微通道型分離式熱管傳熱性能實驗研究

金 鑫 瞿曉華 祁照崗 陳江平

(上海交通大學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，應用范圍廣泛[1]。目前，大型和中型分離式熱管得到了比較充分的研究，其應用也獲得了長足的發(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，出現了各種各樣的換熱器形式。郝瑩等對采用蛇形翅片管作為分離式熱管的換熱器的情況進行了研究，得出各影響因素與熱管換熱量的規(guī)律，實驗表明，隨著蒸發(fā)器進風溫度的升高。蒸發(fā)器與冷凝器換熱系數都是呈現先增大后減小的趨勢。在冷凝端進風溫度恒定為16.55℃、蒸發(fā)端進風溫度低于60℃時，以R600a為工質的分離式熱管的傳熱量曲線近似于二次曲線，蒸發(fā)端進風溫度高于60℃時，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得到提高[3]。陳嵐等則對水平排管串聯(lián)型分離式熱管進行了實驗研究，分析了充液率與換熱量和換熱系數的關系，得出該分離式熱管在以丙酮為工質、設定的加熱功率為1400W、空氣流速1.3m/s時，最佳充液率為70%～114%[4]。唐志偉等對由5根直徑20mm的無縫鋼管短管束組成的換熱器作為分離式熱管換熱器進行了實驗研究，結果表明該小型分離式熱管最佳充液率按蒸發(fā)段總容量計為48%～63%，按管束總容量計為20%～40%[5]。微通道型換熱器因為其結構緊湊、風阻小和換熱能力強等優(yōu)點，在空調行業(yè)得到了廣泛的應用。但是將其作為分離式熱管換熱器的研究報道較少，對于微通道型分離式熱管的充液率與換熱量和換熱系數的變化規(guī)律更是鮮有報道。

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，并搭建試驗臺對其性能進行實驗研究。主要研究充液率、高度差、溫差和進出口數量等不同因素對微通道型分離式熱管單位面積換熱量的影響規(guī)律。

1 實驗裝置及數據分析

1.1 實驗裝置

實驗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)器和冷凝器結構完全相同，其中冷凝器位于上部，兩器的高度差為1.2m，足以克服換熱器內的壓力損失。下降管處裝有排氣閥，同時排氣閥還可作為工質的充注口。系統(tǒng)以R134a為工質。

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

圖2 微通道管結構Fig.2 Structure of the microchannel

此分離式熱管的特點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和風阻小等優(yōu)點，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構參數。

表1 微通道換熱器結構參數Tab.1 Parameters of microchannel heat exchanger

實驗裝置中有兩組風機分別與蒸發(fā)器和冷凝器組裝在一起，風機出口有均流格柵，使得風均勻的吹在蒸發(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可以控制溫濕度的房間內，在實驗過程通過制冷機組和濕度機組保持房間內溫濕度恒定。在蒸發(fā)器工質進出管路和換熱器表面均布有10個銅康銅T型熱電偶，測量蒸發(fā)器各部分的溫度。

實驗裝置熱電偶的分布位置如圖3所示，10個熱電偶分布于蒸發(fā)器的進出管壁面以及換熱器表面。其中5、6是進口，2、3、4是出口。

實驗時，保持其他實驗參數不變，通過改變研究的因素得出該因素對微通道型分離式熱管傳熱性能的影響，總結得出規(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 數據分析

充液率是指20℃時充入工質質量所對應體積與蒸發(fā)段的體積比。采用工程上常用的間接測量法，根據傳熱計算基本方程式，得出傳熱系數為:

式中 x—c或e,c表示冷凝，e表示蒸發(fā)；F0—換熱器空氣側換熱面積，m2；Δtm—對數平均溫差，℃。

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溫，℃。

2 結果與討論

2.1 溫差對單位面積換熱量的影響

圖4所示的是不同溫差對微通道型分離式熱管單位面積換熱量的影響。從圖中看出，當有5℃的溫差時，熱管即可運行，且隨著溫差的變大，單位面積換熱量也會成倍的增加。圖5所示的是不同溫差與EER的關系，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℃時比溫差為10℃時增加了106%，故可看出溫差對此類型熱管單位面積換熱量的影響是顯著的。在溫差為10℃時此類型熱管的換熱量就可達到1734W，且具有高的能效比，可以利用其實現節(jié)能的目的，具有廣泛的應用前景。

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

圖5 不同溫差與EER關系Fig.5 EER under the different temperature difference

2.2 充液率對單位面積換熱量的影響

實驗主要測量的參數是蒸發(fā)器表面的溫度，通過只改變工質的充液率，研究不同充液率時微通道型分離式熱管的單位面積換熱量和換熱系數。

表2所示的是蒸發(fā)器進出口的溫度分布，可以看出系統(tǒng)充液率的不同會引起蒸發(fā)器進出口溫度的變化，這也將會影響蒸發(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。

從圖6中可以看出，以單位面積換熱量為指標本系統(tǒng)的最佳充液率介于113%～140%，在此區(qū)間內的單位面積換熱量最大。如圖7所示，若以換熱系數為指標，蒸發(fā)器換熱系數在充液率為140%左右時達到最大。兩個范圍基本吻合，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，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)工質不足，工質在蒸發(fā)器底部時就已全部蒸發(fā)變成氣態(tài)，以后均為過熱蒸汽，所以出口的溫度較高。因為分離式熱管換熱主要是靠工質的相變潛熱，在工質過熱和過冷時的換熱量遠小于相變潛熱的換熱量，低充液率時雖然進出口工質的焓差很大，但系統(tǒng)的質量流量很小，所以低充液率時的單位面積換熱量較小。

表2 蒸發(fā)器進出口溫度分布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系Fig.6 Heat transfer at the diverse fi lling rate

當系統(tǒng)處于高充液率時，蒸發(fā)器出口的溫度較高，這是因為系統(tǒng)的壓力會隨著充液率的增加而提高，而工質的相變溫度也會提高，所以蒸發(fā)器出口的溫度較高。如圖6和圖7所示，蒸發(fā)器的換熱系數和單位面積換熱量在高充液率時反而降低了，這是因為相變溫度的提高使蒸發(fā)器工質蒸發(fā)變成氣態(tài)的質量比充液率為84.6%、169.2%和211.5%時少，蒸發(fā)器出口處于兩相區(qū)，雖然工質質量流量變大了，但進出口狀態(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，當達到一定值時，蒸發(fā)器中全部是液體工質，分離式熱管將無法啟動，徹底喪失功能。

圖7 不同充液率與平均換熱系數關系Fig.7 Average heat transfer coeff i cient at diverse fi lling rate

2.3 高度差對單位面積換熱量的影響

圖8所示的是兩器高度差對熱管單位面積換熱量的影響。從圖中看出，當高度差從0.75m增加到1.2m時，熱管的單位面積換熱量增加了267%，說明對于微通道型分離式熱管高度差也是一個很重要的參數，會對單位面積換熱量產生很大的影響。在一定范圍內，單位面積換熱量會隨著高度差的增加而增大，但是它存在一個最佳值。因為密度差是熱管的驅動力，它會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使管路長度增加，也就增加了管路的沿程阻力，在兩個因素共同影響下，系統(tǒng)的高度差是存在最優(yōu)值的。但是因為不同系統(tǒng)具有不同的運行工況和管路設置方式，一般系統(tǒng)認為高度差只要可以保證系統(tǒng)能穩(wěn)定運行即可。但對于微通道型分離式熱管，高度差對單位面積換熱量的影響顯著，故調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 不同高度差對單位面積換熱量的影響Fig.8 Heat transfer at diverse height difference

2.4 進出口數量對單位面積換熱量的影響

圖9為不同進出口數與微通道型分離式熱管單位面積換熱量的關系。表3所列的是不同進出口數微通道型分離式熱管的類型。除進出口數不同外，換熱器的其他參數均保持一致。進出口數對換熱器的影響主要是影響工質的分配。如圖9所示，三進三出和五進五出兩種結構的單位面積換熱量基本一致，三進三出和五進五出兩種結構的單位面積換熱量明顯優(yōu)于其余兩種結構，三進三出的結構比一進一出和二進二出的換熱量提高了102%和38%。

表3 不同結構形式微通道型分離式熱管Tab.3 Different types of the microchannel separate heat pipe

圖9 進出口數量與單位面積換熱量的關系Fig.9 Heat transfer of different types

圖10 不同進出口數量的熱像圖Fig.10 Thermograph of different types

圖10所示的是不同進出口數量微通道型換熱器的熱像圖。從中看出，一進一出形式的表面溫度分布非常不均勻，換熱器右側上部為過熱蒸汽，而換熱器的左側上下溫差很小，所以一進一出形式的工質分配極不均勻，單位面積換熱量最小。二進二出的溫度分布有了一定的改善，但上下溫差還是較小，說明工質的分配并沒有達到最好，故這種形式的單位面積換熱量介于一進一出和三進三出之間。三進三出的溫度分布均勻，且有明顯的溫度分層，說明這種結構形式的工質分配較好，所以此形式的單位面積換熱量較大。五進五出的溫度分布和三進三出的基本一致，而且單位面積換熱量也相差不多，說明三進三出的結構形式就已經可以將換熱器的能力很好的發(fā)揮，沒有必要再增加進出口。

3 結論

通過實驗研究，得出了微通道型分離式熱管單位面積換熱量和傳熱系數隨溫差、充液率、高度差、進出口數量等因素的變化系。得出結論:

1)微通道型分離式熱管的單位面積換熱量會隨著溫差的增加而增大，熱管單位面積換熱量在溫差為20℃時比溫差為10℃時增加了106%，可看出溫差對此類型熱管單位面積換熱量影響是顯著的。而且此類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，此系統(tǒng)的最佳充液率介于113%～140%，在此區(qū)間內的單位面積換熱量最大。

3)此類型熱管的單位面積換熱量會隨著高度差增大而增加，但存在一個最佳值。當高度差從0.75m增加到1.2m時，熱管的單位面積換熱量增加了267%，說明對于微通道型分離式熱管來說高度差也是一個很重要的參數，會對單位面積換熱量產生很大的影響。

4)通過對四種不同結構形式的比較，得出三進三出形式的工質分配較好，能充分發(fā)揮微通道型分離式熱管的性能。

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