可拆裝PE-RT低溫?zé)峁苄罾溲b置及其使用碳氫制冷劑的蓄冷效果

劉金光劉文瑤王世清宋慶武姜文利李 飛

LIU Jin-guang1 LIU Wen-yao2 WANG Shi-qing1 SONG Qing-wu3 JIANG Wen-li1 LI Fei1

(1. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266109；2. 青島蔚藍生物集團有限公司，山東 青島 266101；3. 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院海洋工程學(xué)院，山東 日照 276800)

(1. Food Science and Engineering College, Qingdao Agricultural University, Qingdao, Shandong 266109, China; 2. Qingdao Vland Biltech Group Co., Ltd, Qingdao, Shandong 266101, China; 3. Marine Engineer Department, Rizhao Polytechnic College, Rizhao, Shandong 276800, China)

熱管通過填充介質(zhì)的相變完成微小溫差高效熱傳遞，被譽為“熱的超導(dǎo)體”[1-2]。近年來，熱管技術(shù)發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于航天器冷卻[3]、凍土路基保持[4]和自然冷能制冷食品冷藏庫建設(shè)等領(lǐng)域[5-6]。氟利昂制冷劑是低溫?zé)峁艹Ｓ玫闹评涔べ|(zhì)，其熱力學(xué)特性穩(wěn)定[7]，具有較大的單位容積制冷量和良好的導(dǎo)熱性、啟動性[8]，但有導(dǎo)致全球變暖的劣勢。碳氫制冷劑僅包含元素C、H，屬于天然制冷劑，是氟利昂的理想替代冷劑，其ODP(消耗臭氧潛能值)為零，GWP(全球變暖潛勢)極低；制冷更迅速，且充注量僅為氟利昂的1/3；無腐蝕性，材料兼容性良好[9-10]，能夠?qū)崿F(xiàn)真正環(huán)保。碳氫制冷劑在歐洲和亞洲許多國家已有廣泛應(yīng)用：如R600a替代R12用于家用冰箱；HCR22替代R22和R404a用在果蔬保鮮和制冷倉[11]，劉金光等[12]用HCR22替代R22用于低溫?zé)峁?，發(fā)現(xiàn)兩者制冷效果相當(dāng)，但碳氫制冷劑的充注量更少。

制冰及果蔬保鮮等食品方面用途的低溫?zé)峁芄懿某Ｓ脽o縫鋼或銅等金屬材質(zhì)，金屬管材導(dǎo)熱性好，耐腐蝕，但存在重量大、成本高的缺陷，且用于低溫?zé)峁軙r對管壁焊接點密封要求極高，因此，大規(guī)模應(yīng)用時制作成本高、施工難度大。導(dǎo)熱塑料憑借良好的導(dǎo)熱性、易施工、壽命長以及質(zhì)輕價低的優(yōu)勢逐漸進入人們的視野。孫國華等[13]設(shè)計制作了分置式斯特林循環(huán)塑料制冷機，顏健等[14]和田樹生等[15]研究發(fā)現(xiàn)塑料管導(dǎo)熱系數(shù)僅為金屬管的0.6%～1.0%，但傳熱系數(shù)是金屬管的56%～77%，陳小平等[16]用導(dǎo)熱塑料管替代鋼管用作蓄冰槽盤管，發(fā)現(xiàn)鋼管總傳熱系數(shù)僅為塑料管的1.25倍，張雪東等[17-18]用聚四氟乙烯塑料管替代銅管用于吸收式制冷機，發(fā)現(xiàn)吸收器內(nèi)2種管材傳熱系數(shù)差異極小，蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)銅管傳熱系數(shù)僅為塑料管的2.1倍。

高密度聚乙烯(PE-RT)管是目前應(yīng)用廣泛的導(dǎo)熱塑料管，因其易拆裝、導(dǎo)熱性良好，廉價、可回收等優(yōu)勢廣泛用于地暖管材[19]。修方瓏等[20]和李新宇等[21]證明分離式熱管低溫儲糧效果明顯，張明安等[5]證明自然冷源可用于果蔬貯藏保鮮中，且經(jīng)濟價值十分可觀。但熱管低溫蓄冷中，由于熱管的特殊結(jié)構(gòu)和制作要求，致使熱管無法方便、快捷地拆卸和組裝，基于分離式低溫?zé)峁?，本研究嘗試使用PE-RT導(dǎo)熱塑料管替代紫銅管，用無腐蝕性的HCR22制冷劑為熱管循環(huán)工質(zhì)，設(shè)計開發(fā)了一套低成本、可快速拆裝、真正環(huán)保的PE-RT低溫?zé)峁苄罾溲b置，對比了PE-RT熱管組和銅質(zhì)熱管組的蓄冷效果，以期將熱管單向?qū)岬膬?yōu)勢與PE-RT導(dǎo)熱塑料管的優(yōu)勢相結(jié)合，實現(xiàn)食品用途低溫?zé)峁苄罾溲b置的低成本、可快速組裝拆解和環(huán)保制冷。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

碳氫制冷劑：HCR22型，仁天和節(jié)能環(huán)保有限公司；

導(dǎo)熱塑料管材：PE-RT型，上海中財管道有限公司。

1.2 試驗器材

空壓機：550W-8L型，臺州市奧突斯工貿(mào)有限公司；

電子天平：UTP313-4型，上?；ǔ彪娖饔邢薰?。

蓄冷裝置(見圖1)包括儲水槽、低溫?zé)峁芙M和溫度監(jiān)測器等，其中冷柜1(澳柯瑪BC-208HNE型)模擬外界自然冷源；冷柜2(澳柯瑪BD-258SV型，有效容積240 L)作為密閉保溫的儲水槽。

1. 計算機控制系統(tǒng) 2. 溫度監(jiān)測器 3. 冷凝液下降管 4. 熱管冷凝段 5. 壓力檢測器 6. 冷柜1 7. 蒸氣上升管 8. 制冷劑充注閥 9. 熱管蒸發(fā)段 10. 冷柜2

圖1 試驗裝置圖

Figure 1 Heat pipe cooling device

低溫?zé)峁芙M為分離式重力熱管，主要包括蒸發(fā)段、冷凝段和連接段。如圖2所示，蒸發(fā)段為長方體框架結(jié)構(gòu)，總長度為5 m，放置于儲水槽的中心位置，完全浸沒于水中；冷凝段為排管式結(jié)構(gòu)，放置于冷柜1內(nèi)與冷源直接接觸；連接段包括蒸汽上行管和冷凝液下降管，連接蒸發(fā)段和冷凝段，使熱管組行成一個密閉的循環(huán)系統(tǒng)。銅質(zhì)熱管組材質(zhì)為紫銅，外徑為12.7 mm，壁厚0.7 mm，各連接處用金屬銀焊接；PE-RT熱管組材質(zhì)為PE-RT導(dǎo)熱塑料，外徑為16 mm，壁厚2 mm(可耐壓0.6 MPa)，各連接處采用熱熔接。可認(rèn)為2種材質(zhì)管材內(nèi)徑相同。

為提高換熱效果，冷凝段外管壁皆加裝紫銅質(zhì)翅片，翅片外徑為25 mm、厚度為3 mm、間距為5 mm；為保證熱管內(nèi)制冷劑單向流動，冷凝段頂端內(nèi)管壁安裝單向流通器；為減少系統(tǒng)的熱能損失，連接段外壁包裹聚氨酯保溫材料和防水帶。

1.3 試驗原理

低溫?zé)峁苤谐渥⒅评鋭┖?，制冷劑受重力作用聚集在熱管蒸發(fā)段，吸收熱管周圍的熱量汽化，在微小壓差作用下上升進入冷凝段，與冷源進行熱交換并液化，制冷劑液體由于重力又流回蒸發(fā)段。伴隨循環(huán)工質(zhì)的連續(xù)吸熱蒸發(fā)上升、冷凝放熱下降的過程，水的熱量逐漸被導(dǎo)出，冷源的冷能逐漸蓄積到儲水槽[22-25]。

熱管冷凝段安裝于室外，與外界自然冷源(指冬季冷空氣)直接接觸，蒸發(fā)段安裝于室內(nèi)均勻分布于被冷卻物內(nèi)(糧堆內(nèi)等)。本試驗用冷柜1替代冬季室外自然冷源，若將冷源供給更換為中高緯度地區(qū)冬季豐富的自然冷源，則本試驗裝置的熱量轉(zhuǎn)移和冷量蓄積2個過程可實現(xiàn)無能耗運行，實現(xiàn)無能耗蓄冷[26-27]。

1.4 測溫點的布置

溫度測定使用T型熱電偶測溫，測溫點布置(見圖2)：冷凝段安裝1～2號測溫點，測量制冷劑進、出冷凝段的溫度，3號測溫點測量冷源環(huán)境溫度；4～14號測溫點安裝于儲水槽內(nèi)，測量儲水槽內(nèi)水溫，15號測溫點測量室內(nèi)環(huán)境溫度；16～22號測溫點安裝于蒸發(fā)段表面，測量蒸發(fā)段溫度。

圖2 熱管組結(jié)構(gòu)及蓄冷設(shè)施測溫點圖

裝置蓄冷期間，儲水槽內(nèi)水的實時溫度采集記錄使用TP1000-64型多路溫度記錄儀完成，數(shù)據(jù)采集間隔為5 s，精度為±0.2 ℃。儲水槽內(nèi)初始水溫為(20±0.2) ℃。

1.5 試驗內(nèi)容

1.5.1 制冷劑充液率對熱管蓄冷效果的影響 對試驗熱管組進行不同充液率蓄冷研究，對比銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時的蓄冷效果。

熱管組為PE-RT熱管組和銅質(zhì)熱管組，選用新型碳氫制冷劑HCR22，充液率分別為40%，33%，27%，20%，13%；采集、記錄裝置蓄冷72 h 的儲水槽實時水溫。

1.5.2 熱管組換熱面積比對蓄冷效果的影響試驗 調(diào)整冷凝段的換熱面積即改變熱管組的換熱面積比，探究銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組在最佳充液時換熱面積比對蓄冷效果的影響。

調(diào)整熱管組的換熱面積比依次為3.2∶1，2.8∶1，2.3∶1，1.8∶1，1.4∶1，采集、記錄裝置蓄冷72 h 的儲水槽實時水溫。

1.6 測試指標(biāo)

1.6.1 充液率 在冷態(tài)條件下，熱管工質(zhì)充入量的體積與熱管總?cè)莘e的比值[28](碳氫制冷劑的使用量為氟利昂制冷劑的1/3)。

1.6.2 蓄冷量 熱管組蓄冷裝置蓄冷期間的蓄冷量由式(1)計算：

Qc=cmΔT，

(1)

式中：

QC——裝置蓄冷量，kJ；

c——水的比熱容(20 ℃，0.101 3 MPa)，4.183 kJ/(kg·℃)；

m——水的質(zhì)量，kg；

ΔT——蓄冷前后水的溫差，℃。

1.6.3 統(tǒng)計與分析 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Spss軟件，差異顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 充液率對熱管組蓄冷效果的影響

由圖3(a)可知，銅質(zhì)熱管組運行72 h，充液率為27%，33%，40%時，儲水槽內(nèi)水溫明顯低于充液率為13%和20%時的(P<0.05)，蓄冷過程的前6 h，27%，33%，40%充液率對應(yīng)的儲水槽內(nèi)水溫差異較小，6～72 h，充液率為33%時，儲水槽內(nèi)水溫明顯低于其他充液率時的(P<0.05)，因此，銅質(zhì)熱管組的最佳充液率為33%，熱管組運行72 h儲水槽的水溫降低15.23 ℃，由式(1)可知，蓄冷量為15 289.70 kJ。

由圖3(b)可知，PE-RT熱管組蓄冷72 h，充液率為13%和20%時，儲水槽內(nèi)水溫明顯高于其他充液率時的(P<0.05)，可能是HCR22制冷劑為碳氫制冷劑，充注量僅為氟利昂制冷劑的1/3，因此，13%和20%充液率時制冷劑充注量過少，導(dǎo)致蒸發(fā)段上部管內(nèi)壁無液膜覆蓋，出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，熱管組無法正常運行；PE-RT熱管組蓄冷過程的最佳充液率為33%，此時，儲水槽內(nèi)水溫明顯低于27%和40%充液率時的水溫，原因可能是40%充液率時(P<0.05)，制冷劑充入過多，部分制冷劑液體被制冷劑蒸氣攜帶進入蒸氣上行管，甚至流入冷凝段，降低了熱管組的傳熱性能。充液率分別為13%，20%，33%，33%，40%時，PE-RT熱管組工作72 h，儲水槽內(nèi)水溫依次降低9.10，10.00，11.90，13.30，12.50 ℃，蓄冷量分別是9 135.67，10 039.20，11 946.65，13 352.14，12 549.00 kJ。王一平等[29]研究發(fā)現(xiàn)R22的充液率為50%～100%(對應(yīng)的碳氫制冷劑充液率為17%～33%)，銅-R22分離式熱管蒸發(fā)段最佳充液率為80%～100%(對應(yīng)的碳氫制冷劑充液率為27%～33%)。洪光等[30]試驗了R22制冷劑41%～113%充液率時分離式熱管的傳熱能力，證明熱管最佳工況的充液率為82%～98%(對應(yīng)的碳氫制冷劑充液率為27%～33%)，此時熱管內(nèi)工質(zhì)以相變換熱為主，熱管的換熱量和傳熱系數(shù)均較大。二者關(guān)于氟利昂制冷劑用于分離式熱管的最佳充液率的研究結(jié)果均支持本研究結(jié)論。

2.2 銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時的蓄冷效果對比

圖4為銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組最佳充液時蓄冷效果對比圖。2種熱管組的最佳充液率皆為33%(圖3)，熱管組工作72 h，銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組蓄冷后儲水槽內(nèi)水溫分別降低15.23，13.30 ℃，蓄冷量分別為15 289.70,13 352.14 kJ，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質(zhì)熱管組的87.33%。

對比2種材質(zhì)熱管組的蓄冷降溫曲線，2條曲線的溫度變化趨勢十分相似，溫度降低平緩，無明顯的驟升、驟降，可見，PE-RT熱管組和與銅質(zhì)熱管組的相變傳熱中，蓄冷過程的傳熱穩(wěn)定性一致。

圖3 充液率對蓄冷效果的影響

圖4 熱管組最佳充液時蓄冷效果對比

2.3 熱管組換熱面積比對蓄冷效果的影響

由圖5可知，銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組的最佳換熱面積比皆為2.8∶1，當(dāng)換熱面積比小于最佳換熱面積比時，隨著換熱面積比的增加，蓄冷量增大，可能是換熱面積比過小，即冷凝段換熱面積過小，制冷劑蒸氣在冷凝段未完成充分熱交換進而影響了冷凝傳熱；當(dāng)換熱面積比超過最佳換熱面積比時，蓄冷量反而低于最佳換熱面積比時的蓄冷量，可能是換熱面積比過大，即冷凝段換熱面積過大，制冷劑蒸氣在冷凝段的部分管路已完成了充分熱交換，過大的冷凝段面積反而延長了制冷劑的循環(huán)周期，從而減緩了熱管組的換熱效率，而且增加了熱管組的結(jié)構(gòu)和成本。

圖5 換熱面積比對蓄冷效果的影響

銅質(zhì)熱管組和PE-RT熱管組在最佳換熱面積比2.8∶1時運行72 h，儲水槽內(nèi)水溫分別降低15.30，13.52 ℃，對應(yīng)的蓄冷量分別為13 552.92，15 348.96 kJ，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質(zhì)熱管組的88.37%。相比宋慶武等[27]自然冷源貯冷設(shè)備最佳換熱面積比3∶1，本試驗設(shè)施的最佳換熱面積比為2.8∶1時結(jié)構(gòu)更緊湊、管材更節(jié)約。

2.4 PE-RT熱管組和銅質(zhì)熱管組最佳蓄冷效果

由表1可知，2種熱管組的最佳充液率均為33%，最佳換熱面積比均為2.8∶1，此條件時，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質(zhì)熱管組的88.37%，但PE-RT管材每米單價僅為同管徑紫銅管的19.13%，每米重量僅為同管徑紫銅管的44.68%，因此，相比同結(jié)構(gòu)、同尺寸的銅質(zhì)熱管組，PE-RT熱管組可快速拆裝、成本低、重量輕。

表1 PE-RT熱管組和銅質(zhì)熱管組最佳蓄冷效果

3 結(jié)論

本試驗使用PE-RT導(dǎo)熱塑料制作低溫?zé)峁芙M，以碳氫制冷劑HCR22為熱管循環(huán)工質(zhì)，實現(xiàn)了熱管蓄冷裝置的低成本和可快速拆裝，完善了環(huán)保制冷，研究發(fā)現(xiàn)：

(1) PE-RT熱管組用于低溫蓄冷時的最佳充液率為33%，與同管徑、同結(jié)構(gòu)尺寸的銅質(zhì)熱管組相同；在熱管組相變傳熱中，2種材質(zhì)熱管組蓄冷過程的傳熱穩(wěn)定性一致。

(2) 最佳充液時，PE-RT熱管組蓄冷的最優(yōu)換熱面積比與銅質(zhì)熱管組相同，皆為2.8∶1，蓄冷裝置蓄冷72 h，PE-RT 熱管組和銅質(zhì)熱管組使儲水槽內(nèi)水溫分別降低13.52，15.30 ℃，PE-RT熱管組的蓄冷量為銅質(zhì)熱管組的88.37%。

(3) 試驗中PE-RT熱管組內(nèi)壓力為0.40～0.55 MPa，冷凝段周圍環(huán)境溫度為-18 ℃，PE-RT熱管組表現(xiàn)出良好的耐壓和耐冷沖擊性，且熱管組各處傳熱均勻。

為全面了解PE-RT熱管組的使用特性，在今后的試驗中仍需對PE-RT熱管組的脆性和使用壽命等方面進行測試，為PE-RT熱管組的應(yīng)用和推廣做準(zhǔn)備。