分離式CO2熱管傳熱性能分析

佟振李震趙勇劉曉華

（1清華大學建筑學院 北京 100084；2清華大學航天航空學院 北京 100084）

分離式CO2熱管傳熱性能分析

佟振1李震2趙勇1劉曉華1

（1清華大學建筑學院 北京 100084；2清華大學航天航空學院 北京 100084）

用CO2替代R22應用于分離式熱管系統對于環境保護很有意義。從目前已有的實驗結果來看，CO2的流動沸騰和凝結傳熱系數要明顯高于常規制冷劑，說明其在提高熱管系統傳熱性能方面具有潛力。但考慮到熱管內工質的沸騰和凝結換熱系數較高，相對來說，熱管系統的主要熱阻集中在管外空氣側或水側的對流換熱熱阻。因此，盡管CO2替代常規制冷劑時管內沸騰凝結換熱系數可以成倍提高，但熱管系統整體傳熱性能的提高可能較為有限。本文通過實驗對比了CO2熱管和R22熱管的傳熱性能，并結合相關的傳熱模型，分析了分離式熱管中的各部分熱阻，結果顯示，由于CO2的管內沸騰凝結換熱熱阻小于R22，使得CO2熱管的整體傳熱性能優于R22熱管，其總熱阻比R22熱管降低22%～25%。

分離式熱管；CO2；流動傳熱；熱阻

分離式熱管是一種高效傳熱設備，它與傳統熱管形式的區別在于:首先，它的驅動力是重力作用而不是毛細作用力；其次，它的蒸發段和冷凝段之間可以相距較遠的距離，兩段之間通過兩條絕熱管路連接起來，形成一個閉合環路。

目前在暖通領域，分離式熱管系統已經在數據機房這樣的建筑中得到了一定的應用，有很多學者［1-5］對其進行了研究。考慮到制冷劑的傳熱性能和價格等因素，目前數據機房中的熱管系統多采用R22作為制冷劑。隨著人們對CFCs（已被淘汰）和HCFCs制冷劑對大氣臭氧層和生態環境影響的認識不斷深入，天然工質CO2以優良的熱物理性能和對環境的友好性而受到越來越多的關注。

目前針對CO2管內流動沸騰換熱的研究主要有兩方面，一方面是實驗測試 CO2沸騰傳熱系數［6-10］，另一方面是傳熱模型的提出［11-18］。 研究結果顯示，CO2的管內流動沸騰換熱系數要明顯高于R22和R134a等常規制冷劑。將CO2應用于分離式熱管，管內循環工質換熱系數的提高必然會帶來熱管系統傳熱性能的改善，但熱管系統的蒸發器和冷凝器通常是與空氣或水進行換熱的，空氣或水的對流換熱系數和管內工質的相變換熱系數相比往往較小，因此，制約熱管系統傳熱性能的主要因素在于空氣側或水側的換熱。分離式熱管系統中的各部分熱阻是如何分配的？采用CO2作為循環工質到底能給熱管系統的傳熱性能帶來多大的改善？實際應用中所能帶來的效果是怎樣的？這就是本研究主要關注的問題。

本文采用CO2和R22作為熱管工質進行對比實驗，分別測試了兩者的傳熱性能，將較有代表性的管內沸騰和凝結換熱模型進行了總結，并選取其中的模型用于熱管系統傳熱性能的分析，計算了熱管系統的各部分熱阻，結合實驗數據對CO2熱管和R22熱管進行了傳熱性能的對比，分析了以CO2替代R22作為熱管內的循環工質，其管內沸騰和凝結換熱系數的提高對熱管系統傳熱性能所帶來的影響。

1　分離式CO2熱管工作原理及工質的選用

分離式熱管的正常工作需要兩個換熱器之間具有一定的高差和溫差（即冷凝器的位置高于蒸發器，蒸發器側的溫度高于冷凝器側），并通過管內工質的相變過程進行熱量的傳遞。如圖1所示，工質在蒸發器內吸熱沸騰，全部（或部分）液態工質發生相變變成氣態，隨著沸騰過程的進行，蒸發器內沿工質流動方向干度逐漸增大。氣態（或氣液混合）工質沿上升管上升并進入冷凝器，在冷凝器內工質放熱凝結，全部（或部分）氣態工質發生相變變成液態，隨著凝結過程的進行，冷凝器內沿工質流動方向干度逐漸減小。最終，液態（或氣液混合）工質沿下降管下降并回到蒸發器，由此完成一個循環。由于上升管內工質的干度大、平均密度小，而下降管內工質的干度小、平均密度大，兩邊的密度差為管內工質的循環提供了驅動力。

圖1　分離式熱管工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of the TPTL

工質在管內循環需要克服管道的摩擦阻力，而總的摩擦阻力應與熱管自身所能提供的動力相等。工質的流動阻力越小、熱管自身所能提供的動力越大，對于熱管的運行就會越有利。

與常規的氟代烴類制冷劑相比，CO2的物理性質非常特殊（見表1），這導致了它們換熱性能和流動性能的差別。根據目前國內外學者［19-20］對CO2換熱系數的研究，CO2的換熱性能要明顯優于R22等制冷劑，這意味著CO2在分離式熱管中的應用有望進一步降低熱管的傳熱熱阻。另外，從一些對CO2流動壓降的研究［20-21］中也可以看出，CO2管內流動的摩阻壓降相對更低，這意味著CO2在熱管中循環流動的摩擦阻力更低。但由于CO2的氣液密度差較小，相同情況下CO2熱管所能提供的循環動力也較小，因此，在循環流動方面，CO2與常規制冷劑的比較還需要進行定量計算才能確定。

表1　CO2與R22和R134a的物性對比Tab.1 Property comparison between R22，R134a and CO2

2　分離式熱管實驗

2.1實驗臺及實驗方法

如圖2所示，實驗臺分為兩個獨立的空間:室內環境模擬室和室外環境模擬室。分離式熱管的蒸發器安裝在室內環境模擬室，冷凝器安裝在室外環境模擬室，冷凝器的位置高于蒸發器，兩者之間的高度差為1.8 m，兩個換熱器通過上升管和下降管相連。工質通過下降管底部的閥門進行充注，并通過位于蒸發器頂部的視液鏡確定充注量。室內環境模擬室中有一功率可調的電加熱器，用于模擬室內不同的發熱量，室外環境模擬室中通過空調機組和電加熱器的共同調節維持一個恒定的室外溫度，實驗中室外溫度設定為18℃。由于實驗臺圍護結構的總傳熱系數不高于0.12 W/（m2·℃），即在10℃的溫差下，通過圍護結構的總傳熱量僅有10 W左右，因此可以忽略實驗臺圍護結構的傳熱量。

圖2　實驗臺系統圖Fig.2 Schematic diagram of the test bench

蒸發器和冷凝器是兩個完全相同的銅管加鋁翅片的換熱器，每個換熱器是由頂部和底部的兩個匯管以及中間的一排換熱管構成，換熱管共24根。兩個換熱器上各安裝一個風機。圖3所示為換熱器的照片，表2中列出了換熱器的基本參數。

圖3　換熱器照片Fig.3 Photo of the heat exchanger

表2　換熱器基本參數Tab.2 Basic parameters of the heat exchanger

實驗中采用精度為±0.1℃的熱電偶進行溫度測量。熱管管內工質的溫度是通過將熱電偶貼在管壁上進行測量的，由于對管壁進行了保溫，可以認為管壁溫度即為管內工質的溫度。在蒸發器進出口、冷凝器進出口、上升管中間位置以及下降管中間位置都進行了溫度測量。另外，在蒸發器和冷凝器的進出風口也布置了多個測點，進行進出風溫度的測量。實驗中室內發熱量變化范圍為1 000～4 000W，共測試了七個不同工況。室外環境模擬室的溫度始終保持恒定，每個工況下，當室內環境模擬室的溫度也達到穩定時即認為熱管系統運行達到穩定狀態，記錄穩定狀態下的實驗數據，作為計算和分析的依據。對于相同的分離式熱管系統，先后充入CO2和R22分別進行實驗，充注時以液面到達蒸發器頂部的視液鏡為準，保證兩種工質實驗時的充液率相同。

2.2實驗結果

圖4所示為CO2熱管和R22熱管在不同傳熱量下蒸發器和冷凝器進排風的平均溫度。實驗中測得每個換熱器的風量約為4 200 m3/h，由于風量較大，蒸發器和冷凝器的進排風溫差都較低，傳熱量最大時也在3℃以內。由于實驗中控制室外溫度在18℃，因此冷凝器的進排風溫度隨傳熱量變化并不明顯，但蒸發器的進排風溫度隨傳熱量的增大有明顯增大的趨勢，且R22熱管的蒸發器進排風溫度要高于CO2熱管。

圖4　不同工況下蒸發器和冷凝器的進排風溫度Fig.4 Inlet and outlet air tem perature of the evaporator and condenser under different working conditions

利用熱管在不同傳熱量下運行所需的驅動溫差（蒸發器進風溫度與冷凝器進風溫度之差）作為熱管系統傳熱性能的評價標準，驅動溫差越小，意味著相

同傳熱量下熱管系統的總傳熱熱阻越小。表3給出了在不同傳熱量工況下CO2熱管和R22熱管分別對應的驅動溫差，結果顯示，相同傳熱量下CO2熱管所需的驅動溫差小于R22熱管，由此可見CO2熱管的傳熱性能優于R22熱管。

表3　CO2熱管與R22熱管驅動溫差對比Tab.3 Comparison of the driving temperature difference between CO2and R22 TPTL

當傳熱量為2 000W時，CO2熱管和R22熱管所需的驅動溫差分別是8.1℃和10.1℃，相比之下，采用CO2作為循環工質使驅動溫差降低了2℃。假設原來的冷源溫度為室外20℃的空氣干球溫度，使用CO2熱管之后，冷源溫度可以提高至22℃，以北京的氣相參數為例，全年直接利用室外自然冷源進行供冷的時間可以延長486 h。

對于分離式熱管系統，運行時消耗的電能只有兩個換熱器風機的電耗。根據實驗測試結果，將5.0～ 15.0℃驅動溫差所對應的系統EER（EER定義見公式（1））進行擬合，表4給出了CO2熱管與R22熱管系統EER的對比結果。從中可以看到，即使在5℃這樣小的驅動溫差下，熱管系統的EER已經超過4，高于一般的空調系統，隨著驅動溫差的增大，熱管系統的EER增加明顯。整體來看，CO2熱管的系統EER比R22熱管更高。

表4　CO2熱管與R22熱管系統EER對比Tab.4 Com parison of EER between CO2and R22 TPTL

式中:Q為傳熱量，W；W為消耗的電能，W。

3　分離式熱管熱阻分析

分離式熱管系統的熱阻主要分為三部分:管內工質的相變換熱熱阻、管壁的導熱熱阻以及管外空氣的對流換熱熱阻。其中，受工質種類影響的主要是管內工質的相變換熱熱阻。

3.1沸騰和凝結傳熱模型

管內流動沸騰和凝結換熱過程較為復雜，影響因素多，目前難以進行理論性的推導，因此，目前的傳熱模型基本都是在實驗數據的基礎上提出的經驗公式。表5中總結了部分具有代表性的沸騰和凝結傳熱模型。其中沸騰傳熱模型主要可以分為兩類:一類是針對常規介質提出的模型，比較具有代表性的是Gungor和Winterton［12］模型、Jung［13］模型、Liu和Winterton［14］模型和K-T-F［15］模型；另一類是專門針對CO2物性特點提出的新模型或是對已有模型的改進，比較具有代表性的是Thome［16］模型和Yoon［17］模型。對于凝結傳熱，由Nusselt提出了最早的膜狀凝結換熱理論，隨后在此基礎上出現了很多針對管內流動的凝結換熱模型，表5中給出了較有代表性的Shah［22］模型、Wang［23］模型和Dobson和Chato［24］模型。

表5　傳熱模型Tab.5 Heat transfer models

目前這些模型所依據的實驗數據中，水平流工況較多，垂直流工況較少，而管內質量流速的范圍也主要為強迫對流下的高質量流速，涉及到100 kg/（m2· s）以下的低質量流速的實驗數據較少。表5中匯總了各模型的提出所依據的實驗數據的工況范圍。在分離式熱管的實際運行工況下，一方面由于工質的流動是重力驅動的，管內質量流速本就較低，另一方面由于換熱段往往是多管并聯的結構，單根換熱管的質量流速更低，往往都在30 kg/（m2·s）以下，因此，在利用目前的傳熱模型進行分離式熱管計算時仍然具有一定的局限性。

（續表5）

3.2整體計算模型

根據熱管系統熱阻的三個組成部分對其總熱阻進行計算。對于蒸發器或者冷凝器，熱阻都可由公式（2）計算得到。

式中:R為蒸發器或者冷凝器的總熱阻，℃/W；ha和hf分別為空氣管內工質的換熱系數，W/℃；Rc為管壁的導熱熱阻，℃/W；τ為肋化系數，對于實驗中的換熱器，τ=25.9；C1為與氣流狀況有關的系數；C2為與結構尺寸有關的系數；λ為空氣平均導熱系數，W/（m·℃），de為空氣通道斷面的當量直徑，m；L為沿氣流方向肋片長度，m；Re為雷諾數；ηf為肋片效率；Af為肋片面積，m2，Ap為肋間面積，m2；A為肋壁側面積，m2；Ai為管內側面積，m2。

根據換熱器的結構參數和實測風速，由公式（3）計算得到的空氣側對流換熱系數（ha）大約為50 W/ （m2·℃），并且該值在不同工況時的變化很小。計算中，選用Gungor和 Winterton［4］模型對管內工質的流動沸騰換熱系數（hf-e）進行計算，分別計算0.1，0.2，0.3，…，0.9干度下的換熱系數取平均作為整個蒸發段的平均沸騰換熱系數。冷凝段的凝結換熱系數（hf-c）采用Dobson和Chato［12］關聯式進行計算。熱管管壁的導熱熱阻非常小，根據管子的材料物性和結構尺寸進行計算。

3.3各部分熱阻對比

表6中給出了CO2熱管和R22熱管在不同傳熱量下各部分熱阻的對比，從結果中可以看出，空氣側熱阻較大，但CO2熱管和R22熱管之間幾乎沒有差別；管壁導熱熱阻很小，可以忽略；兩者之間最大的差別在于制冷劑側的沸騰和凝結傳熱熱阻，由于CO2的管內沸騰和凝結換熱系數較高，使得CO2的沸騰和凝結傳熱熱阻明顯低于R22，約為R22的1/2。對于CO2熱管，空氣側熱阻在總熱阻中所占的比例為68%～82%；對于R22熱管，空氣側熱阻在總熱阻中所占的比例約為52%～66%。圖5中同時給出了CO2熱管和R22熱管總熱阻的實測結果和計算結果。隨著傳熱量的增大，管內沸騰和凝結換熱過程得到強化，應表現為熱管的總熱阻逐漸減小，由于傳熱量較小時實驗誤差較大，在小傳熱量下，計算結果與實測結果偏差較大，而在大傳熱量下，計算結果與實測結果較為吻合。這里以計算結果為參考依據，將CO2熱管和R22熱管的總熱阻進行對比，結果顯示，不同工況下CO2熱管比R22熱管總熱阻降低22%～25%。這就是實驗中CO2熱管所需的驅動溫差較小的原因。

表6　CO2熱管與R22熱管各部分熱阻Tab.6 Each part of thermal resistance of CO2and R22 TPTL

4　結論

CO2不僅是一種天然環保工質，其沸騰和凝結換熱系數也高于一般的氟代烴類制冷劑，本文研究了將CO2應用于分離式熱管對熱管系統傳熱性能所帶來的影響，主要結論如下:

1）實驗測得在傳熱量一定的情況下，CO2熱管所需的驅動溫差小于R22熱管，當2 000 W傳熱量時，CO2熱管的驅動溫差比R22熱管小2℃，意味著采用CO2作為制冷劑，熱管系統利用自然冷源進行免費制冷的時間可以有所延長。

2）在很小的驅動溫差下（如5℃），熱管系統的EER已經超過一般的空調系統，隨著驅動溫差的增大，熱管系統的EER明顯提高，尤其是CO2熱管。

圖5　不同傳熱量下熱管的總熱阻Fig.5 Total thermal resistance under different heat transfer rate

3）在分離式熱管的各部分熱阻中，空氣側的對流換熱熱阻占主要部分，因此，采用CO2后其管內制冷劑側換熱系數的提高所帶來的熱管系統總熱阻的降低程度有限。計算結果表明，對于本實驗裝置，在1 000～4 000 W傳熱量下CO2熱管比R22熱管總熱阻降低22% ～25%。由此可見，提高熱管系統傳熱性能應主要著眼于空氣側對流換熱的強化。

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About the author

Li Zhen，male，associate professor，Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，+86 10-62794679，E-mail: lizh@tsinghua.edu.cn.Research fields:air-conditioning and refrigeration，environment control of data center，industrial energy saving and heat-electricity conversion.

Heat Transfer Performance Analysis on the CO2Two-phase Thermosyphon Loop

Tong Zhen1Li Zhen2Zhao Yong1Liu Xiaohua1

（1.Department of Building Science，Tsinghua University，Beijing，100084，China；2.Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

In terms of environmental conservation，it is verymeaningful to use CO2as working fluid in the two-phase thermosyphon loop （TPTL）to replace R22.According to the experimental results in some research，the flow boiling or condensation heat transfer coefficient of CO2ismuch higher than thatof the conventional refrigerants，whichmeans CO2has the potential in improving the heat transfer performance of the TPTL system.Considering the high heat transfer coefficientof the refrigerant，the convective thermal resistance of the air/water outside is themain restriction of the performance.Thus，the improvement of the heat transfer performance by using CO2may be limited. The present study compares the heat transfer performance of CO2and R22 TPTL through experiment.Combined with some heat transfer model，each part of the thermal resistance is analyzed.The result shows that the total thermal resistance of CO2TPTL is22%-25%lower than that of R22 TPTL due to the reduction of the boiling and condensation thermal resistance.

two-phase thermosyphon loop；CO2；flow heat transfer；thermal resistance

TB61+1；TQ051.5；TK124

A

0253-4339（2016）05-0017-09

10.3969/j.issn.0253-4339.2016.05.017

國家科技支撐計劃（2014BAJ02B01）資助項目。（The project was supported by the Key Technologies R&D Program of China（No. 2014BAJ02B01）.）

2016年1月22日

李震，男，副教授，清華大學航天航空學院，（010）62794679，E-mail:lizh@tsinghua.edu.cn。研究方向:空調制冷，數據中心環境控制，工業節能，熱電轉換。