南宁市建筑设计院
摘要：热管是高效传热元件，将重力式热管应用于污水源热泵系统中，作为水-水换热器，热管管外流体的流动方式对热管换热效果有着明显的影响，且管外流体与管内液滴流动逆流时换热效果要优于顺流。
关键词：重力式热管；流动方式
引言
城市污水是一种尚未开发的优良低温余热可再生能源之一。作为污水热利用关键技术之一的污水源热泵系统，其能量输入与输出之比最低1:4，即输入1KW·h的电能，能够得到至少4KW·h的热量，节能30%～75%[1-6]。城市污水中含有较多的杂质和污垢容易堵塞和腐蚀机组,随着污水源热泵机组运行时间的增加，换热效率越来越低[7-8]。
热管作为高效传热元件之一具有明显的传热优势[9-10]，热管不仅在余热回收、节能方面得到了广泛的应用，同时在航天技术和散热元件等高科技领域也取得了显著的效果[11]。重力式热管是一种在小温差下传递较大能量的高效传热元件，在实际工程中重力式热管的有效热传导率大约为铜的200-500倍[12]。将热管应用到污水源热泵系统中，作为冷热源侧换热器的高效换热元件，将是污水源规模化应用的重要里程碑[13]。而对于应用过程中，如何提高其换热效率成为首要任务，本文通过实验和理论分析，针对热管在污水源热泵系统中夏季运行工况，探索热管冷凝段管外流体的流动方式对换热效果的影响。
1理论提出
重力式热管在结构上由三部分组成，冷凝段、绝热段和蒸发段。重力式热管和普通热管不同的是内部没有吸液芯，工质循环工作的主要动力是工质本身的重力作用。重力式热管内部没有吸液芯所以工作时具有方向性，蒸发段必须放置于冷凝段下方，工质在蒸发段通过吸收热量由液态变为气态，气态上升至冷凝段遇冷放热冷凝为液态，液态工质通过自身重力作用沿管内壁又流至蒸发段，蒸发段吸热由液态转变为气态，冷凝段冷凝放热由气态转变为液态，如此反复循环工作，实现热量的传递。其工作原理如图1-1所示。
热管作为污水源热泵系统换热器的主要构件，其传热过程由对流换热和传导换热组成。热管的传热过程可以分以下几个过程：①热流体与蒸发段管内工质换热Q1；②工质从蒸发段传递到冷凝段的热量Q2；③冷凝段内部工质与管外冷流体的换热量Q3。根据能量守恒，在不计算热损失的情况下：
Q1=Q2=Q3=mc(T1-T2)=kA(
.png)
) (公式1.1)
式中：
m—蒸发段管外流体质量流量，kg/s；
C—热流体定压比热容，J/(kg·℃)；
T1—热流体进口温度，℃；T2—热流体出口温度，℃；
K—热管平均传热系数，W/(㎡•℃)；
A—热管有效换热面积，㎡；
.png)
，
.png)
—热管冷，热流体平均温度，℃。
夏季管外污水流经热管冷凝段，作为低温热汇，收集末端热量并带走。对于管外流水的流动方式有两种，一种是与管内液膜流动方向顺流即上进下出，一种是管外污水与管内液膜流动方向逆流即下进上出。文章希望通过实验和理论分析研究出哪一种流动方式对换热效率好。
.png)
图1-1 重力式热管工作原理图
2实验搭建
实验原理图如下：
.png)
图1-2 实验系统图
对两根并联热管在相同工况进行实验测试，实验对象为DN20×2×800不锈钢乙醇热管(1号管)和DN20×2×800不锈钢乙醇(2号管)。采用控制变量法探索不同工况下的换热情况。设计1号热管污水流动与管内液滴流动方向顺流，即管外污水上进下出，2号热管污水流动与管内液滴流动方向逆流，即下进上出。采用Agilent34970A数据采集仪和温度计同时测量蒸发段管外流体的进出口水温(T1和T2)，用数据采集仪对热管管壁温度进行测量(
.png)
和
.png)
)。蒸发段管外采用清水，辅以电加热作为夏季负荷进行实验测试。
为对比两根热管在冷凝段流体逆流和顺流情况下的换热量，采用控制变量法安排实验。实验进行了2种工况的设计，第一种保持清水(蒸发段)流量、污水(冷凝段)温度、清水温度一定，通过改变污水流量进行测试；第二种保持污水流量、污水温度、清水流量不变，通过改变清水温度进行测试，具体安排如表1-1所示。
表1-1 不同冷凝段流动方式的测试实验
.png)
工况1污水温度，测试时间在一天的9:00~17：00，污水温度基本变化不大，在17.0℃-18.0℃范围内。如图1-2所示，流量调节过程中保持阀门1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12开启，在实验中保持清水侧阀门11关闭，1、2、3、4、12阀门全开，污水7、8阀门全开，通过调节阀门5、6、9、10调节污水流量的变化。工况2具体操作和操作1温度控制程序一样，对污水侧阀门5、6、7、8、9、10进行定流量开启，对清水侧阀门1、2、3、4、11、12进行清水流量的调节。工况2对各阀门调节稳定后，保持不定，对电加热水箱中的水进行加热改变温度测试。记录不同工况下的水温即热管管壁温度的数值，并进行计算。
3实验结果分析
对上述实验测试温度数据，采用(公式1.1)进行计算，单一改变蒸发段进口温度，对热管蒸发段管外流体传热温差、蒸发段换热量进行计算和分析，得出曲线图1-4和1-5。
.png)
图1-4 不同蒸发段水温下传热温差规律
.png)
图1-5 不同蒸发段水温下蒸发段换热量变化规律
根据图中可以得出结论：
(1)随着蒸发段进口水温的升高，换热量趋于稳定上升，且逆流工况下蒸发段换热量大于顺流工况，提升约7%~19%。
(2)随着蒸发段水温的升高，蒸发段换热量相应增加，且增加幅度由小变大。
分析原因是管外流体的换热情况受到管内凝结方式的影响。竖直重力式热管中冷凝段管内的液膜在冷凝段顶端厚度基本为零，由上到下逐步增加，冷凝段出口处最厚，此处认为膜状凝结。
①管外冷凝段水流方向与管内液体流动顺流时，即热管冷凝段管内液膜增长方向与管外污水流动方向一致，污水入口处污水温度较低，入口段液膜厚度几乎为零，导致入口段冷凝量较小；出口处的冷凝量随着污水温度的升高也相应减小，导致整个过程液膜厚度较大，冷凝段的导热热阻增大。液膜厚度不均匀，也导致整个冷凝段的热阻大，传热系数小，换热效果不佳，从而影响整个系统换热效果不佳。
②管外冷凝段水流方向与管内液体流动逆流时，热管冷凝段内液膜增长方向与管外污水流动方向相反，入口段液膜厚度最厚，此时污水温度较出口低，冷凝段内液膜的厚度减小方向和水温升高方向一致，因而冷凝段的冷凝量大，液膜厚度均匀且薄，冷凝段的热阻减小，换热系数增加，热管的传热量和壁温也相应升高。因此为了在实际应用中获得较大的传热功率和较高的壁面温度，应该尽量满足热管冷凝段管外水流方向与液膜下降方向逆流。
4结论
(1)通过实验，热管冷凝段管外流体流动方式对换热量有影响，热管在夏季污水工况下运行，冷凝段管外流体与管内液滴流动逆流时，换热量比顺流时提升7%~19%。
(2)因为热管管内液滴的不均性，竖直重力式热管中冷凝段管内的液膜在冷凝段顶端厚度基本为零，由上到下逐步增加，冷凝段出口处最厚，为了在实际应用中获得较大的传热功率和较高的壁面温度，应该尽量满足热管冷凝段管外水流方向与液膜下降方向逆流。
参考文献：
[1]李敏.浅谈中国能源现状及未来[J].山西电力,2004(03):66-68.
[2]史立山.中国能源现状分析和可再生能源发展规划[J].可再生能源,2004(05):1-4.
[3]王庆一.中国能源形势评估[J].能源政策研究,2003(1):35-41.
[4]王庆一.我国节能的现状、问题及对策建议,能源政策研究,2003(4):49-54.
[5]韩启德.我国建筑能耗占全社会总能耗约28%[J].建筑与发展,2009,(11):3.
[6]杨德福.沈水湾污水处理厂污水源热泵系统设计[J].建筑节能,2011(12):47-49.
[7]吴荣华,孙德兴,马广兴.城市原生污水冷热资源水参数特性与应用方法评价[J].可再生能源,2005(5):39-43.
[8]刘志斌．污水源热泵系统防阻塞装置工作特性的实验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2005.
[9]李炜征,邱利民.低温热虹吸管的设计[J].设计制造，2004(2):23-26.
[10]庄俊，张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学工业出版社，2000.
[11]周峰.两相闭式热虹吸管传热机理及其换热机组工作特性的研究[D].北京工业大学,2011.
[12]Negishi K,Sawada T.Heat transfer performance of an inclined two-phase closed thermosyphon[J].International Journalof Heat and Mass Transfer,1983,26(28):1207-1213.
[13]蒋晏平,林真国,纪鹏磊,于祥磊,康侍民.城市污水冷热资源规模化应用探讨[J].建设科技.2012(21):80-81.