熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置的實(shí)驗(yàn)研究

(北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 北京 100124)

自2013年初，我國(guó)大面積遭遇了不同程度的霧霾天氣。京津冀多個(gè)城市PM2.5的來(lái)源解析結(jié)果表明，燃煤排放出的多種污染物是形成PM2.5污染的主要來(lái)源。加快郊區(qū)及城市上風(fēng)口的農(nóng)村地區(qū)采暖“煤改電”工程建設(shè)，是實(shí)現(xiàn)空氣治理行動(dòng)計(jì)劃目標(biāo)的重要措施[1]。目前“煤改電”主流家用采暖設(shè)備為小型空氣源熱泵和分體式風(fēng)冷熱泵型空調(diào)器。家用小型空氣源熱泵采用蒸氣壓縮式熱泵加水循環(huán)，通過(guò)水泵將熱量輸送到室內(nèi)，此種設(shè)計(jì)需對(duì)熱泵系統(tǒng)和水系統(tǒng)協(xié)調(diào)準(zhǔn)確控制，系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，安裝和檢修困難較大，同時(shí)須著重考慮冬季運(yùn)行安全及水路的防凍問(wèn)題。普通風(fēng)冷熱泵型分體式空調(diào)用風(fēng)機(jī)供熱，產(chǎn)生的熱空氣從上至下循環(huán)，不符合供暖的空氣動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)原理，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后換熱器內(nèi)積累塵土和有害細(xì)菌并產(chǎn)生異味，對(duì)人體健康造成損害[2]。

熱管是一種高效的兩相傳熱裝置，與常規(guī)散熱器相比熱管散熱器的傳熱性能更好。國(guó)外對(duì)于將熱泵與高效率傳熱熱管相結(jié)合也有相關(guān)研究。N. Chotivisarut等[3-4]采用熱管散熱器將水箱里的熱量抽出冷卻熱水。Zhang Xingxing等[5]將熱管應(yīng)用于太陽(yáng)能換熱裝置，結(jié)果表明性能系數(shù)比傳統(tǒng)換熱器提高了1.5～4倍。H. Lim等[6]將熱管應(yīng)用于地源熱泵的蒸發(fā)器端，蒸發(fā)器置于熱管散熱器內(nèi)，結(jié)果表明：與普通直接膨脹式相比性能系數(shù)提高10.3%；與復(fù)合回路換熱型式相比性能系數(shù)提高21.1%。C. Sebarchievici等[7-8]將熱管應(yīng)用于地源熱泵，通過(guò)熱管復(fù)合的地板將熱量供給辦公室。

本文提出的熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置，結(jié)合了熱泵與熱管的優(yōu)勢(shì)，解決了現(xiàn)有空氣源熱泵安裝困難、用戶體驗(yàn)差、供熱速度慢和供暖效率低的問(wèn)題，提高了整個(gè)熱泵系統(tǒng)的舒適度、供熱速度和運(yùn)行效率。

1 系統(tǒng)原理

熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置如圖1所示。系統(tǒng)包括熱泵和熱管散熱器兩部分，熱泵由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器組成；熱管散熱器由多個(gè)熱管組成，通過(guò)集液管連接并與熱泵的冷凝器隔離焊接。工作過(guò)程為：壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體通過(guò)冷凝盤管與熱管散熱器中的工質(zhì)換熱，冷凝后的制冷劑液體經(jīng)節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)吸熱，蒸發(fā)后的制冷劑氣體回到壓縮機(jī)。熱管散熱器中的工質(zhì)吸熱后熱管啟動(dòng)，通過(guò)輻射和自然對(duì)流將熱量傳遞給室內(nèi)。

圖1 熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置Fig.1 The heat pipe radiation heating device driven by heat pump

2 熱力學(xué)分析模型

2.1 熱泵工作過(guò)程

熱管散熱器輸出的熱量由熱泵提供，熱管散熱器表面和室內(nèi)環(huán)境的溫差驅(qū)動(dòng)散熱器向室內(nèi)散熱。

制熱量Q：

Q=m(h2-h3)

(1)

式中：m為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；h2、h3分別為圖1中2、3點(diǎn)處的焓值，kJ/kg。

制熱COP:

(2)

式中：P為壓縮機(jī)的輸入功率，kW。

2.2 輻射和自然對(duì)流換熱

熱管散熱器和室內(nèi)空間的換熱主要包括輻射和自然對(duì)流兩部分，熱管散熱器通過(guò)自然對(duì)流與房間的換熱量為[9-12]：

Qc=hcA(ts-troom)

(3)

式中：Qc為熱管散熱器通過(guò)自然對(duì)流與空間的換熱量，kW；A為熱管散熱器的表面積，m2；hc為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)；ts為熱管散熱器表面溫度，℃；troom為房間溫度，℃。

hc由以下公式?jīng)Q定[13]：

湍流：hc=1.31(θ)0.33

(4)

(5)

流體流動(dòng)特性(湍流或?qū)恿?可以由兩個(gè)無(wú)量綱數(shù)(格拉曉夫數(shù)和普朗特?cái)?shù))決定：

層流：104

(6)

湍流：109

(7)

普朗特?cái)?shù)可從經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式中得到[14]：

Pr=0.680 +4.69×107(tk+540)2

(8)

(9)

(10)

式中：β為流體體積膨脹系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；l為特征長(zhǎng)度(散熱器高)，m；θ為散熱器表面和室內(nèi)空氣的溫差，℃；v為運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

熱管散熱器通過(guò)輻射與房間換熱的換熱量為[15]:

(11)

式中：ε取0.9；σ為5.670 3×10-8W/(m2·K4)；A為散熱器表面積，m2；ts為熱管散熱器表面溫度，℃[16]。

根據(jù)式(3)～式(11)，設(shè)計(jì)了一種全新的用于室內(nèi)加熱的熱管散熱器(適用于1 HP壓縮機(jī))，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。結(jié)構(gòu)特征：U型熱管并排連接在集液管上，U型管表面焊接平板翅片，起固定U型管和增加散熱面積的作用，熱泵的冷凝器插入底部集液管，冷凝熱傳遞給熱管散熱器內(nèi)的液體工質(zhì)。結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 熱管散熱器的主要結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Main structural dimension of heat pipe radiator

3 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)試

熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置安裝在在焓差室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)均可提供特定的空氣溫度和濕度，室內(nèi)、室外側(cè)送風(fēng)由頂部通過(guò)均流孔向下均勻送至房間內(nèi)。實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。

P壓力測(cè)點(diǎn)；T溫度測(cè)點(diǎn)。圖2 熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置實(shí)驗(yàn)原理Fig.2 Experimental principle of heat pump driven heat pipe radiation heating device

為更好的評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能，本實(shí)驗(yàn)對(duì)其主要部位的溫度傳感器、壓力傳感器及冷卻水流量計(jì)、壓縮機(jī)功率計(jì)、量熱器功率計(jì)等儀表進(jìn)行了標(biāo)定，主要實(shí)驗(yàn)儀器參數(shù)如表2所示。

表2 主要實(shí)驗(yàn)儀器Tab.2 The parameter of main experiment sensors

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在室內(nèi)溫度為18～22 ℃，室外溫度為-15～0 ℃的工況下，Pt100的測(cè)量精度為±0.15 ℃，熱泵工質(zhì)為R22時(shí)，分別研究了熱管散熱器充注R22、R32、R410A和R134a時(shí)的熱管表面溫度分布、制熱量、制熱COP等性能參數(shù)。

圖3所示為系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程熱管散熱器表面溫度分布。當(dāng)室外溫度為-5 ℃，室內(nèi)溫度為20 ℃時(shí)，熱泵冷凝溫度在30 min內(nèi)從20 ℃升至40 ℃。隨著熱泵冷凝器溫度的升高，熱管散熱器表面溫度持續(xù)上升，熱管表面溫度與熱泵冷凝溫度之間的溫度梯度在30 min內(nèi)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下冷凝溫度與熱管表面的溫差僅為1～1.5 ℃。因?yàn)槔淠骱蜔峁苷舭l(fā)段僅通過(guò)銅管壁面?zhèn)鳠?，傳熱熱阻非常小而傳熱面積相對(duì)較大。

圖3 系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程熱管散熱器表面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of heat pipe radiator surface at starting process

圖4所示為在環(huán)境溫度分別為-15、-10、-5、0 ℃時(shí)，熱管散熱器表面的溫度分布狀況(t1～t15為均勻分布在熱管散熱器表面的15個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的溫度)。由圖4可以看出，環(huán)境溫度越低，熱管散熱器表面溫度越低。在同一環(huán)境溫度下，散熱器表面溫度最大和最小值之間溫差小于1 ℃。表明熱管散熱器具有良好的表面溫度分布均勻性，能有效地向周圍環(huán)境輻射熱量。

圖4 不同環(huán)境溫度下熱管散熱器表面溫度分布Fig.4 Temperature distribution of heat pipe radiator surface under different temperature

圖5所示為不同充注比率下系統(tǒng)的制熱性能變化。充注比率定義為充注液體工質(zhì)體積與熱管散熱器內(nèi)部總?cè)莘e的比值。圖6所示為最佳充注比率下各工質(zhì)制熱COP。由圖5和圖6可知，當(dāng)工質(zhì)為R32和R410A時(shí)系統(tǒng)可得到較高的制熱量和制熱COP。R32的制熱COP比R134a高約2.7%。系統(tǒng)制熱量和制熱COP隨工質(zhì)充注比率的增大先升高后降低，R32的最佳充注比率為14%，R410A、R22和R134a的最佳充注比率為10%。在最佳充注比率下，R32獲得系統(tǒng)最高的制熱COP。

圖5 熱管散熱器充注比率不同時(shí)系統(tǒng)的制熱性能變化Fig.5 The variation of heating performance with different working fluid charge ratio

圖7所示為當(dāng)室外溫度to分別為-15、-10、-5、0 ℃，室內(nèi)溫度ti為18～22 ℃時(shí)，熱管按最佳充注比率充注R32時(shí)系統(tǒng)制熱COP的變化。由圖7可以看出系統(tǒng)制熱COP隨環(huán)境溫度的升高而升高，在室外溫度相同時(shí)，系統(tǒng)制熱COP隨室內(nèi)溫度的升高而降低。

圖6 最佳充注比率下各工質(zhì)制熱COPFig.6 The variation of heating COP under optimal working fluid charge ratio

圖7 不同工況下熱管散熱器按最佳充注比率充注R32時(shí)系統(tǒng)制熱COPFig.7 The variation of heating COP with optimum mass filling ratio of R32 of heat pipe radiator under different condition

5 結(jié)論

本文提出了熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置的循環(huán)原理，搭建了空氣源熱泵和熱管散熱器相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究工質(zhì)種類和工質(zhì)充注比率對(duì)熱管散熱器的工作性能的影響，不同工況下系統(tǒng)的制熱量和制熱COP的變化，得到以下結(jié)論：

1)熱泵驅(qū)動(dòng)熱管式輻射供熱裝置啟動(dòng)過(guò)程快，常溫下30 min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2)熱管散熱器表面溫度分布均勻，最大表面溫度和最小表面溫度差小于1 ℃。

3)熱管散熱器充注R32時(shí)可得到最高的制熱量和制熱COP。系統(tǒng)的制熱COP隨充注比率呈先增大后減小的趨勢(shì)，最佳充注比率為0.1。

4)熱泵冷凝溫度和熱管表面溫度的溫差為1～1.5 ℃。

5)當(dāng)室內(nèi)溫度為22 ℃，室外溫度為-15～0 ℃時(shí)，制熱COP可分別達(dá)到2.55和4.1。

本文受北京市教委科技計(jì)劃項(xiàng)目(SQKM201810005011)和2017年度北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助項(xiàng)目(2017000026833TD02)資助。(The project was supported by the Science and Technology Plan Project of Beijing(No.SQKM201810005011)and 2017 Beijing Excellent Talent Training Fund (No. 2017000026833TD02).)