氣液分離兩翼式熱管用于輻射采暖的特性分析

趙建會(huì)，王登山，張金明

(西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著人們居住條件的不斷改善，對(duì)室內(nèi)采暖提出了新的要求。現(xiàn)在多采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的散熱器采暖，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)以其節(jié)能、舒適、衛(wèi)生、健康等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的散熱器采暖諸如能耗大、舒適性差、難于分戶計(jì)量、占用房間使用面積等問(wèn)題，成為了越來(lái)越多的新建小區(qū)和居住人群采用的采暖方式。但低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的加熱盤(pán)管多為塑料管或鋁塑復(fù)合管，熱阻較大，如果采取相應(yīng)措施減小熱阻，則有望降低低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的供水溫度，達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)，也為太陽(yáng)能、地?zé)崮艿葻崴到y(tǒng)直接應(yīng)用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)提供可能性［1－4］。

熱管以傳熱系數(shù)高、傳熱溫差小及無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)在建筑節(jié)能、動(dòng)力、電子元器件的冷卻等方面得到了廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究［5－8］。熱管是借助于工作介質(zhì)的氣液相變進(jìn)行傳熱，熱阻很小。因而熱管的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，熱流密度高。且熱管運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)腔蒸汽處于飽和狀態(tài)。由于飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段產(chǎn)生的壓降很小，根據(jù)Clausuis －Clapeyron 方程式可得，其溫降亦很小，即在冷熱源兩端的溫差很小的情況下也可傳遞大量熱量［9－10］。熱管通過(guò)工質(zhì)的相變進(jìn)行換熱，因此熱量只能從熱管的蒸發(fā)段傳遞到冷凝段，因而具有優(yōu)良的熱二極管性?；跓峁芤陨系奶攸c(diǎn)來(lái)嘗試將熱管應(yīng)用于低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中。

1 工作原理

熱管是由工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝和毛細(xì)管現(xiàn)象設(shè)計(jì)而成的，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 熱管基本結(jié)構(gòu)示意圖

熱管主要由管殼、吸液芯和工作介質(zhì)組成。一般選用甲醇、乙醇、水、氨、鈉、萘、水銀等物質(zhì)作為其工作介質(zhì)［11］。沿?zé)峁荛L(zhǎng)度方向依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。從外部加熱熱管的一端(蒸發(fā)段)，浸入吸液芯的液體從管壁吸熱后蒸發(fā)。隨著蒸發(fā)段中蒸汽壓力的升高，沿管長(zhǎng)方向出現(xiàn)壓力差，使得蒸汽流向壓力和溫度較低的另一端(冷凝段)，放熱后重新凝結(jié)為液體。由于蒸發(fā)段的液體飽和度減小，依靠吸液芯的毛細(xì)管作用，產(chǎn)生了液體自補(bǔ)償，將冷凝的工作液抽吸或借助重力回流到蒸發(fā)區(qū)又再次蒸發(fā)，因此在密閉熱管內(nèi)形成蒸發(fā)—凝結(jié)—液體回流的自動(dòng)循環(huán)過(guò)程。

熱管用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)主要是利用熱管的工作原理，把地埋熱水管道作為熱源，地板層作為熱匯，用熱管將蒸發(fā)段和冷凝段分別與熱源和熱匯連接起來(lái)。即將熱管的蒸發(fā)段置于地埋熱水管道的內(nèi)部，吸收熱水管道熱量，熱量沿?zé)峁軅鬟f至冷凝段，在冷凝段釋放熱量，熱量傳遞給地板的填充層，熱管整體被埋設(shè)于地板的填充層之中。熱管用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)并未降低地埋熱水管道其自身的傳熱能力，而是相當(dāng)于在原有傳熱能力的基礎(chǔ)上加了一些熱管翅片，這大大提高了地埋熱水管道與地板層之間的換熱量，為太陽(yáng)能等低品位能源的熱水系統(tǒng)直接應(yīng)用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)提供了可能性，并且為大管間距下低溫地板輻射采暖的傳熱的研究提供參考依據(jù)。

2 熱管結(jié)構(gòu)

熱管內(nèi)部主要靠工作液體的汽液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力。熱管傳遞熱量能力雖然很大，但是也不能無(wú)限地加大熱量。事實(shí)上有許多因素制約著熱管的工作能力。換言之，熱管的傳熱也存在著一系列的傳熱極限，如毛細(xì)極限、聲速極限、沸騰極限、攜帶極限、冷凝極限等，這些極限與熱管形狀、尺寸、工作介質(zhì)、工作溫度等有關(guān)。只有合理的優(yōu)化熱管的形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸等參數(shù)，才能增大其傳熱能力。

由牛頓冷卻公式Q=hAΔt 可知，在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 和溫差Δt 相同的情況下，增加熱管蒸發(fā)段與熱水管道的換熱面積可以增大系統(tǒng)的傳熱量。熱管按照結(jié)構(gòu)形式劃分，有柱形熱管、平板熱管、環(huán)路熱管、分離式熱管和震蕩回路熱管等多種類(lèi)型。張于峰教授采用將柱形熱管蒸發(fā)段置于水套內(nèi)的方式對(duì)地板輻射供暖的特性進(jìn)行研究［12］，其連接示意圖如圖2所示，但是此種連接方式存在這樣的缺點(diǎn):為避免蒸發(fā)段液體燒干，產(chǎn)生“干涸極限”現(xiàn)象，熱管冷凝段的長(zhǎng)度是蒸發(fā)段的幾倍，迫使熱管的長(zhǎng)度增加，使熱管內(nèi)工質(zhì)的流動(dòng)阻力增加，不利于冷凝液體的回流。為了解決為增加蒸發(fā)段換熱量需要增加蒸發(fā)段的長(zhǎng)度，同時(shí)需要增加冷凝段的長(zhǎng)度，使熱管長(zhǎng)度增加與熱管長(zhǎng)度過(guò)大會(huì)增加地板層厚度，導(dǎo)致房間凈高降低之間的矛盾，只有增大冷凝段換熱面積，才能避免產(chǎn)生“干涸極限”現(xiàn)象。為增大蒸發(fā)段與熱水管道的換熱面積可以采用環(huán)形腔套管式熱管。依據(jù)《地板輻射供暖技術(shù)規(guī)程》［13］，地埋管的最大公稱外徑為25 mm，所以該熱管環(huán)形腔的外徑不大于20 mm。

圖2 采用水套的熱管連接示意圖

隨著建筑外保溫等技術(shù)的進(jìn)步，按目前規(guī)范要求完成的設(shè)計(jì)，在運(yùn)行中常出現(xiàn)房間過(guò)熱現(xiàn)象。李安桂教授等人經(jīng)過(guò)對(duì)400 mm、500 mm 加熱管敷設(shè)間距進(jìn)行室內(nèi)溫度場(chǎng)模擬，認(rèn)為400 mm 以上的管間距在現(xiàn)有工程條件下不能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的要求，即在400 mm 以內(nèi)的加熱管道可以滿足熱量要求［14］。郭思宇教授在進(jìn)行大管間距下地板輻射采暖的傳熱特性研究中，從滿足熱舒適性方面考慮，當(dāng)?shù)孛娌牧蠈?dǎo)熱系數(shù)大，采用大管間距敷設(shè)，其散熱量可以滿足房間熱負(fù)荷的要求［15］。綜上，本文將介紹一種應(yīng)用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的新型熱管。

3 新型熱管

新型氣液分離兩翼式熱管的結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。新型氣液分離兩翼式熱管的工作原理如下:為了增大熱管與地埋管的換熱面積，蒸發(fā)段采用環(huán)形腔式，熱管環(huán)形腔置于地埋管的內(nèi)部進(jìn)行換熱，且熱管環(huán)形腔的管徑不宜大于20 mm，地埋熱水管道與環(huán)形腔蒸發(fā)段的內(nèi)外壁換熱，對(duì)蒸發(fā)段內(nèi)的液體工質(zhì)進(jìn)行加熱，液體工質(zhì)受熱發(fā)生相變成為氣體，氣體工質(zhì)在壓差的作用下沿兩翼的氣體管道分別進(jìn)入冷凝段圓形扁平腔內(nèi)，圓形扁平腔位于地板填充層內(nèi)部，溫度較低，氣體工質(zhì)釋放熱量，冷凝為液體，分別沿液體通道重新回到蒸發(fā)段的環(huán)形腔內(nèi)，如此循環(huán)把熱量傳遞到兩翼的地板填充層。新型熱管的兩翼大大提高了供暖區(qū)域的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能。新型熱管在結(jié)構(gòu)上具有對(duì)稱性，其氣體通道一端與蒸發(fā)段的環(huán)形腔上端相切，保證氣體能夠順利進(jìn)入氣體通道內(nèi)，另一端與冷凝段上端連接，防止冷凝液體進(jìn)入氣體通道形成液塞;液體通道的一端與蒸發(fā)段環(huán)形腔的下端相連，防止蒸氣進(jìn)入液體通道而形成氣塞，另一端連接冷凝段的下端，使液體工質(zhì)能夠順利回到蒸發(fā)段。這樣有效地實(shí)現(xiàn)了熱管內(nèi)部氣相和液相的分離，增加了蒸發(fā)段和冷凝段的換熱面積，提高了熱管的傳熱量。

圖3 氣液分離兩翼式熱管示意圖

圖4 氣液分離兩翼式熱管A－A 剖面圖

新型兩翼式熱管具有以下特點(diǎn):

(1)新型熱管可完全依靠重力傳遞熱量，無(wú)需吸液芯，成本低。

(2)蒸發(fā)段環(huán)形腔置于熱水管道內(nèi)部，環(huán)形腔的內(nèi)外壁面直接與熱水接觸，增加了蒸發(fā)段的換熱面積，且熱水可以在環(huán)形腔外順利流動(dòng)，減少了流動(dòng)的局部阻力損失。

(3)兩側(cè)氣體管道出口的高速氣流增大了冷凝段腔體上壁面的液膜的擾動(dòng)，對(duì)液膜結(jié)構(gòu)造成破壞，強(qiáng)化冷凝段的對(duì)流換熱。

(4)氣相工質(zhì)和液相工質(zhì)在各自的通道獨(dú)立流動(dòng)，減小了相互干擾而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，同時(shí)，避免了“攜帶極限”現(xiàn)象的發(fā)生;冷凝段換熱面積大，能夠使進(jìn)入冷凝段的氣體工質(zhì)快速地冷卻，避免冷凝液體不能有效地回流而引起蒸發(fā)段液體工質(zhì)被“燒干”的現(xiàn)象;為了防止因腔體內(nèi)壓力低而出現(xiàn)腔體被壓扁的情況發(fā)生，設(shè)置加強(qiáng)筋可有效地起支撐作用，同時(shí)，便于液體工質(zhì)回流。

(5)新型氣液分離兩翼式熱管的兩翼大大增加了供熱的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能，這樣不僅排列整齊、美觀，而且還可以節(jié)省建材。

(6)由于熱管內(nèi)的工質(zhì)與管殼材料會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生不凝性氣體，不凝性氣體積聚于冷凝段，使得有效換熱面積減少，導(dǎo)致熱管的性能惡化，傳熱能力降低;另外熱水與熱管的環(huán)形腔長(zhǎng)期直接接觸，而殼體的厚度較小，容易對(duì)管殼材料造成腐蝕，使材質(zhì)強(qiáng)度降低、熱阻增加，嚴(yán)重時(shí)造成管殼腐蝕穿孔，使熱管失效，熱管內(nèi)的工質(zhì)流出，地埋管內(nèi)的熱水水質(zhì)受到影響。因此，需要提高熱管的加工工藝和技術(shù)，生產(chǎn)出性能高、壽命長(zhǎng)的熱管，使熱管的壽命周期與地板輻射供暖系統(tǒng)的使用壽命相當(dāng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)熱管用于低溫地板輻射供暖系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了一種新型的氣液分離兩翼式熱管，該熱管的氣相工質(zhì)和液相工質(zhì)在相互獨(dú)立流動(dòng)，減小了相互干擾而產(chǎn)生的流動(dòng)阻力，避免了熱管的傳熱極限，如攜帶極限、干涸極限等，并且增大了蒸發(fā)段和冷凝段換熱面積，使熱水管道與地板層的換熱量顯著增加，有效地降低冬季室內(nèi)供暖的供水溫度，達(dá)到節(jié)能目的，同時(shí)，新型熱管的兩翼大大增加了供熱的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能，

也為太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⑸镔|(zhì)能等可再生能源應(yīng)用于低溫輻射供暖系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)。

由于國(guó)內(nèi)外對(duì)熱管應(yīng)用于低溫輻射供暖的研究文獻(xiàn)較少，缺乏詳細(xì)的理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，對(duì)于如何更好地提高熱管與地板的換熱能力、延長(zhǎng)熱管的使用年限、避免熱管內(nèi)的工質(zhì)與管殼的電化學(xué)反應(yīng)以及開(kāi)發(fā)適用于低溫地板輻射供暖的新型熱管，還需要大量的研究工作。

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