采用微通道蒸發(fā)器的分離式熱管充液率實(shí)驗(yàn)研究

胡張保張志偉金聽祥邵雙全張海南

（1鄭州輕工業(yè)學(xué)院建筑環(huán)境工程學(xué)院 鄭州 450002；2鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450002；3中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190）

采用微通道蒸發(fā)器的分離式熱管充液率實(shí)驗(yàn)研究

胡張保1張志偉2金聽祥2邵雙全3張海南3

（1鄭州輕工業(yè)學(xué)院建筑環(huán)境工程學(xué)院 鄭州 450002；2鄭州輕工業(yè)學(xué)院能源與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450002；3中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190）

采用微通道換熱器作為分離式熱管的蒸發(fā)器，在充液率為80%～150%之間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測量了微通道蒸發(fā)器換熱量、管壁溫度分布及系統(tǒng)EER，分析了不同充液率下微通道蒸發(fā)器的工作狀態(tài)，計(jì)算了蒸發(fā)器傳熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微通道蒸發(fā)器換熱量隨室內(nèi)外溫差的增大而增大，分離式熱管最佳充液率為120%左右。此外，與翅片管蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，在換熱量相當(dāng)?shù)臈l件下，微通道蒸發(fā)器重量減輕了45%，系統(tǒng)工質(zhì)充注量降低了51.9%，系統(tǒng)EER提高了2.8%。

分離式熱管；微通道換熱器；充液率

分離式熱管是利用溫差進(jìn)行換熱的一種高效傳熱元件，其蒸發(fā)段和冷凝段是分開的，可以靈活布置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱和根據(jù)需要調(diào)整換熱面積比，在一定的環(huán)境下不需要壓縮機(jī)，利用室內(nèi)外溫差驅(qū)動(dòng)制冷劑循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，具有很好的節(jié)能效果［1－6］。充液率是影響分離式熱管傳熱性能的重要因素之一，熱管的充液率與熱管的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱輸入量及工質(zhì)特性有關(guān)。熱管充液率R定義為：在冷態(tài)條件下，充入液相工質(zhì)的體積與蒸發(fā)器管內(nèi)容積之比值［7］，有：

式中：V1為充入液相工質(zhì)的體積，m3；Ve為蒸發(fā)器管內(nèi)容積，m3。

一般充液率可由理論計(jì)算或?qū)嶒?yàn)兩種方法確定，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱管的充液率進(jìn)行了很多的理論研究，洪光等［8］和湯廣發(fā)等［9］通過建立一維、穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了分離型熱管充液率，理論分析了蒸發(fā)段長度、工質(zhì)蒸發(fā)溫度及熱輸入量對(duì)充液率運(yùn)行邊界的影響；Pai P F等［10］通過數(shù)值模擬對(duì)震蕩熱管的充液率進(jìn)行了理論計(jì)算；Habeebullah M H等［11］用系統(tǒng)仿真計(jì)算充注量，引入制冷劑的流動(dòng)壓降、并結(jié)合兩相流換熱特性對(duì)兩相區(qū)做分區(qū)，建立穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)模型，得出系統(tǒng)制冷劑存貯量的分布，從而得到制冷劑充注量；Rahmat M等［12］利用有限元法對(duì)單個(gè)微通道熱管的充液率進(jìn)行了模擬分析。

由于熱輸入量、蒸發(fā)段內(nèi)徑、工質(zhì)的種類和蒸發(fā)溫度等諸多因素均會(huì)影響熱管的充液率，所以用理論計(jì)算方法確定充液率比較困難。有關(guān)分離式熱管的充液率的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在國內(nèi)，郝瑩等［13］以R600A為工質(zhì)對(duì)蛇形翅片管分離式熱管的整體熱量傳遞特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，確定最佳充液率為161.66%。安翔等［14］進(jìn)行了以CO2為工質(zhì)的熱管最佳充液率的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明CO2熱管最佳充液率為36.5%。陳嵐等［15］以丙酮為工質(zhì)，對(duì)水平排管串聯(lián)型分離式熱管的最佳充液率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明最佳充液率范圍為70% ～114%。朱玉琴等［16］對(duì)分離式熱管小傾斜蒸發(fā)段流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)得出小傾角分離式熱管合理充液率范圍為65%～90%。目前，對(duì)分離式熱管的實(shí)驗(yàn)研究主要采用蛇形翅片管作為冷凝段和蒸發(fā)段，對(duì)微通道換熱器作為分離式熱管蒸發(fā)段的研究比較少。

微通道換熱器與傳統(tǒng)翅片管換熱器相比，具有重量輕、體積小、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊奏等優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容積遠(yuǎn)低于銅管翅片式換熱器，可以減少換熱器內(nèi)的制冷劑充注量［17－19］。本文以微通道蒸發(fā)器作為分離式熱管的蒸發(fā)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測量了微通道蒸發(fā)器管壁的溫度分布和換熱量，計(jì)算了傳熱系數(shù)，探討了充液率對(duì)分離式熱管傳熱性能的影響，確定了最佳充液率的范圍。并運(yùn)用翅片管蒸發(fā)器作為分離式熱管的蒸發(fā)段，在換熱量相當(dāng)?shù)那闆r下，與翅片管蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用分離式熱管系統(tǒng)圖如圖1所示，由翅片管冷凝器、微通道蒸發(fā)器、氣體上升管和液體下降管等部件組成，考慮克服液體及蒸汽在管路中的流動(dòng)阻力問題，冷凝器與蒸發(fā)器之間的高度差設(shè)置為1 m［20］。

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

蒸發(fā)器和冷凝器分別裝有軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2500 m3／h，風(fēng)機(jī)總功率為260 W。蒸發(fā)器出風(fēng)口通過風(fēng)道與靜壓箱連接，在蒸發(fā)器和冷凝器進(jìn)出口及中間部分共布置12個(gè)T型熱電偶。冷凝器垂直氣流方向每排水平布置12根管，沿氣流方向?yàn)?排管，單管長800 mm，直管段之間由180°彎頭連接而形成通路，管間距25 mm，錯(cuò)排布置，管徑?7×0.2 mm，翅片間距為2 mm，翅片厚度為0.15 mm。

微通道蒸發(fā)器由集流管、扁管、百葉窗翅片等組成，沿氣流方向?yàn)?排管，共63個(gè)扁管，翅片上開有小百葉窗，其實(shí)物圖和扁管規(guī)格如圖2和圖3所示。

圖2 微通道蒸發(fā)器實(shí)物圖Fig.2 Microchannel evaporator

圖3 扁管規(guī)格（mm）Fig.3 Flat tube specifications

微通道蒸發(fā)器采用百葉窗翅片能增加翅片表面對(duì)空氣的擾動(dòng)，破壞扁管表面空氣流動(dòng)的邊界層，從而強(qiáng)化換熱，有效提高系統(tǒng)能效。表1是在取得換熱量相當(dāng)?shù)那闆r下，該微通道蒸發(fā)器與翅片管蒸發(fā)器的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

由表1可知，微通道蒸發(fā)器尺寸小、重量輕、成本低廉，不存在翅片管換熱器上明顯的電位腐蝕現(xiàn)象，而且由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，在高效節(jié)能、環(huán)保方面比銅材更具有優(yōu)勢。

表1 微通道與翅片管蒸發(fā)器參數(shù)對(duì)比Tab.1 Parameters of Microchannel evaporator and copper fin evaporator

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，分離式熱管的冷凝器和蒸發(fā)器分別放置在室外側(cè)和室內(nèi)側(cè)，如圖4和圖5所示。實(shí)驗(yàn)裝置采用工質(zhì) R22，依據(jù) GB／T7725—2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》國家標(biāo)準(zhǔn)中的測試方法進(jìn)行樣機(jī)的性能測試，實(shí)驗(yàn)在名義制冷工況下進(jìn)行。室內(nèi)側(cè)干濕球溫度恒定，分別設(shè)置為27℃和19℃，室外側(cè)干濕球分別設(shè)定為7℃／4.31℃、11℃／7.87℃、15℃／11.41℃、19℃／14.96℃和23℃／18.5℃共5個(gè)自由工況，充注量分別為1.7 kg、1.9 kg、2.1 kg、2.3 kg、2.5 kg、2.7 kg、2.9 kg和3.1 kg，根據(jù)充液率定義，對(duì)應(yīng)充液率依次為80%、90%、100%、110%、120%、130%、140%和150%。根據(jù)測定的微通道蒸發(fā)器管壁溫度分布、換熱量和系統(tǒng)EER，并計(jì)算蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，確定最佳充液率。并在相同實(shí)驗(yàn)工況下，用翅片管蒸發(fā)器代替微通道型蒸發(fā)器進(jìn)行了充注量實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 室外側(cè)冷凝器實(shí)物圖Fig.4 Outdoor finned tube condenser

圖5 室內(nèi)側(cè)微通道蒸發(fā)器實(shí)物圖Fig.5 Indoor Microchannel evaporator

蒸發(fā)器的換熱量Q的計(jì)算公式有：

式中：ρ為空氣密度，kg／m3；ν為風(fēng)速，m／s；A為風(fēng)道截面積，m2；cp為空氣定壓比熱容，kJ／kg；Δt為蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)空氣溫差，℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在4～20℃的溫差范圍內(nèi)，測定了各個(gè)充液率下微通道蒸發(fā)器的換熱量，并進(jìn)行了比較。從圖6可以看出，在各個(gè)充液率下蒸發(fā)器換熱量均隨著室內(nèi)外側(cè)溫差的增大而增大。充液率為120%的換熱量比其他充液率下的制冷量都要大，充液率為120%時(shí)的換熱量比充液率為 110%時(shí)的換熱量平均提高13.84%，比充液率為130%時(shí)的換熱量平均提高15.71%。

圖6 不同充液率下的換熱量比較Fig.6 Com parison of the heat transfer under different filling rate

在室內(nèi)外溫差為16℃時(shí)，不同充液率下微通道蒸發(fā)器換熱量變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，在充液率為80%～120%范圍內(nèi)，換熱量隨著充液率的增大而逐漸增加，充液率為120%時(shí)換熱量達(dá)到最大值3489 W；當(dāng)充液率超過120%時(shí)，隨著充液率的增加，換熱量減小。這是因?yàn)楫?dāng)充液率較小時(shí)，蒸發(fā)器內(nèi)部過多的工作面在進(jìn)行與過熱蒸汽之間的顯熱交換，隨著充液率的增加，與液相工質(zhì)接觸的工作面面積逐漸增加，換熱得到逐步強(qiáng)化；充液率高于120%時(shí)，蒸發(fā)器入口處液態(tài)工質(zhì)容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，蒸發(fā)器底部不處于相變換熱區(qū)，影響蒸發(fā)器的傳熱性能，如果繼續(xù)增大充液率，蒸發(fā)器將會(huì)只處于液相區(qū)，分離式熱管將無法工作。在120%充液率情況下，蒸發(fā)器進(jìn)口溫度為20.5℃，中間部分的溫度為22.1℃，出口溫度為23.2℃，整個(gè)蒸發(fā)器表面溫度變化不大，蒸發(fā)器大部分工作面處在相變換熱區(qū)，蒸發(fā)器換熱量達(dá)到最大值，所以該分離式熱管的最佳充液率范圍在120%左右。

圖7 換熱量隨充液率的變化Fig.7 Variation of heat transfer with filling rate

圖8和圖9為在室內(nèi)外溫差為16℃時(shí)，不同充液率下分離式熱管系統(tǒng)的EER和蒸發(fā)器傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。由圖8～圖9可知，隨著蒸發(fā)器充液率的提高，EER和換熱系數(shù)均經(jīng)歷了一個(gè)先增大后減小的過程，充液率過低或過高，蒸發(fā)器的相變換熱面積均會(huì)減小，使傳熱系數(shù)下降。在充液率達(dá)到120%時(shí)，EER達(dá)到最大值為13.76，此分離式熱管僅有室內(nèi)外機(jī)上的兩個(gè)風(fēng)機(jī)消耗電能，所以EER要明顯高于常規(guī)的空調(diào)，具有很好的節(jié)能性。

圖8 EER隨充液率的變化Fig.8 Variation of EER with filling rate

圖9 換熱系數(shù)隨充液率變化Fig.9 Variation of heat transfer coefficient with filling rate

在相同的實(shí)驗(yàn)工況下，對(duì)翅片管蒸發(fā)器進(jìn)行了充注量實(shí)驗(yàn)研究。在充注量為5.2 kg時(shí)，對(duì)應(yīng)充液率為97%，其換熱量達(dá)到最大為3577，EER為13.39。以微通道換熱器作為蒸發(fā)器，與翅片管蒸發(fā)器相比較，體積減小，重量減輕45%，系統(tǒng)工質(zhì)充注量降低51.9%，系統(tǒng)EER提高2.8%。

在工質(zhì)特性、熱輸入量及充液率相同的情況下，與翅片管蒸發(fā)器相比較，微通道蒸發(fā)器具有結(jié)構(gòu)緊奏、流體通道直徑小，換熱效率高等特點(diǎn)，所以其管內(nèi)出口段更容易出現(xiàn)過熱蒸汽，從而影響換熱。為保證微通道蒸發(fā)器處于最佳的換熱性能，所以采用微通道蒸發(fā)器的分離式熱管最佳充液率要比采用翅片管蒸發(fā)器的略大。

3 結(jié)論

本文采用微通道換熱器作為分離式熱管的蒸發(fā)器，實(shí)驗(yàn)研究了在不同充液率下分離式熱管的傳熱性能，得出以下主要結(jié)論：

1）在室內(nèi)外溫差為4～20℃的范圍內(nèi)，微通道蒸發(fā)器的換熱量隨著室內(nèi)外側(cè)溫差的增大而增大；分離式熱管的最佳充液率在120%左右，在室內(nèi)外溫差為16℃時(shí)，EER可以達(dá)到13.76。

2）在換熱量相當(dāng)?shù)臈l件下，與翅片管蒸發(fā)器相比較，微通道換熱器作為蒸發(fā)器，體積減小，重量減輕45%，工質(zhì)充注量降低51.9%，系統(tǒng)EER提高2.8%，在節(jié)能環(huán)保方面具有很大優(yōu)勢。

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胡張保，男，講師，鄭州輕工業(yè)學(xué)院建筑環(huán)境工程學(xué)院，15937175611，E?mail：huzhangbao＠zzuli.edu.cn。研究方向：制冷低溫設(shè)備研制與開發(fā)。

About the corresponding author

Hu Zhangbao，male，lecturer，School of Architecture and Envi?ronmental Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，＋86 15937175611，E?mail：huzhangbao＠zzuli.edu.cn.Re?search fields：development in refrigeration and cryogenics.

Experimental Study on the Working Fluid Filling Rates of Microchannel Evaporator in a Special Separate Type Heat Pipe

Hu Zhangbao1Zhang Zhiwei2Jin Tingxiang2Shao Shuangquan3Zhang Hainan3

（1.School of Building Environment Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，Chi?na；2.School of Energy and Power Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou，450002，Chi?na；3.Technical Institute of Physics and Chemistry，CAS，Beijing，100190，China）

Water The microchannel heat exchanger was used as the evaporator of a separated type heat pipe，and the working fluid filling rate of the separate type heat pipe was studied experimentally when the filling rate changed from 80%to 150%.The heat transfer，the wall tem?perature of microchannel evaporator and the EER of the system were measured.The heat transfer characteristics under different filling rate were analyzed respectively，and the heat transfer coefficient was calculated.The results show that the heat transfer increased with the tem?perature difference between the indoor air and the outdoor air.The optimal filling rate was about 120%.Moreover，the microchannel e?vaporator was compared experimentally with the finned tube evaporator under the condition of same heat transfer.The weight and the re?frigerant charge of the microchannel evaporator is 45%and 15.9%lower than that of the finned tube evaporator，respectively.The EER of the system with the microchannel evaporator is 2.8%higher than that of the system with the finned tube evaporator.

eparated type heat pipe；microchannel heat exchanger；filling rate

TB657.5；TQ051.5

A

0253－4339（2015）04－0098－05

10.3969／j.issn.0253－4339.2015.04.098

簡介

國家科技支撐計(jì)劃（2012BAA13B03_02_4）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the Key Technologies R＆D Program of China（No. 2012BAA13B03_02_4）.）

2014年12月16日