新疆典型自然氣候條件下熱管的應(yīng)用研究

宋磊　黃龍　彭鑫建　朱雅琦　努爾夏提·阿布來克木

摘 ?要：文章以氣-氣熱管換熱器為研究對(duì)象，通過改變外界條件如溫度、濕度來獲得對(duì)熱管傳熱系數(shù)K的影響，以控制變量法分析試驗(yàn)結(jié)果，表明外界溫度越高，傳熱性能越差;濕度越大，傳熱性能越好。

關(guān)鍵詞：氣-氣熱管;傳熱系數(shù);新疆特殊氣候

中圖分類號(hào)：TK172 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0038-02

Abstract： This paper takes the gas-gas heat pipe exchanger as the research object， under the typical natural climate conditions in Xinjiang， and uses changing the external conditions such as temperature and humidity gradient to obtain the influence on the heat transfer coefficient K of heat pipe. The results of the analysis using control variates method show that the higher the external temperature is， the worse the heat transfer performance is， and the higher the humidity is， the better the heat transfer performance is.

Keywords： heat pipe gas-gas heatpipe; heat transfer coefficient; special climate in Xinjiang

1 概述

氣-氣熱管應(yīng)用于新疆的特殊氣候下，其傳熱系數(shù)的性能變化尚不明確。例如，流經(jīng)熱管的冷、熱流體的物性如密度、溫度、濕度、流體的流速、環(huán)境的輻射等，都會(huì)對(duì)熱管的性能指標(biāo)的傳熱系數(shù)K產(chǎn)生極大的影響。特別是自然環(huán)境下，上述因素的變化幅度較大，對(duì)熱管應(yīng)用的效果影響也很大，尤其是新疆有自己獨(dú)特的氣候特點(diǎn)：氣候干燥、早晚溫差變化大、白天輻射較強(qiáng)等等，多種因素綜合影響，使得熱管的性能大為改變。本文以氣-氣熱管的傳熱系數(shù)為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量新疆一年四季典型氣候條件下熱管的傳熱系數(shù)，分析環(huán)境因素變化對(duì)熱管性能的影響，為熱管在新疆的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)[1-4]。

2 熱管及實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用重力型氣-氣熱管換熱器，其冷端暴露于自然環(huán)境中，熱段由試驗(yàn)裝置人為控制（恒定不變）。實(shí)驗(yàn)中采用的是建大仁科的溫度變送器型號(hào)為0608091，設(shè)備精度為0.1℃，當(dāng)設(shè)定程序后，儀器能長時(shí)間測(cè)量和儲(chǔ)存溫度和濕度[5]。

試驗(yàn)中，熱管垂直放置，熱端溫度、冷熱端壓差都不變的情況下，測(cè)試了新疆典型環(huán)境下一天不同時(shí)間段的熱管傳熱系數(shù)，采取的數(shù)據(jù)是從北京時(shí)間8點(diǎn)測(cè)量至北京時(shí)間20點(diǎn)，期間每30分鐘測(cè)量一次，一次測(cè)三組數(shù)據(jù)，最后的結(jié)果取算術(shù)平均值。

3 三種新疆典型氣候的數(shù)據(jù)分析

3.1 雨雪環(huán)境下的熱管傳熱系數(shù)

通過試驗(yàn)得出新疆雨雪環(huán)境下的熱管傳熱系數(shù)曲線圖，如圖1所示。

3.2 風(fēng)沙環(huán)境下的熱管熱傳系數(shù)

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)熱管的傳熱性能在風(fēng)沙天氣一天中呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，其曲線圖與雨雪環(huán)境下的類似。

3.3 干熱環(huán)境下的熱管熱傳系數(shù)

通過圖3，可以明顯看出干熱環(huán)境下熱管的傳熱系數(shù)要遠(yuǎn)低于雨雪環(huán)境和風(fēng)沙環(huán)境熱管傳熱系數(shù)，干熱環(huán)境中氣溫十分高，同時(shí)夏天太陽直射，再有夏天的環(huán)境中風(fēng)量較小，這便會(huì)弱化傳熱。

4 結(jié)論

試驗(yàn)中，還同時(shí)測(cè)量了一天中不同時(shí)段空氣的溫度和濕度變化（因篇幅未列出）。通過觀察不同環(huán)境下的熱管熱傳系數(shù)曲線可以得出，在雨雪時(shí)熱管的傳熱性能最好，風(fēng)沙環(huán)境的熱管傳熱系數(shù)與雨雪時(shí)大致相似，干熱環(huán)境下的傳熱性能最差，在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)之后可總結(jié)如下：

（1）新疆烏魯木齊冬天濕度偏大，濕度平均值在75%。濕度的增加可以強(qiáng)化換熱，濕度越大就能在熱管換熱器表明形成一層液膜，液膜能與管壁形成對(duì)流并蒸發(fā)相變強(qiáng)化了傳熱性能，大量數(shù)據(jù)分析出在冬天是傳熱性能最佳。

（2）冬天通過比較同一天在不同時(shí)間段下的傳熱系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)早晚的傳熱系數(shù)與中午相較要大20%，分析發(fā)現(xiàn)新疆不僅晝夜溫差大，而且不同時(shí)間段的濕度差異也大，早晚的濕度平均值80%，這強(qiáng)化了換熱性能，而中午的濕度大致在50%，濕度差異為30%附近浮動(dòng)，導(dǎo)致中午的傳熱性能較差一些。通過數(shù)據(jù)比較，在冬天寒冷情況下早晚的熱管傳熱性能要比同一天中午時(shí)間段下的傳熱性能強(qiáng)20%。

（3）風(fēng)沙天氣下所測(cè)量出的少部分?jǐn)?shù)據(jù)與雨雪天氣下的相對(duì)比幾乎沒有差異，原因在于所測(cè)量所有風(fēng)沙環(huán)境均在冬天，即雨雪環(huán)境。而風(fēng)沙環(huán)境均伴隨著小雨或小雪，大致得出風(fēng)沙環(huán)境下熱管傳熱性能即可等同于雨雪環(huán)境下的熱管傳熱性能。

（4）干熱環(huán)境下所采集的數(shù)據(jù)均為6月份烏魯木齊自然環(huán)境，同雨雪環(huán)境和風(fēng)沙環(huán)境相比，傳熱性能要弱上40%，分析數(shù)據(jù)大致得出在夏天時(shí)溫度十分高，夏天風(fēng)通常是間歇性且風(fēng)速較小，同時(shí)夏天干熱下濕度極低，只有30%～35%，這極大影響了熱管的傳熱性能，同時(shí)環(huán)境溫度過高與蒸發(fā)端溫度差距較小，使得傳熱過程弱化，相較于雨雪環(huán)境下的熱管熱傳系數(shù)要低45%，傳熱性能最弱。

（5）分析在干熱環(huán)境下同一天不同時(shí)間段熱管的傳熱系數(shù)可得出，新疆典型氣候下早上與晚上的平均溫度在15℃至20℃，正午在35℃附近，早晚的空氣濕度在50%左右，正午下的空氣濕度只有30%，對(duì)比數(shù)據(jù)得出干熱環(huán)境下早晚的熱管傳熱性能是強(qiáng)于正午時(shí)熱管傳熱性能在30%。

參考文獻(xiàn)：

[1]遲廣舟，陳寶明，郝文蘭.管內(nèi)填充多孔介質(zhì)強(qiáng)化換熱的數(shù)值研究[J].節(jié)能，2010，29（12）：17-20+2.

[2]朱孟帥，邱劍濤，陳贏.強(qiáng)化換熱方法在換熱器中的應(yīng)用研究[J].能源與節(jié)能，2020（02）：58-61+90.

[3]高旭娜，袁建剛，丁琪，等.一種振蕩熱管換熱器熱性能的研究[J].熱能動(dòng)力工程，2019，34（12）：99-108.

[4]高賀軒.熱管換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].西部皮革，2018，40（24）：38.

[5]勒智平，等.熱能動(dòng)力工程實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國電力出版社，2011.