(1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院 合肥230026； 2 合肥美的電冰箱有限公司 合肥230601)

近年來，隨著冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能的提升，消費(fèi)者對(duì)食品保鮮的要求也越來越高。研究表明，冰箱內(nèi)較小的溫度波動(dòng)以及高濕度的儲(chǔ)藏環(huán)境更有利于食品的保鮮[1-2]。普通直冷冰箱通過壓縮機(jī)啟停來控制冷藏室內(nèi)的儲(chǔ)藏溫度，冷藏室內(nèi)溫度波動(dòng)約為2.5 ℃，而風(fēng)冷冰箱使用強(qiáng)制對(duì)流，食品內(nèi)部水分蒸發(fā)比例較大[3]，因而都不利于食品保鮮。

Cao Jingyu等[4]提出了一種新型蓄冷冰箱系統(tǒng)，其中冷凍室使用單獨(dú)的壓縮機(jī)供冷并用相變蓄冷材料儲(chǔ)冷，冷藏室則由蓄冷材料供冷，并通過分離式熱管的啟停實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制，提高冰箱保鮮能力。分離式熱管主要由蒸發(fā)段、冷凝段、氣相管及液相管組成[5]。由于其可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況靈活布置蒸發(fā)段以及冷凝段，因而廣泛應(yīng)用于電子冷卻、余熱回收、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、太陽能熱利用系統(tǒng)以及乏燃料冷卻系統(tǒng)中[6-7]。H. Tang等[8]介紹了超薄微熱管的不同類型和發(fā)展應(yīng)用，對(duì)比了多種微熱管的封裝技術(shù)。金鑫等[9]提出了應(yīng)用在電信基站上的微通道分離式熱管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了空調(diào)系統(tǒng)和分離式熱管系統(tǒng)的自動(dòng)切換。方貴銀等[10]研究了分離式熱管蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的充冷性能。佟振等[11]對(duì)分離式熱管中CO2及R22管內(nèi)流動(dòng)沸騰表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)進(jìn)行了分析，指出CO2的傳熱性能優(yōu)于R22。目前對(duì)分離式熱管的研究主要集中在傳熱性能，忽略了啟?？販氐哪芰?，將分離式熱管與冰箱結(jié)合的研究較少，因此研究分離式熱管在冰箱中的應(yīng)用具有實(shí)用價(jià)值。

由于對(duì)于不同的換熱器結(jié)構(gòu)和換熱方式，分離式熱管的傳熱性能差異很大[12-15]，本文利用板管蒸發(fā)器作為分離式熱管的蒸發(fā)段，搭建了應(yīng)用于冰箱冷藏控溫的分離式熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用分離式熱管對(duì)冷藏室進(jìn)行降溫，并對(duì)其傳熱性能進(jìn)行了初步研究。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為分離式熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理，分離式熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要部件實(shí)物如圖2所示。蒸發(fā)段使用某品牌冰箱BCD111的板管蒸發(fā)器，冷凝段使用逆流套管式換熱器，兩者用銅管連接，并在銅管中部各設(shè)置一個(gè)常閉式電磁閥，用于自動(dòng)控制熱管的啟停，熱管各部件的相關(guān)尺寸見表1。

圖1 分離式熱管實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理Fig.1 The principle of separate heat pipe test rig

圖2 分離式熱管試驗(yàn)臺(tái)主要部件實(shí)物Fig.2 Main components of the separate heat pipe test rig

熱管中蒸發(fā)段與冷藏室內(nèi)空氣進(jìn)行自然對(duì)流換熱，冷凝段冷源由獨(dú)立的低溫恒溫槽提供，溫度維持-25 ℃，丙二醇的質(zhì)量流量通過質(zhì)量法直接測(cè)定，為0.013 kg/s。在蒸發(fā)段及冷凝段進(jìn)出口設(shè)有溫度和壓力測(cè)試點(diǎn)，溫度傳感器為Pt100鉑電阻，誤差為±0.1 ℃，壓力傳感器為JT-131，量程為0～1.0 MPa，供電直流電壓為12～36 V，輸出為4～20 mA，測(cè)量精度為0.5% FS。冰箱冷藏室內(nèi)布置了T型熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)銅柱進(jìn)行測(cè)溫，熱電偶測(cè)溫前使用Pt100鉑電阻進(jìn)行零點(diǎn)校正，T型熱電偶測(cè)量精度為 ±0.5 ℃。實(shí)驗(yàn)中使用WK-206 L電子數(shù)顯智能溫控器來控制熱管啟停，其感溫點(diǎn)懸空貼附在冰箱內(nèi)壁，測(cè)量控制精度為±0.1 ℃。實(shí)驗(yàn)過程中采用Agilent 34970數(shù)據(jù)采集儀對(duì)分離式熱管的壓力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。根據(jù)冷藏室內(nèi)結(jié)構(gòu)，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8059—2016及冰箱冷藏室內(nèi)溫度測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，T1測(cè)點(diǎn)懸掛在上腔體2/3高度處，T2測(cè)點(diǎn)懸掛在下擱架上方50 mm處，使用T1和T2的平均溫度作為冷藏室內(nèi)的平均溫度，測(cè)點(diǎn)冰箱冷藏室內(nèi)的溫度布點(diǎn)如圖3 所示。

表1 分離式熱管各部件相關(guān)尺寸說明Tab.1 Dimension description of the main components of the separate heat pipe

圖3 冰箱冷藏室溫度布點(diǎn)Fig.3 The temperature points in fresh-food compartment of refrigerator

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試條件：通過充注口充入一定量的工質(zhì)，將管路的各個(gè)連接處浸沒在水中進(jìn)行檢漏，確認(rèn)分離式熱管無泄漏，再將所有管道及低溫恒溫槽用保溫層包裹，減少向環(huán)境散熱。參考冰箱能耗測(cè)試的溫度要求，設(shè)置并維持環(huán)境溫度為16 ℃，打開冰箱門，使箱內(nèi)溫度與環(huán)溫達(dá)到平衡。通過低溫恒溫槽維持冷凝側(cè)進(jìn)口處丙二醇的溫度不變。

工質(zhì)充注：1)首先向可控型分離式熱管內(nèi)充入少量純R134a工質(zhì)，充注完畢后進(jìn)行抽真空作業(yè)，并多次重復(fù)上述過程以盡可能排盡吸附在銅管內(nèi)壁面的殘留氣體；2)通過充注管連接罐裝R134a和可控型分離式熱管上的充注閥口，適當(dāng)開啟充注閥，使液態(tài)R134a工質(zhì)流入熱管中，根據(jù)罐裝R134a質(zhì)量的減少量來判斷充入可控型分離式熱管的R134a工質(zhì)的質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)過程：關(guān)閉冰箱門，同時(shí)打開電磁閥，開啟熱管進(jìn)行降溫，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，待系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，分別對(duì)熱源溫度為5、8、12 ℃時(shí)進(jìn)行傳熱測(cè)試。

1.3 實(shí)驗(yàn)分析方法

1.3.1 系統(tǒng)的充注量分析

在普通熱管中，充注量只考慮了換熱段的容積，但是分離式熱管系統(tǒng)中氣、液相管具有一定體積，在運(yùn)行過程中，內(nèi)部會(huì)貯存一部分制冷劑工質(zhì)，因此必須對(duì)其進(jìn)行全面分析。王文等[16]在分離式熱管充注量的分析當(dāng)中提出了充注量的計(jì)算公式，包括蒸發(fā)段、冷凝段、氣相管以及液相管中工質(zhì)的質(zhì)量。Cao Jingyu等[4]在可控分離式熱管性能的評(píng)價(jià)中對(duì)充注量模型進(jìn)行了優(yōu)化。

借鑒上述模型，本文在理論計(jì)算時(shí)進(jìn)行了以下假定：1)蒸發(fā)段及冷凝段當(dāng)中只發(fā)生相變傳熱；2)工質(zhì)在冷凝段進(jìn)口、蒸發(fā)段出口以及氣相管中干度為1；3)整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)；4)工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段換熱時(shí)干度沿管長線性變化。

得到工質(zhì)充注量的計(jì)算公式。

蒸發(fā)段管內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量：

(1)

式中：Av為蒸發(fā)段管道的截面積，m2；Lv為蒸發(fā)段管道的長度，m；v″為飽和氣態(tài)工質(zhì)的比容，m3/kg；v′為飽和液態(tài)工質(zhì)的比容，m3/kg；xv為蒸發(fā)段管內(nèi)工質(zhì)的平均干度。

氣相管中的工質(zhì)質(zhì)量：

(2)

式中：Ag為氣相管的截面積，m2；Lg為氣相管的長度，m；xg為氣相管中工質(zhì)的平均干度。

液相管中的工質(zhì)質(zhì)量：

(3)

式中：Al為液相管的截面積，m2；Ll為液相管的長度，m。

冷凝段管內(nèi)的工質(zhì)質(zhì)量：

(4)

式中：Ac為冷凝段管道的截面積，m2；Lc為冷凝段管道的長度，m；xc為冷凝段管內(nèi)工質(zhì)的平均干度。

分離式熱管的最佳充注量：

M=Mv+Mg+Ml+Mc

(5)

通過以上的模型，結(jié)合實(shí)際的尺寸和參數(shù)，可得到分離式熱管的最佳充注量為88～150 g。

1.3.2 熱管的傳熱性能分析

當(dāng)熱管流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，測(cè)定丙二醇進(jìn)出口溫度以及質(zhì)量流量得到熱管的傳熱功率為：

(6)

通過蒸發(fā)段進(jìn)出口的溫度和壓力，查REFPROP軟件獲得進(jìn)出口焓值，熱管內(nèi)工質(zhì)的質(zhì)量流量為：

(7)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 分離式熱管的充注量優(yōu)化

圖4所示為不同充注量及熱源溫度下傳熱功率的變化。當(dāng)充注量一定時(shí)，熱源溫度升高，傳熱溫差增大，傳熱功率增大。熱源溫度一定時(shí)，系統(tǒng)的傳熱功率隨著充注量的增加先增大后減小，當(dāng)充注量為120 g時(shí)，傳熱功率最大。

圖4 不同充注量及熱源溫度下傳熱功率的變化Fig.4 Heat transfer power changes with different filling amount and heat source temperature

這是因?yàn)槌渥⒘可儆?0 g時(shí)，工質(zhì)還未到達(dá)蒸發(fā)段出口就已經(jīng)全部處于過熱狀態(tài)，系統(tǒng)的充注量不足，蒸發(fā)段內(nèi)相變換熱區(qū)域縮小，導(dǎo)致蒸發(fā)段內(nèi)換熱性能降低。而當(dāng)充注量大于150 g時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)制冷工質(zhì)過多，液相管中工質(zhì)的液位差導(dǎo)致飽和壓力及飽和溫度偏高，工質(zhì)與箱內(nèi)空氣的傳熱溫差縮小導(dǎo)致?lián)Q熱量降低。充注量為180 g時(shí)傳熱功率增大，主要可能是因環(huán)境溫度不穩(wěn)定及鉑電阻測(cè)溫的誤差引起。而充注量為120 g時(shí)，蒸發(fā)段進(jìn)口為液態(tài)工質(zhì)，出口為氣態(tài)工質(zhì)，蒸發(fā)段內(nèi)相變換熱區(qū)域最大，換熱工況最佳，傳熱功率也最大。

圖5 蒸發(fā)段及冷凝段進(jìn)出口溫度隨充注量的變化Fig.5 Inlet and outlet temperatures of evaporator and condenser change with the filling amount

在不同的充注量下蒸發(fā)段和冷凝段進(jìn)出口溫度變化是上述分析的有力支撐。圖5所示為熱源溫度為5 ℃時(shí)，蒸發(fā)段及冷凝段進(jìn)出口溫度隨充注量的變化?？芍?dāng)充注量為30 g及60 g時(shí)，蒸發(fā)段進(jìn)出口溫差均在20 ℃以上，蒸發(fā)段出口處氣態(tài)工質(zhì)過熱度較大，冷凝段的進(jìn)口溫度也很高。而在90～150 g時(shí)，冷凝段的進(jìn)口溫度在-2 ℃左右，明顯低于30 g及60 g時(shí)冷凝段的進(jìn)口溫度，且高于180 g以上的冷凝段進(jìn)口溫度(-8 ℃左右)，說明充注量為180 g及以上時(shí)，蒸發(fā)段出口浸沒在液體中，到達(dá)冷凝器進(jìn)口的工質(zhì)過熱度較小。當(dāng)充注量大于90 g時(shí)，蒸發(fā)段進(jìn)出口溫差均在1 ℃以內(nèi)，當(dāng)充注量為90～150 g時(shí)，蒸發(fā)段進(jìn)口溫度明顯低于180 g及以上時(shí)的蒸發(fā)段進(jìn)口溫度，這是因?yàn)槌渥⒘砍^180 g時(shí)，液管中存在較多的制冷工質(zhì)，工質(zhì)的液位差導(dǎo)致管道中工質(zhì)的飽和壓力升高，因而管道內(nèi)部的飽和溫度較高，蒸發(fā)段進(jìn)口溫度較高。圖5中蒸發(fā)段出口溫度與冷凝段進(jìn)口溫度的溫差較大，主要是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)受電磁閥本身產(chǎn)熱的影響。通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，可認(rèn)為分離式熱管的最佳充注量為120 g。

2.2 分離式熱管傳熱性能

圖6 冷藏室降溫過程中分離式熱管各參數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.6 Parameter variations in the cooling process of the fresh-food compartment

根據(jù)前文分析，選取120 g充注量進(jìn)行冷藏室降溫過程中分離式熱管的傳熱性能研究。圖6所示為冷藏室降溫過程中分離式熱管各參數(shù)隨時(shí)間的變化。電磁閥剛開啟時(shí)，冷凝段中的氣態(tài)制冷工質(zhì)被丙二醇冷凝成低溫的液態(tài)工質(zhì)，工質(zhì)由于重力作用流入蒸發(fā)段中，此時(shí)蒸發(fā)段進(jìn)出口溫度、冷凝段進(jìn)出口溫度均急劇下降，在10 min左右，系統(tǒng)內(nèi)部各溫度點(diǎn)基本趨于穩(wěn)定，通過壓力查對(duì)應(yīng)的飽和溫度，可推測(cè)其基本處于相變階段，由于蒸發(fā)段與箱內(nèi)空氣換熱以及蒸發(fā)段出口受電磁閥散熱的影響，因此蒸發(fā)段的進(jìn)出口存在1 ℃溫差。由于剛開始時(shí)冷藏室內(nèi)空氣溫度較高，與蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)的溫差較大，故冷藏室內(nèi)空氣降溫速率較大。隨著換熱的進(jìn)行，降溫速率逐漸減小，最后趨于0，此時(shí)蒸發(fā)段的制冷量基本與冷藏箱體的熱損達(dá)到平衡。此外，通過熱管換熱可以在60 min內(nèi)使得箱內(nèi)溫度從16 ℃降至5 ℃，滿足普通冰箱中檔的溫度要求，同時(shí)約在135 min使得箱內(nèi)溫度降到0 ℃，分離式熱管的傳熱性能達(dá)到了冰箱冷藏控溫的要求。

圖7所示為分離式熱管傳熱功率及內(nèi)部壓力隨冷藏室內(nèi)平均溫度的變化。由于蒸發(fā)段與冷凝段的高度差以及液相管中工質(zhì)的液位差，分離式熱管的蒸發(fā)壓力始終高于冷凝壓力。在冷藏室內(nèi)平均溫度為14～16 ℃時(shí)，系統(tǒng)的壓力、傳熱功率隨著溫度的降低急劇下降，到14 ℃時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部壓力基本穩(wěn)定，傳熱功率進(jìn)一步降低。原因是初始階段系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)未達(dá)到穩(wěn)定，冷藏室內(nèi)空氣與蒸發(fā)段內(nèi)工質(zhì)的溫差較大，因此傳熱功率較大。當(dāng)冷藏室內(nèi)溫度降至14 ℃后，系統(tǒng)內(nèi)部的壓力變化較小，蒸發(fā)和冷凝溫度基本維持不變，隨著冷藏室內(nèi)溫度逐漸降低，傳熱溫差逐漸減小，因而系統(tǒng)的傳熱功率也逐漸降低。

圖7 分離式熱管傳熱功率及內(nèi)部壓力隨冷藏室內(nèi)平均溫度的變化Fig.7 Heat transfer power and pressure of the separate heat pipe change with average temperature in fresh-food compartment of the refrigerator

2.3 分離式熱管控溫效果

圖8所示為冷藏室內(nèi)降溫過程中分離式熱管控溫效果。熱管可以在50 min左右使冷藏室內(nèi)平均溫度由16 ℃降至8 ℃，并可以通過啟?？刂凭S持冷藏室溫度穩(wěn)定。冷藏室內(nèi)上部腔體溫度T1波動(dòng)較小，波動(dòng)幅度為0.8 ℃，下部腔體溫度T2波動(dòng)幅度為1.5 ℃，冷藏室內(nèi)平均溫度的波動(dòng)幅度僅為1.1 ℃，優(yōu)于普通直冷冰箱的溫控精度(波動(dòng)幅度約為2.5 ℃[2])。在一個(gè)啟停周期內(nèi)，分離式熱管啟動(dòng)時(shí)傳熱功率能達(dá)到約100 W，熱管運(yùn)行時(shí)平均傳熱功率接近75 W，這主要是因在約6.5 min的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)熱管與箱內(nèi)空氣的換熱還未達(dá)到穩(wěn)定，所以平均傳熱功率較高。熱管停止時(shí)傳熱功率接近0 W，分離式熱管運(yùn)行時(shí)間約為6.5 min，停止時(shí)間約為42.8 min，開停比率約為15.2%。初步驗(yàn)證了分離式熱管具有良好的控溫能力。

圖8 分離式熱管控溫效果Fig.8 Temperature control behaviours of the separate heat pipe

3 結(jié)論

本文通過降溫實(shí)驗(yàn)法對(duì)應(yīng)用于冰箱冷藏控溫的分離式熱管的傳熱性能進(jìn)行了初步研究，主要包括熱管的充注量、降溫及控溫效果分析等，得到如下結(jié)論：

1)熱源溫度一定時(shí)，分離式熱管的傳熱功率隨充注量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并且在120 g時(shí)傳熱功率達(dá)到最大，通過理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得到分離式熱管的最佳充注量為120 g。

2)降溫啟動(dòng)時(shí)，分離式熱管在10 min內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定工況，在60 min內(nèi)可使冰箱冷藏室內(nèi)溫度從16 ℃降至5 ℃，在135 min左右使箱內(nèi)溫度降到0 ℃。

3)通過電磁閥的自動(dòng)啟?？刂?，能維持冷藏室內(nèi)溫度為8 ℃，其平均溫度波動(dòng)僅為1.1 ℃，在一個(gè)啟停周期內(nèi)，分離式熱管運(yùn)行時(shí)間約為6.5 min，停止時(shí)間約為42.8 min，開停比率約為15.2%，具有良好的啟?？販啬芰Α?/p>

4)應(yīng)用于冰箱冷藏控溫的分離式熱管具有良好的換熱特性及控溫能力，分離式熱管滿足新型蓄冷冰箱的使用要求。

本文受安徽省國際科技合作計(jì)劃(BJ2090130038)及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(WK6030000066)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the International Technology Cooperation Program of the Anhui Province of China (No.BJ2090130038) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No.WK6030000066).)