僅為金屬管的0.6%～1.0%，但傳熱系數是金屬管的56%～77%，陳小平等[16]用導熱塑料管替代鋼管用作蓄冰槽盤管，發現鋼管總傳熱系數僅為塑料管的1.25倍，張雪東等[17-18]用聚四氟乙烯塑料管替代銅管用于吸收式制冷機，發現吸收器內2種管材傳熱系數差異極小，蒸發器和冷凝器內銅管傳熱系數僅為塑料管的2.1倍。

高密度聚乙烯(PE-RT)管是目前應用廣泛的導熱塑料管，因其易拆裝、導熱性良好，廉價、可回收等優勢廣泛用于地暖管材[19]。修方瓏等[20]和李新宇等[21]證明分離式熱管低溫儲糧效果明顯，張明安等[5]證明自然冷源可用于果蔬貯藏保鮮中，且經濟價值十分可觀。但熱管低溫蓄冷中，由于熱管的特殊結構和制作要求，致使熱管無法方便、快捷地拆卸和組裝，基于分離式低溫熱管，本研究嘗試使用PE-RT導熱塑料管替代紫銅管，用無腐蝕性的HCR22制冷劑為熱管循環工質，設計開發了一套低成本、可快速拆裝、真正環保的PE-RT低溫熱管蓄冷裝置，對比了PE-RT熱管組和銅質熱管組的蓄冷效果，以期將熱管單向導熱的優勢與PE-RT導熱塑料管的優勢相結合，實現食品用途低溫熱管蓄冷裝置的低成本、可快速組裝拆解和環保制冷。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

碳氫制冷劑：HCR22型，仁天和節能環保有限公司；

導熱塑料管材：PE-RT型，上海中財管道有限公司。

1.2 試驗器材

空壓機：550W-8L型，臺州市奧突斯工貿有限公司；

電子天平：UTP313-4型，上海花潮電器有限公司。

蓄冷裝置(見圖1)包括儲水槽、低溫熱管組和溫度監測器等，其中冷柜1(澳柯瑪BC-208HNE型)模擬外界自然冷源；冷柜2(澳柯瑪BD-258SV型，有效容積240 L)作為密閉保溫的儲水槽。

1. 計算機控制系統 2. 溫度監測器 3. 冷凝液下降管 4. 熱管冷凝段 5. 壓力檢測器 6. 冷柜1 7. 蒸氣上升管 8. 制冷劑充注閥 9. 熱管蒸發段 10. 冷柜2

圖1 試驗裝置圖

Figure 1 Heat pipe cooling device

低溫熱管組為分離式重力熱管，主要包括蒸發段、冷凝段和連接段。如圖2所示，蒸發段為長方體框架結構，總長度為5 m，放置于儲水槽的中心位置，完全浸沒于水中；冷凝段為排管式結構，放置于冷柜1內與冷源直接接觸；連接段包括蒸汽上行管和冷凝液下降管，連接蒸發段和冷凝段，使熱管組行成一個密閉的循環系統。銅質熱管組材質為紫銅，外徑為12.7 mm，壁厚0.7 mm，各連接處用金屬銀焊接；PE-RT熱管組材質為PE-RT導熱塑料，外徑為16 mm，壁厚2 mm(可耐壓0.6 MPa)，各連接處采用熱熔接。可認為2種材質管材內徑相同。

為提高換熱效果，冷凝段外管壁皆加裝紫銅質翅片，翅片外徑為25 mm、厚度為3 mm、間距為5 mm；為保證熱管內制冷劑單向流動，冷凝段頂端內管壁安裝單向流通器；為減少系統的熱能損失，連接段外壁包裹聚氨酯保溫材料和防水帶。

1.3 試驗原理

低溫熱管中充注制冷劑后，制冷劑受重力作用聚集在熱管蒸發段，吸收熱管周圍的熱量汽化，在微小壓差作用下上升進入冷凝段，與冷源進行熱交換并液化，制冷劑液體由于重力又流回蒸發段。伴隨循環工質的連續吸熱蒸發上升、冷凝放熱下降的過程，水的熱量逐漸被導出，冷源的冷能逐漸蓄積到儲水槽[22-25]。

熱管冷凝段安裝于室外，與外界自然冷源(指冬季冷空氣)直接接觸，蒸發段安裝于室內均勻分布于被冷卻物內(糧堆內等)。本試驗用冷柜1替代冬季室外自然冷源，若將冷源供給更換為中高緯度地區冬季豐富的自然冷源，則本試驗裝置的熱量轉移和冷量蓄積2個過程可實現無能耗運行，實現無能耗蓄冷[26-27]。

1.4 測溫點的布置

溫度測定使用T型熱電偶測溫，測溫點布置(見圖2)：冷凝段安裝1～2號測溫點，測量制冷劑進、出冷凝段的溫度，3號測溫點測量冷源環境溫度；4～14號測溫點安裝于儲水槽內，測量儲水槽內水溫，15號測溫點測量室內環境溫度；16～22號測溫點安裝于蒸發段表面，測量蒸發段溫度。

圖2 熱管組結構及蓄冷設施測溫點圖

裝置蓄冷期間，儲水槽內水的實時溫度采集記錄使用TP1000-64型多路溫度記錄儀完成，數據采集間隔為5 s，精度為±0.2 ℃。儲水槽內初始水溫為(20±0.2) ℃。

1.5 試驗內容

1.5.1 制冷劑充液率對熱管蓄冷效果的影響 對試驗熱管組進行不同充液率蓄冷研究，對比銅質熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時的蓄冷效果。

熱管組為PE-RT熱管組和銅質熱管組，選用新型碳氫制冷劑HCR22，充液率分別為40%，33%，27%，20%，13%；采集、記錄裝置蓄冷72 h 的儲水槽實時水溫。

1.5.2 熱管組換熱面積比對蓄冷效果的影響試驗 調整冷凝段的換熱面積即改變熱管組的換熱面積比，探究銅質熱管組和PE-RT熱管組在最佳充液時換熱面積比對蓄冷效果的影響。

調整熱管組的換熱面積比依次為3.2∶1，2.8∶1，2.3∶1，1.8∶1，1.4∶1，采集、記錄裝置蓄冷72 h 的儲水槽實時水溫。

1.6 測試指標

1.6.1 充液率 在冷態條件下，熱管工質充入量的體積與熱管總容積的比值[28](碳氫制冷劑的使用量為氟利昂制冷劑的1/3)。

1.6.2 蓄冷量 熱管組蓄冷裝置蓄冷期間的蓄冷量由式(1)計算：

Qc=cmΔT，

(1)

式中：

QC——裝置蓄冷量，kJ；

c——水的比熱容(20 ℃，0.101 3 MPa)，4.183 kJ/(kg·℃)；

m——水的質量，kg；

ΔT——蓄冷前后水的溫差，℃。

1.6.3 統計與分析 數據統計分析采用Spss軟件，差異顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 充液率對熱管組蓄冷效果的影響

由圖3(a)可知，銅質熱管組運行72 h，充液率為27%，33%，40%時，儲水槽內水溫明顯低于充液率為13%和20%時的(P<0.05)，蓄冷過程的前6 h，27%，33%，40%充液率對應的儲水槽內水溫差異較小，6～72 h，充液率為33%時，儲水槽內水溫明顯低于其他充液率時的(P<0.05)，因此，銅質熱管組的最佳充液率為33%，熱管組運行72 h儲水槽的水溫降低15.23 ℃，由式(1)可知，蓄冷量為15 289.70 kJ。

由圖3(b)可知，PE-RT熱管組蓄冷72 h，充液率為13%和20%時，儲水槽內水溫明顯高于其他充液率時的(P<0.05)，可能是HCR22制冷劑為碳氫制冷劑，充注量僅為氟利昂制冷劑的1/3，因此，13%和20%充液率時制冷劑充注量過少，導致蒸發段上部管內壁無液膜覆蓋，出現燒干現象，熱管組無法正常運行；PE-RT熱管組蓄冷過程的最佳充液率為33%，此時，儲水槽內水溫明顯低于27%和40%充液率時的水溫，原因可能是40%充液率時(P<0.05)，制冷劑充入過多，部分制冷劑液體被制冷劑蒸氣攜帶進入蒸氣上行管，甚至流入冷凝段，降低了熱管組的傳熱性能。充液率分別為13%，20%，33%，33%，40%時，PE-RT熱管組工作72 h，儲水槽內水溫依次降低9.10，10.00，11.90，13.30，12.50 ℃，蓄冷量分別是9 135.67，10 039.20，11 946.65，13 352.14，12 549.00 kJ。王一平等[29]研究發現R22的充液率為50%～100%(對應的碳氫制冷劑充液率為17%～33%)，銅-R22分離式熱管蒸發段最佳充液率為80%～100%(對應的碳氫制冷劑充液率為27%～33%)。洪光等[30]試驗了R22制冷劑41%～113%充液率時分離式熱管的傳熱能力，證明熱管最佳工況的充液率為82%～98%(對應的碳氫制冷劑充液率為27%～33%)，此時熱管內工質以相變換熱為主，熱管的換熱量和傳熱系數均較大。二者關于氟利昂制冷劑用于分離式熱管的最佳充液率的研究結果均支持本研究結論。

2.2 銅質熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時的蓄冷效果對比

圖4為銅質熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時蓄冷效果對比圖。2種熱管組的最佳充液率皆為33%(圖3)，熱管組工作72 h，銅質熱管組和PE-RT熱管組蓄冷后儲水槽內水溫分別降低15.23，13.30 ℃，蓄冷量分別為15 289.70,13 352.14 kJ，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質熱管組的87.33%。

對比2種材質熱管組的蓄冷降溫曲線，2條曲線的溫度變化趨勢十分相似，溫度降低平緩，無明顯的驟升、驟降，可見，PE-RT熱管組和與銅質熱管組的相變傳熱中，蓄冷過程的傳熱穩定性一致。

圖3 充液率對蓄冷效果的影響

圖4 熱管組最佳充液時蓄冷效果對比

2.3 熱管組換熱面積比對蓄冷效果的影響

由圖5可知，銅質熱管組和PE-RT熱管組的最佳換熱面積比皆為2.8∶1，當換熱面積比小于最佳換熱面積比時，隨著換熱面積比的增加，蓄冷量增大，可能是換熱面積比過小，即冷凝段換熱面積過小，制冷劑蒸氣在冷凝段未完成充分熱交換進而影響了冷凝傳熱；當換熱面積比超過最佳換熱面積比時，蓄冷量反而低于最佳換熱面積比時的蓄冷量，可能是換熱面積比過大，即冷凝段換熱面積過大，制冷劑蒸氣在冷凝段的部分管路已完成了充分熱交換，過大的冷凝段面積反而延長了制冷劑的循環周期，從而減緩了熱管組的換熱效率，而且增加了熱管組的結構和成本。

圖5 換熱面積比對蓄冷效果的影響

銅質熱管組和PE-RT熱管組在最佳換熱面積比2.8∶1時運行72 h，儲水槽內水溫分別降低15.30，13.52 ℃，對應的蓄冷量分別為13 552.92，15 348.96 kJ，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質熱管組的88.37%。相比宋慶武等[27]自然冷源貯冷設備最佳換熱面積比3∶1，本試驗設施的最佳換熱面積比為2.8∶1時結構更緊湊、管材更節約。

2.4 PE-RT熱管組和銅質熱管組最佳蓄冷效果

由表1可知，2種熱管組的最佳充液率均為33%，最佳換熱面積比均為2.8∶1，此條件時，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質熱管組的88.37%，但PE-RT管材每米單價僅為同管徑紫銅管的19.13%，每米重量僅為同管徑紫銅管的44.68%，因此，相比同結構、同尺寸的銅質熱管組，PE-RT熱管組可快速拆裝、成本低、重量輕。

表1 PE-RT熱管組和銅質熱管組最佳蓄冷效果

3 結論

本試驗使用PE-RT導熱塑料制作低溫熱管組，以碳氫制冷劑HCR22為熱管循環工質，實現了熱管蓄冷裝置的低成本和可快速拆裝，完善了環保制冷，研究發現：

(1) PE-RT熱管組用于低溫蓄冷時的最佳充液率為33%，與同管徑、同結構尺寸的銅質熱管組相同；在熱管組相變傳熱中，2種材質熱管組蓄冷過程的傳熱穩定性一致。

(2) 最佳充液時，PE-RT熱管組蓄冷的最優換熱面積比與銅質熱管組相同，皆為2.8∶1，蓄冷裝置蓄冷72 h，PE-RT 熱管組和銅質熱管組使儲水槽內水溫分別降低13.52，15.30 ℃，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質熱管組的88.37%。

(3) 試驗中PE-RT熱管組內壓力為0.40～0.55 MPa，冷凝段周圍環境溫度為-18 ℃，PE-RT熱管組表現出良好的耐壓和耐冷沖擊性，且熱管組各處傳熱均勻。

為全面了解PE-RT熱管組的使用特性，在今后的試驗中仍需對PE-RT熱管組的脆性和使用壽命等方面進行測試，為PE-RT熱管組的應用和推廣做準備。