多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的換熱特性

段未，馬國遠(yuǎn)，周峰

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

多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的換熱特性

段未，馬國遠(yuǎn)，周峰

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

為提高泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的溫度效率，探討多回路系統(tǒng)替代單回路系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收的技術(shù)可行性，制作了單回路和三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，研究單回路和三回路系統(tǒng)在夏、冬季運(yùn)行工況下的換熱特性，并基于換熱溫差均勻性原理進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，相比于單回路系統(tǒng)，三回路系統(tǒng)的性能更優(yōu)，冬季工況下室內(nèi)外溫差為31.9℃時(shí)，換熱溫差均勻性明顯改善，系統(tǒng)溫度效率提高22.6%，夏季工況下系統(tǒng)溫度效率變化不大。

泵驅(qū)動(dòng)回路熱管；多回路系統(tǒng)；溫度效率；溫差均勻性

引 言

當(dāng)前，我國面臨的能源形勢較為嚴(yán)峻，2010～2014年，全國年能源消費(fèi)總量由36.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增長到42.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長4.2%[1]，在我國能源消費(fèi)中，建筑能耗約占全社會(huì)商品用能的1/3[2]，是節(jié)能潛力最大的用能領(lǐng)域之一?；厥展步ㄖ棚L(fēng)能量用于預(yù)處理新風(fēng)，能顯著降低空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)負(fù)荷，大力推進(jìn)公共建筑節(jié)能，踐行我國節(jié)能減排戰(zhàn)略，是建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的重要途徑。

近年來，有研究者將回路熱管系統(tǒng)用于公共建筑空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收[3-8]，由于回路熱管系統(tǒng)中，蒸發(fā)器和冷凝器分離放置，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離冷熱量的傳遞，能夠滿足空調(diào)新、排風(fēng)管道距離較遠(yuǎn)時(shí)能量回收的要求。但由于系統(tǒng)沒有外加機(jī)械動(dòng)力，系統(tǒng)啟動(dòng)需要一定的條件，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)與匹配的要求較高，此外冷凝器與蒸發(fā)器之間需要一定的高度差，系統(tǒng)布置有限制，無法適應(yīng)復(fù)雜大型的能量回收場所。

為解決回路熱管系統(tǒng)循環(huán)動(dòng)力不足的問題，陳東等[9-12]提出一種由液泵或氣泵驅(qū)動(dòng)的回路熱管系統(tǒng)，將該系統(tǒng)用于高溫工業(yè)爐的余熱回收利用，進(jìn)行了大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和經(jīng)濟(jì)性分析。馬國遠(yuǎn)等[13-17]將泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和通信基站的自然冷卻，替代傳統(tǒng)空調(diào)制冷系統(tǒng)，節(jié)能效果顯著。田小亮等對機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)兩相流動(dòng)力型熱管系統(tǒng)的工質(zhì)充注量、啟停特性、換熱性能和沸騰傳熱特性進(jìn)行了深入的研究[18-20]，并提出一種雙循環(huán)可控?zé)峁芟到y(tǒng)，包括液體工質(zhì)循環(huán)和熱管工質(zhì)循環(huán)[21-23]。

馬國遠(yuǎn)等[24-25]將泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)用于空調(diào)排風(fēng)能量回收，對其工作特性和性能影響因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足夏、冬季能量回收的要求，但是冬季工況下系統(tǒng)的溫度效率較低，只有30%～40%。

為了進(jìn)一步改善溫度效率，祝長宇等[26]提出一種多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)，每一回路都是一套獨(dú)立的泵驅(qū)動(dòng)回路熱管，指出熱管換熱裝置的總驅(qū)動(dòng)溫差為室內(nèi)外溫差，由于熱管內(nèi)工質(zhì)的等溫特性，造成熱管換熱裝置的熱損失較大，換熱溫差不能夠被充分利用，如將裝置改為多回路，則系統(tǒng)可視為具有變溫特性的換熱裝置，能夠減少換熱溫差損失，從而最大限度地提高溫度效率。張雙[27]對多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)從換熱溫差均勻性的角度進(jìn)行了闡述，在單回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的模擬研究中發(fā)現(xiàn)，隨著換熱器換熱面積的增大，溫度效率增加較為緩慢，主要原因在于單回路系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)的換熱溫差不均勻，采用多回路系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)換熱溫差的均勻性，提高溫度效率。以上研究雖然提出了多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)來改善換熱溫差均勻性的思路，但是僅停留在理論分析和模擬計(jì)算層面，并沒有相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。

王偉等[28]將多回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)用于空調(diào)系統(tǒng)冷凝除濕，節(jié)能效果顯著，二回路熱管蒸發(fā)器的總溫降比單回路提高58.18%，從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性因素考慮，三回路為最佳方案。郭振江等[29]搭建了四回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，研究其對空調(diào)除濕和冷量回收能力的影響，結(jié)果表明，空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力增加了29.5%。以上研究的重點(diǎn)在于通過多回路系統(tǒng)提升空調(diào)系統(tǒng)的除濕能力，而未涉及空調(diào)系統(tǒng)能量回收的性能研究，也未對多回路系統(tǒng)的換熱機(jī)理進(jìn)行深入分析。

本文以公共建筑空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量回收為背景，分別研制了單回路和三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管能量回收裝置樣機(jī)，基于焓差實(shí)驗(yàn)室搭建了能量回收性能測試平臺，通過實(shí)驗(yàn)的方法對單回路和三回路系統(tǒng)的性能進(jìn)行對比測試，探討多回路系統(tǒng)的換熱特性及其性能改進(jìn)程度，并從換熱溫差均勻性的角度對多回路系統(tǒng)換熱機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

單回路和三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的流程如圖1和圖2所示，系統(tǒng)主要包括工質(zhì)循環(huán)泵、新風(fēng)換熱器、排風(fēng)換熱器、儲液罐和截止閥等部件。通過4個(gè)截止閥的開閉可改變工質(zhì)的流向。夏季工況下，截止閥1、3開，2、4關(guān)，工質(zhì)在新風(fēng)換熱器受熱蒸發(fā)，從室外新風(fēng)吸熱，在排風(fēng)換熱器預(yù)冷凝結(jié)，向室內(nèi)排風(fēng)放熱，回收排風(fēng)中的冷量為新風(fēng)預(yù)冷；冬季工況下，截止閥 2、4開，1、3關(guān)，工質(zhì)在排風(fēng)換熱器受熱蒸發(fā)，從室內(nèi)排風(fēng)吸熱，在新風(fēng)換熱器預(yù)冷凝結(jié)，向室外新風(fēng)放熱，回收排風(fēng)中的熱量為新風(fēng)預(yù)熱。新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器采用銅管-鋁翅片式換熱器，兩換熱器結(jié)構(gòu)尺寸相同，等高放置，在空氣流通方向上有六排管路，翅片為波紋形整張鋁制套片。換熱器的配套風(fēng)機(jī)采用軸流式風(fēng)機(jī)。

圖1 單回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)流程Fig.1 Schematic diagram of single-loop pump-driven loop heat pipe system

圖2 三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)流程Fig.2 Schematic diagram of triple-loop pump-driven loop heat pipe system

單回路和三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)均使用相同的換熱器，區(qū)別僅是流路編排上的差異：對于單回路系統(tǒng)，換熱器六排管匯合后構(gòu)成一個(gè)回路；而對于三回路系統(tǒng)，換熱器六排管中二排分別匯合后構(gòu)成一個(gè)回路，形成嵌套為一體的3個(gè)回路。

實(shí)驗(yàn)在焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，由焓差室提供恒溫恒濕的環(huán)境條件。排風(fēng)換熱器安裝在室內(nèi)測試室，新風(fēng)換熱器、儲液罐和工質(zhì)泵等其余部件均安裝在室外測試室。由室內(nèi)測試室模擬空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)風(fēng)道，提供排風(fēng)空氣條件；由室外測試室模擬空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)風(fēng)道，提供新風(fēng)空氣條件。

本實(shí)驗(yàn)中，泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的換熱性能主要由3項(xiàng)性能參數(shù)來評價(jià)，分別是換熱量Q、溫度效率?和性能系數(shù)COP。溫度效率的物理意義為實(shí)際換熱量與理論最大換熱量之比，適用于顯熱式能量回收裝置，是評價(jià)其能量回收性能的重要參數(shù)。

測試工況包括夏季、冬季各4個(gè)工況，夏季工況下，室內(nèi)溫度為26℃，室外溫度分別為29.4、31.5、33.5和35.5℃，則室內(nèi)外溫差分別為3.4、5.5、7.5和9.5℃；冬季工況下，室內(nèi)溫度為22℃，室外溫度分別為5.2、0.9、?4.1和?9.9℃，則室內(nèi)外溫差分別為16.8、21.1、26.1和31.9℃。實(shí)驗(yàn)過程中，單回路和三回路系統(tǒng)使用同一套換熱器，其換熱面積為58 m2，迎面風(fēng)速為1.8 m·s?1，均保持不變；單回路和三回路系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)均選擇R22；單回路和三回路系統(tǒng)的工質(zhì)循環(huán)泵均為自吸式磁力泵，型號相同，單回路系統(tǒng)使用一個(gè)工質(zhì)循環(huán)泵為換熱器的六排管路供液，工質(zhì)質(zhì)量流量為450 kg·h?1，保持不變，而三回路系統(tǒng)使用3個(gè)工質(zhì)循環(huán)泵為換熱器的六排管路供液，每個(gè)泵為換熱器的兩排管路供液，每一回路工質(zhì)質(zhì)量流量為150 kg·h?1，保持不變，工質(zhì)總流量為450 kg·h?1，與單回路系統(tǒng)的流量相同。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

夏季工況不同室內(nèi)外溫差條件下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)性能的對比如圖3所示，冬季工況不同室內(nèi)外溫差條件下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)性能的對比如圖4所示。

圖3給出了夏季工況下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)換熱量、溫度效率和性能系數(shù)的對比。結(jié)果表明，隨室內(nèi)外溫差增大，單回路和三回路系統(tǒng)的換熱量和性能系數(shù)均明顯增大，溫度效率均降低，其中單回路系統(tǒng)的溫度效率曲線斜率較大，而三回路系統(tǒng)斜率較小，即單回路系統(tǒng)溫度效率降低的速度大于三回路系統(tǒng)。當(dāng)溫差為3.4℃時(shí)，單回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為1.86 kW、54.2%和3.30；三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為1.76 kW、52.7%和4.22。當(dāng)溫差為9.5℃時(shí)，單回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為4.30 kW、43.6%和7.63；三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為4.45 kW、44.3%和12.03。

從圖3中可以看出，當(dāng)室內(nèi)外溫差為3.4℃和5.5℃時(shí)，單回路系統(tǒng)的換熱量和溫度效率高于三回路系統(tǒng)，隨著室內(nèi)外溫差增大到7.5℃和9.5℃時(shí)，三回路系統(tǒng)的換熱量和溫度效率高于單回路系統(tǒng)，總體上相差不大。其主要原因在于，相比于單回路系統(tǒng)，采用多回路系統(tǒng)改變了換熱器的換熱溫差分布，從而影響了系統(tǒng)的溫度效率，在溫差較小時(shí)（3.4、5.5℃）使得溫度效率和換熱量下降，在溫差較大時(shí)（7.5、9.5℃）使得溫度效率和換熱量提高。

在不同溫差下，三回路系統(tǒng)的性能系數(shù)均明顯高于單回路系統(tǒng)。其主要原因在于三回路系統(tǒng)的總功耗明顯低于單回路系統(tǒng)，這是因?yàn)椋到y(tǒng)的總功耗是新風(fēng)換熱器風(fēng)機(jī)功耗、排風(fēng)換熱器風(fēng)機(jī)功耗與工質(zhì)循環(huán)泵功耗之和，由于新、排風(fēng)換熱器的迎面風(fēng)速保持不變，新、排風(fēng)換熱器風(fēng)機(jī)功耗不變；由于工質(zhì)的質(zhì)量流量保持不變，單回路系統(tǒng)只由一個(gè)工質(zhì)循環(huán)泵供液，回路阻力較大，泵的揚(yáng)程較大，導(dǎo)致泵的功耗較高，功耗為0.551～0.573 kW，而三回路系統(tǒng)包括3個(gè)獨(dú)立的循環(huán)回路，每一回路均由該回路上的工質(zhì)循環(huán)泵供液，每個(gè)泵驅(qū)動(dòng)總質(zhì)量流量1/3的工質(zhì)，回路阻力較小，泵的揚(yáng)程較小，使得泵的功耗較低，功耗為0.396～0.414 kW。故三回路系統(tǒng)的總功耗低于單回路系統(tǒng)，性能系數(shù)明顯優(yōu)于單回路系統(tǒng)。

圖3 夏季工況下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)性能的對比Fig.3 Comparison of performance of single-loop device and triple-loop device under summer working condition

圖4 冬季工況下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)性能的對比Fig.4 Comparison of performance of single-loop device and triple-loop device under winter working condition

圖4給出了冬季工況下單回路系統(tǒng)與三回路系統(tǒng)換熱量、溫度效率和性能系數(shù)的對比。結(jié)果表明，隨室內(nèi)外溫差增大，單回路和三回路系統(tǒng)的換熱量和性能系數(shù)均明顯增大，溫度效率均增大但增幅很小。當(dāng)溫差為16.8℃時(shí)，單回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為6.66 kW、31.1%和10.62；三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為8.35 kW、39.1%和19.37。當(dāng)溫差為31.9℃時(shí)，單回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為12.50 kW、32.8%和19.93；三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)分別為 15.30 kW、40.2%和30.61。

從圖4中可以看出，在不同溫差下，三回路系統(tǒng)的換熱量和溫度效率均明顯高于單回路系統(tǒng)。其主要原因在于，相比于單回路系統(tǒng)，采用多回路系統(tǒng)改善了換熱器的換熱溫差分布，從而提高了系統(tǒng)的溫度效率和換熱量。

在不同溫差下，三回路系統(tǒng)的性能系數(shù)均明顯高于單回路系統(tǒng)。其主要原因一方面在于三回路系統(tǒng)的換熱量較高，另一方面在于三回路系統(tǒng)的總功耗較低，功耗較低的原因與夏季工況相同。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：① 在工質(zhì)種類及其質(zhì)量流量、換熱器換熱面積和迎面風(fēng)速、回路數(shù)相同的條件下，夏季工況下系統(tǒng)的溫度效率明顯高于冬季工況；② 在室內(nèi)外溫差、工質(zhì)種類及其質(zhì)量流量、換熱器換熱面積和迎面風(fēng)速相同的條件下，對于冬季工況，三回路系統(tǒng)的溫度效率明顯高于單回路系統(tǒng)，對于夏季工況，三回路系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)的溫度效率相差不大。

3 換熱溫差均勻性分析

下面嘗試從換熱器換熱溫差均勻性的角度對上述問題進(jìn)行分析。在新風(fēng)換熱器6排管路的進(jìn)出口分別布置12個(gè)溫度測點(diǎn)，在排風(fēng)換熱器6排管路的進(jìn)出口分別布置12個(gè)溫度測點(diǎn)（如圖1和圖2所示），監(jiān)測工質(zhì)流經(jīng)每一排管路的進(jìn)口溫度和出口溫度，溫度測點(diǎn)采用歐米茄T型銅-康銅熱電偶。按管內(nèi)側(cè)工質(zhì)和管外側(cè)空氣的流動(dòng)方向，所用的銅管-鋁翅片式換熱器屬于叉流式換熱器，本文將其近似為逆流式換熱器來分析。由于風(fēng)量測試裝置安裝在排風(fēng)換熱器一側(cè)，換熱量與溫度效率都是從排風(fēng)一側(cè)計(jì)算得出，故著重分析排風(fēng)換熱器的換熱溫差均勻性。本文中“換熱溫差”是指每一排管路內(nèi)工質(zhì)的進(jìn)口溫度與該處管外空氣溫度之差，通過計(jì)算六排管路換熱溫差的變異系數(shù)來評價(jià)換熱溫差的均勻性，變異系數(shù)是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比，能夠反映數(shù)據(jù)的離散程度。

分析單回路系統(tǒng)和三回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器換熱溫差均勻性時(shí)，循環(huán)工質(zhì)為R22，質(zhì)量流量為450 kg·h?1，夏季工況室內(nèi)外溫差為 7.5℃，冬季工況室內(nèi)外溫差為31.9℃，新風(fēng)換熱器和排風(fēng)換熱器的換熱面積均為58 m2，迎面風(fēng)速均為1.8 m·s?1。冬季工況和夏季工況下單回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差如圖5所示，冬季工況和夏季工況下三回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差如圖6所示，圖5和圖6中虛線是排風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣溫度與出口空氣溫度的連線，6條實(shí)線是排風(fēng)換熱器第 1～6排管路內(nèi)工質(zhì)進(jìn)口溫度和出口溫度的連線。

圖5(a)為冬季工況下單回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差。工質(zhì)從干路流經(jīng)分液頭分為6路進(jìn)入排風(fēng)換熱器，6排管路的換熱溫差最大為18.55℃，最小為11.00℃，變異系數(shù)為17.2%。在空氣流通方向上與排風(fēng)先接觸的兩排管路（第 1排和第2排）的換熱溫差較大，工質(zhì)從空氣吸熱迅速消除過冷并開始相變蒸發(fā)，氣化率逐步達(dá)到100%，繼續(xù)吸熱達(dá)到過熱氣體狀態(tài)，由于換熱量主要集中在這兩排管路，導(dǎo)致與排風(fēng)后接觸的4排管路（第3～6排）的換熱溫差明顯減小，工質(zhì)的氣化率降低，換熱量減小。由于6排管路的換熱溫差不均勻，導(dǎo)致工質(zhì)相變不均勻、換熱量不均勻，對換熱器換熱不利，影響系統(tǒng)的溫度效率，上述現(xiàn)象在大溫差工況條件下尤為明顯。

圖5 冬季工況和夏季工況下單回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器溫差Fig.5 Temperature difference of single-loop device exhaust air heat exchanger under winter and summer working condition

圖6 冬季工況和夏季工況下三回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器溫差Fig.6 Temperature difference of triple-loop device exhaust air heat exchanger under winter and summer working condition

圖5(b)為夏季工況下單回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差。6排管路的換熱溫差最大為2.28℃，最小為0.49℃，變異系數(shù)為4.5%，該工況下單回路系統(tǒng)換熱器的溫差均勻性明顯好于冬季工況。由于6排管路的換熱溫差比較均勻，工質(zhì)相變比較均勻，換熱量比較均勻，所以其溫度效率（45.6%）明顯高于冬季工況下單回路系統(tǒng)的溫度效率（32.8%）。

圖6(a)為冬季工況下三回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差。6排管路的換熱溫差最大為15.55℃，最小為11.33℃，變異系數(shù)為10.2%。由于三回路系統(tǒng)中3個(gè)循環(huán)回路是相互獨(dú)立的，不會(huì)進(jìn)行匯合，所以6排管路工質(zhì)的進(jìn)口溫度形成了一個(gè)明顯的梯度，即第1排的進(jìn)口溫度≈第2排的進(jìn)口溫度＞第3排的進(jìn)口溫度≈第4排的進(jìn)口溫度＞第5排的進(jìn)口溫度≈第6排的進(jìn)口溫度，該梯度與流經(jīng)換熱器的空氣溫度的變化梯度相一致，單回路系統(tǒng)在該工況下出現(xiàn)的溫差不均勻的問題得到了很大程度的解決。由于6排管路的換熱溫差比較均勻，工質(zhì)相變比較均勻，換熱量比較均勻，所以其溫度效率（40.2%）明顯高于冬季工況下單回路系統(tǒng)的溫度效率（32.8%）。

圖6(b)為夏季工況下三回路系統(tǒng)排風(fēng)換熱器管內(nèi)工質(zhì)和管外空氣的溫差。6排管路的換熱溫差最大為2.18℃，最小為0.57℃，變異系數(shù)為3.9%，該工況下三回路系統(tǒng)換熱器的溫差均勻性與單回路系統(tǒng)沒有明顯差別，所以其溫度效率（45.9%）與夏季工況下單回路系統(tǒng)的溫度效率（45.6%）差別不大。

綜上所述：① 在工質(zhì)種類及其質(zhì)量流量、換熱器換熱面積和迎面風(fēng)速、回路數(shù)相同的條件下，夏季工況下系統(tǒng)的換熱溫差均勻性明顯好于冬季工況，故夏季工況下系統(tǒng)的溫度效率明顯高于冬季工況；② 在室內(nèi)外溫差、工質(zhì)種類及其質(zhì)量流量、換熱器換熱面積和迎面風(fēng)速相同的條件下，對于冬季工況，三回路系統(tǒng)的換熱溫差均勻性明顯好于單回路系統(tǒng)，故三回路系統(tǒng)的溫度效率明顯高于單回路系統(tǒng)，對于夏季工況，三回路系統(tǒng)的溫差均勻性與單回路系統(tǒng)沒有明顯差別，故三回路系統(tǒng)的溫度效率與單回路系統(tǒng)相差不大。

4 結(jié) 論

通過對研制的采用相同換熱器單回路和三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論。

（1）對于單回路和三回路系統(tǒng)，換熱量和性能系數(shù)均隨室內(nèi)外溫差增大而增加，而溫度效率的變化情況卻取決于工況，夏季工況下溫度效率隨室內(nèi)外溫差增大而降低，冬季工況下溫度效率幾乎不隨室內(nèi)外溫差變化。

（2）三回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)的能量回收性能優(yōu)于單回路泵驅(qū)動(dòng)回路熱管系統(tǒng)，夏季工況下室內(nèi)外溫差為7.5℃時(shí)，采用三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)比單回路系統(tǒng)分別提高 3.0%、0.6%和56.7%；冬季工況下室內(nèi)外溫差為31.9℃時(shí)，采用三回路系統(tǒng)的換熱量、溫度效率和性能系數(shù)比單回路系統(tǒng)分別提高22.4%、22.6%和53.5%。

（3）冬季工況室內(nèi)外溫差較大，采用多回路系統(tǒng)對溫度效率和換熱量的提升較為明顯，其原因在于回路數(shù)能夠明顯改善換熱器的換熱溫差均勻性。夏季工況室內(nèi)外溫差較小，采用多回路系統(tǒng)并不能提高溫度效率和換熱量，其原因在于回路數(shù)對換熱器的換熱溫差均勻性幾乎沒有改善。

符 號 說 明

COP ——性能系數(shù)

h11——排風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣焓值，kJ·kg?1

h12——排風(fēng)換熱器出口空氣焓值，kJ·kg?1

m1——排風(fēng)換熱器空氣側(cè)質(zhì)量流量，kg·s?1

Q ——換熱量，kW

T11——排風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣溫度，℃

T12——排風(fēng)換熱器出口空氣溫度，℃

T21——新風(fēng)換熱器進(jìn)口空氣溫度，℃

ΔT ——室內(nèi)外溫差，℃

W1——排風(fēng)換熱器風(fēng)機(jī)功率，kW

W2——新風(fēng)換熱器風(fēng)機(jī)功率，kW

W3——工質(zhì)泵功率，kW

? ——溫度效率，%

下角標(biāo)

1 ——排風(fēng)換熱器

11 ——排風(fēng)換熱器進(jìn)口

12 ——排風(fēng)換熱器出口

2 ——新風(fēng)換熱器

21 ——新風(fēng)換熱器進(jìn)口

3 ——工質(zhì)泵

[1]中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局. 中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2015)[M]. 北京: 中國統(tǒng)計(jì)出版社, 2015. National Bureau of Statistics of the People's Republic of China. China Statistical Yearbook(2015)[M]. Beijing: China Statistics Press, 2015.

[2]中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì). 中國建筑節(jié)能現(xiàn)狀與發(fā)展報(bào)告(2013—2014)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2015. China Association of Building Energy Efficiency. Report on the Status and Development of China Building Energy Efficiency(2013—2014)[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2015.

[3]任華華, 馮圣紅. 分離式熱管在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景分析[J]. 節(jié)能, 2003, (9): 9-12. REN H H, FENG S H. The application of separate type heat pipe to energy recovery in air condition systems and perspective analysis[J]. Energy Conservation, 2003, (9): 9-12.

[4]劉娣, 湯廣發(fā), 趙福云, 等. 分離式熱管熱回收器的性能實(shí)驗(yàn)[J].暖通空調(diào), 2005, 35(4): 56-59. LIU D, TANG G F, ZHAO F Y, et al. Performance experiment of a heat recoverer with separated heat pipes[J]. Journal of HV & AC, 2005, 35(4): 56-59.

[5]LIU D, TANG G F, ZHAO F Y, et al. Modeling and experimental investigation of looped separate heat pipe as waste heat recovery facility[J]. Applied Thermal Engineering, 2006, (26): 2433-2441.

[6]姚遠(yuǎn). 應(yīng)用于空調(diào)的重力型分離式熱管換熱器的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2010. YAO Y. Design and experimental investigation of heat transferring capacity of gravitational separate type which applied to air-condition[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2010.

[7]熊翰林, 李滿峰, 王占偉, 等. 基于顯熱回收的分離式熱管傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2011, 39(9): 53-56. XIONG H L, LI M F, WANG Z W, et al. Experimental thermal performance study on the separated heat pipe heat exchanger based on the sensible heat recovery[J]. Cryogenics & Superconductivity, 2011, 39(9): 53-56.

[8]夏軍. 熱回收分離式熱管換熱器傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 北京:北京建筑工程學(xué)院, 2012. XIA J. Experimental studies on the heat transfer characteristics of the heat recovery and separate type heat pipe exchanger[D]. Beijing: Beijing University of Civil Engineering and Architecture, 2012.

[9]陳東, 徐堯潤, 劉振義, 等. 非相鄰冷熱源間強(qiáng)化傳熱新技術(shù)——熱環(huán)的研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2000, 21(6): 724-728. CHEN D, XU Y R, LIU Z Y, et al. Research of heat circuit — a new way for heat transfer between non-adjacent heat source and heat sink[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2000, 21(6): 724-728.

[10]陳逢勝, 陳東. 熱環(huán)應(yīng)用于噴霧干燥裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J]. 節(jié)能技術(shù), 2002, 20(2): 35-36. CHEN F S, CHEN D. Technical and economic analysis of heat circuit application to the spray drying equipment[J]. Energy Conservation Technology, 2002, 20(2): 35-36.

[11]謝繼紅, 陳東. 熱環(huán)循環(huán)工質(zhì)及其充注量的研究[J]. 天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, (4): 35-38. XIE J H, CHEN D. Study on working fluids and their charge in heat circuit[J]. Journal of Tianjin University of Light Industry, 2002, (4): 35-38.

[12]謝繼紅, 陳東. 熱環(huán)工作特性的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 節(jié)能, 2002, (6): 12-15. XIE J H, CHEN D. Theoretical and experimental study on heat circuit[J]. Energy Conservation, 2002, (6): 12-15.

[13]張雙, 馬國遠(yuǎn), 周峰, 等. 數(shù)據(jù)機(jī)房自然冷卻用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 土木建筑與環(huán)境工程, 2013, 35(4): 145-150. ZHANG S, MA G Y, ZHOU F, et al. Experimental analysis on function of free cooling unit with a pump-driven loop heat pipe for internet data center[J]. Journal of Civil, Architectural & Environmental Engineering, 2013, 35(4): 145-150.

[14]ZHANG S, MA G Y, ZHOU F. Experimental study on a pump driven loop-heat pipe for data center cooling[J]. Journal of Energy Engineering, 2015, 141(4): 04014054.

[15]馬國遠(yuǎn), 魏川鋮, 張雙, 等. 某小型數(shù)據(jù)中心散熱用泵驅(qū)動(dòng)回路熱管換熱機(jī)組的應(yīng)用研究[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 41(3): 439-445. MA G Y, WEI C C, ZHANG S, et al. Application of a pumped loop heat pipe heat exchanger unit for a small data center[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2015, 41(3): 439-445.

[16]馬躍征, 馬國遠(yuǎn), 張雙. 磁力泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻環(huán)路的換熱特性[J].化工學(xué)報(bào), 2015, 66(11): 4388-4393. MA Y Z, MA G Y, ZHANG S. Heat transfer characteristics of two-phase cooling loop driven by magnetic pump[J]. CIESC Journal, 2015, 66(11): 4388-4393.

[17]MA Y Z, MA G Y, ZHANG S, et al. Cooling performance of a pump-driven two phase cooling system for free cooling in data centers[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, (95): 143-149.

[18]仁杰, 田曉亮, 周溫泉, 等. 動(dòng)力型兩相平行流熱管充注量及啟停特性研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版), 2014, 29(1): 47-51. REN J, TIAN X L, ZHOU W Q, et al. Experimental study of the working fluid's quality and start-stop characteristic to the two-phase flow and parallel tubes heat pipe with mechanical pump[J]. Journal of Qingdao University (E & T), 2014, 29(1): 47-51.

[19]劉瑞璟, 王龍江, 王宗偉, 等. 兩相流動(dòng)力型熱管系統(tǒng)的性能研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版), 2014, 29(3): 92-95. LIU R J, WANG L J, WANG Z W, et al. Study on performance of pumped heat pipe system with gas-liquid two-phase flow[J]. Journal of Qingdao University (E & T), 2014, 29(3): 92-95.

[20]李曉花, 紹杰, 劉瑞璟, 等. 動(dòng)力型熱管內(nèi)R134a流動(dòng)沸騰傳熱過程的特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2016, 67(5): 1822-1829. LI X H, SHAO J, LIU R J, et al. Characteristics of flow boiling heat transfer for R134a in pump-assisted separated heat pipe[J]. CIESC Journal, 2016, 67(5): 1822-1829.

[21]田小亮, 孫暉. 雙循環(huán)可控?zé)峁芟到y(tǒng): 200610045059.8[P]. 2006-6-20. TIAN X L, SUN H. Controllable bi-circulating hot-pipe system: 200610045059.8[P]. 2006-6-20.

[22]田小亮, 孫暉. 熱管冷量回收節(jié)能空調(diào)系統(tǒng): 200610045419.4[P]. 2006-7-8. TIAN X L, SUN H. Energy-saving air-conditioning system capable of recovering heat pipe cold quantum: 200610045419.4[P]. 2006-7-8.

[23]杜啟行, 劉瑞璟, 田曉亮, 等. 復(fù)雜熱管的結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版), 2010, 25(4): 66-70. DU Q H, LIU R J, TIAN X L, et al. Structure analysis and experimental study on complex heat pipe system[J]. Journal of Qingdao University (E & T), 2010, 25(4): 66-70.

[24]馬國遠(yuǎn), 段未, 周峰. 泵驅(qū)動(dòng)回路熱管能量回收裝置的工作特性[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 42(7): 1095-1101. MA G Y, DUAN W, ZHOU F. Operating characteristics of a pump-driven loop heat pipe energy recovery device[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2016, 42(7): 1095-1101.

[25]段未, 馬國遠(yuǎn), 周峰. 泵驅(qū)動(dòng)回路熱管能量回收裝置性能的影響因素[J]. 化工學(xué)報(bào), 2016, 67(10): 4146-4152. DUAN W, MA G Y, ZHOU F. Factors influencing energy recycle performance of pump-driven loop heat pipe loop device[J]. CIESC Journal, 2016, 67(10): 4146-4152.

[26]祝長宇, 丁式平. 一種多級動(dòng)力熱管系統(tǒng): 201210319388.2[P]. 2012-11-21. ZHU C Y, DING S P. Multistage power heat pipe system: 201210319388.2[P]. 2012-11-21.

[27]張雙. 數(shù)據(jù)中心用泵驅(qū)動(dòng)兩相冷卻回路換熱特性研究[D]. 北京:北京工業(yè)大學(xué), 2015. ZHANG S. Study on heat transfer characteristics of a pump-driven two-phase cooling loop for data centers[D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2015.

[28]王偉, 郭振江, 李曉花, 等. 兩相流動(dòng)力型熱管組合性能實(shí)驗(yàn)研究[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版), 2015, 30(1): 73-76. WANG W, GUO Z J, LI X H, et al. Experimental investigation on the combination characteristics of two-phase-flow pump-assisted heat pipe[J]. Journal of Qingdao University (E & T), 2015, 30(1): 73-76.

[29]郭振江, 紹杰, 王偉, 等. 機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)分離式熱管應(yīng)用于空調(diào)冷量回收[J]. 建筑節(jié)能, 2016, 44(3): 10-12. GUO Z J, SHAO J, WANG W, et al. Mechanically pump-driven separate heat pipe employed in air conditioning system for cooling energy recovery[J]. Building Energy Efficiency, 2016, 44(3): 10-12.

Heat transfer characteristics of multi-loop pump-driven loop heat pipe system

DUAN Wei, MA Guoyuan, ZHOU Feng
(College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

In order to improve the temperature efficiency of the pump-driven loop heat pipe system and explore the technical feasibility of replacement of the single-loop pump-driven loop heat pipe system by the multi-loop pump-driven loop heat pipe system for energy recovery from exhaust air in public buildings, a single-loop and a triple-loop pump-driven loop heat pipe system prototype were developed. An experimental setup was built to contrast the heat transfer characteristics between the single-loop system and the triple-loop system under summer and winter working conditions based on the principle of heat transfer temperature difference uniformity. Results indicated that performance of the triple-loop system was better. Compared with the single-loop system, the temperature efficiency of the triple-loop system was improved by 22.6% under winter working condition when the temperature difference between indoor and outdoor air was 31.9℃ because the temperature difference uniformity was much better, while the temperature efficiency changed little under summer working condition.

pump-driven loop heat pipe; multi-loop system; temperature efficiency; temperature difference uniformity

ZHOU Feng, zhoufeng@bjut.edu.cn

TU 831.6

：A

：0438—1157（2017）01—0104—08

10.11949/j.issn.0438-1157.20160835

2016-06-20收到初稿，2016-09-26收到修改稿。

聯(lián)系人：周峰。

：段未（1990—），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51376010，51406002）；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（3154031）。

Received date: 2016-06-20.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51376010, 51406002) and the Natural Science Foundation of Beijing (3154031).