多回路泵驅動回路熱管系統的換熱特性

段未，馬國遠，周峰

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

多回路泵驅動回路熱管系統的換熱特性

段未，馬國遠，周峰

（北京工業大學環境與能源工程學院，北京 100124）

為提高泵驅動回路熱管系統的溫度效率，探討多回路系統替代單回路系統用于空調系統排風能量回收的技術可行性，制作了單回路和三回路泵驅動回路熱管系統樣機，搭建實驗測試平臺，研究單回路和三回路系統在夏、冬季運行工況下的換熱特性，并基于換熱溫差均勻性原理進行對比分析。結果表明，相比于單回路系統，三回路系統的性能更優，冬季工況下室內外溫差為31.9℃時，換熱溫差均勻性明顯改善，系統溫度效率提高22.6%，夏季工況下系統溫度效率變化不大。

泵驅動回路熱管；多回路系統；溫度效率；溫差均勻性

引 言

當前，我國面臨的能源形勢較為嚴峻，2010～2014年，全國年能源消費總量由36.1億噸標準煤增長到42.6億噸標準煤，年均增長4.2%[1]，在我國能源消費中，建筑能耗約占全社會商品用能的1/3[2]，是節能潛力最大的用能領域之一?；厥展步ㄖ棚L能量用于預處理新風，能顯著降低空調系統新風負荷，大力推進公共建筑節能，踐行我國節能減排戰略，是建設資源節約型社會的重要途徑。

近年來，有研究者將回路熱管系統用于公共建筑空調系統排風能量回收[3-8]，由于回路熱管系統中，蒸發器和冷凝器分離放置，能夠實現遠距離冷熱量的傳遞，能夠滿足空調新、排風管道距離較遠時能量回收的要求。但由于系統沒有外加機械動力，系統啟動需要一定的條件，對系統設計與匹配的要求較高，此外冷凝器與蒸發器之間需要一定的高度差，系統布置有限制，無法適應復雜大型的能量回收場所。

為解決回路熱管系統循環動力不足的問題，陳東等[9-12]提出一種由液泵或氣泵驅動的回路熱管系統，將該系統用于高溫工業爐的余熱回收利用，進行了大量的理論分析、實驗研究和經濟性分析。馬國遠等[13-17]將泵驅動回路熱管系統應用于數據中心和通信基站的自然冷卻，替代傳統空調制冷系統，節能效果顯著。田小亮等對機械泵驅動兩相流動力型熱管系統的工質充注量、啟停特性、換熱性能和沸騰傳熱特性進行了深入的研究[18-20]，并提出一種雙循環可控熱管系統，包括液體工質循環和熱管工質循環[21-23]。

馬國遠等[24-25]將泵驅動回路熱管系統用于空調排風能量回收，對其工作特性和性能影響因素進行了較為詳細的實驗研究，實驗結果表明，系統能夠滿足夏、冬季能量回收的要求，但是冬季工況下系統的溫度效率較低，只有30%～40%。

為了進一步改善溫度效率，祝長宇等[26]提出一種多回路泵驅動回路熱管系統，每一回路都是一套獨立的泵驅動回路熱管，指出熱管換熱裝置的總驅動溫差為室內外溫差，由于熱管內工質的等溫特性，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]對多回路泵驅動回路熱管系統從換熱溫差均勻性的角度進行了闡述，在單回路泵驅動回路熱管系統的模擬研究中發現，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內工質的換熱溫差不均勻，采用多回路系統，可以調節換熱溫差的均勻性，提高溫度效率。以上研究雖然提出了多回路泵驅動回路熱管系統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算層面，并沒有相關實驗數據的支撐。

王偉等[28]將多回路泵驅動回路熱管系統用于空調系統冷凝除濕，節能效果顯著，二回路熱管蒸發器的總溫降比單回路提高58.18%，從節能和經濟性因素考慮，三回路為最佳方案。郭振江等[29]搭建了四回路泵驅動回路熱管系統實驗平臺，研究其對空調除濕和冷量回收能力的影響，結果表明，空調系統的除濕能力增加了29.5%。以上研究的重點在于通過多回路系統提升空調系統的除濕能力，而未涉及空調系統能量回收的性能研究，也未對多回路系統的換熱機理進行深入分析。

本文以公共建筑空調系統排風能量回收為背景，分別研制了單回路和三回路泵驅動回路熱管能量回收裝置樣機，基于焓差實驗室搭建了能量回收性能測試平臺，通過實驗的方法對單回路和三回路系統的性能進行對比測試，探討多回路系統的換熱特性及其性能改進程度，并從換熱溫差均勻性的角度對多回路系統換熱機理進行分析。

1 實驗裝置與實驗方法

單回路和三回路泵驅動回路熱管系統實驗樣機的流程如圖1和圖2所示，系統主要包括工質循環泵、新風換熱器、排風換熱器、儲液罐和截止閥等部件。通過4個截止閥的開閉可改變工質的流向。夏季工況下，截止閥1、3開，2、4關，工質在新風換熱器受熱蒸發，從室外新風吸熱，在排風換熱器預冷凝結，向室內排風放熱，回收排風中的冷量為新風預冷；冬季工況下，截止閥 2、4開，1、3關，工質在排風換熱器受熱蒸發，從室內排風吸熱，在新風換熱器預冷凝結，向室外新風放熱，回收排風中的熱量為新風預熱。新風換熱器和排風換熱器采用銅管-鋁翅片式換熱器，兩換熱器結構尺寸相同，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。換熱器的配套風機采用軸流式風機。

圖1 單回路泵驅動回路熱管系統流程Fig.1 Schematic diagram of single-loop pump-driven loop heat pipe system

圖2 三回路泵驅動回路熱管系統流程Fig.2 Schematic diagram of triple-loop pump-driven loop heat pipe system

單回路和三回路泵驅動回路熱管系統均使用相同的換熱器，區別僅是流路編排上的差異：對于單回路系統，換熱器六排管匯合后構成一個回路；而對于三回路系統，換熱器六排管中二排分別匯合后構成一個回路，形成嵌套為一體的3個回路。

實驗在焓差實驗室中進行，由焓差室提供恒溫恒濕的環境條件。排風換熱器安裝在室內測試室，新風換熱器、儲液罐和工質泵等其余部件均安裝在室外測試室。由室內測試室模擬空調系統排風風道，提供排風空氣條件；由室外測試室模擬空調系統新風風道，提供新風空氣條件。

本實驗中，泵驅動回路熱管系統的換熱性能主要由3項性能參數來評價，分別是換熱量Q、溫度效率?和性能系數COP。溫度效率的物理意義為實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，是評價其能量回收性能的重要參數。

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

2 實驗結果與討論

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

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

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

在不同溫差下，三回路系統的性能系數均明顯高于單回路系統。其主要原因在于三回路系統的總功耗明顯低于單回路系統，這是因為，系統的總功耗是新風換熱器風機功耗、排風換熱器風機功耗與工質循環泵功耗之和，由于新、排風換熱器的迎面風速保持不變，新、排風換熱器風機功耗不變；由于工質的質量流量保持不變，單回路系統只由一個工質循環泵供液，回路阻力較大，泵的揚程較大，導致泵的功耗較高，功耗為0.551～0.573 kW，而三回路系統包括3個獨立的循環回路，每一回路均由該回路上的工質循環泵供液，每個泵驅動總質量流量1/3的工質，回路阻力較小，泵的揚程較小，使得泵的功耗較低，功耗為0.396～0.414 kW。故三回路系統的總功耗低于單回路系統，性能系數明顯優于單回路系統。

圖3 夏季工況下單回路系統與三回路系統性能的對比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與三回路系統性能的對比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與三回路系統換熱量、溫度效率和性能系數的對比。結果表明，隨室內外溫差增大，單回路和三回路系統的換熱量和性能系數均明顯增大，溫度效率均增大但增幅很小。當溫差為16.8℃時，單回路系統的換熱量、溫度效率和性能系數分別為6.66 kW、31.1%和10.62；三回路系統的換熱量、溫度效率和性能系數分別為8.35 kW、39.1%和19.37。當溫差為31.9℃時，單回路系統的換熱量、溫度效率和性能系數分別為12.50 kW、32.8%和19.93；三回路系統的換熱量、溫度效率和性能系數分別為 15.30 kW、40.2%和30.61。

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

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

從上述實驗結果可知：① 在工質種類及其質量流量、換熱器換熱面積和迎面風速、回路數相同的條件下，夏季工況下系統的溫度效率明顯高于冬季工況；② 在室內外溫差、工質種類及其質量流量、換熱器換熱面積和迎面風速相同的條件下，對于冬季工況，三回路系統的溫度效率明顯高于單回路系統，對于夏季工況，三回路系統和單回路系統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行分析。在新風換熱器6排管路的進出口分別布置12個溫度測點，在排風換熱器6排管路的進出口分別布置12個溫度測點（如圖1和圖2所示），監測工質流經每一排管路的進口溫度和出口溫度，溫度測點采用歐米茄T型銅-康銅熱電偶。按管內側工質和管外側空氣的流動方向，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。由于風量測試裝置安裝在排風換熱器一側，換熱量與溫度效率都是從排風一側計算得出，故著重分析排風換熱器的換熱溫差均勻性。本文中“換熱溫差”是指每一排管路內工質的進口溫度與該處管外空氣溫度之差，通過計算六排管路換熱溫差的變異系數來評價換熱溫差的均勻性，變異系數是數據標準差與均值之比，能夠反映數據的離散程度。

分析單回路系統和三回路系統排風換熱器換熱溫差均勻性時，循環工質為R22，質量流量為450 kg·h?1，夏季工況室內外溫差為 7.5℃，冬季工況室內外溫差為31.9℃，新風換熱器和排風換熱器的換熱面積均為58 m2，迎面風速均為1.8 m·s?1。冬季工況和夏季工況下單回路系統排風換熱器管內工質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排風換熱器管內工質和管外空氣的溫差如圖6所示，圖5和圖6中虛線是排風換熱器進口空氣溫度與出口空氣溫度的連線，6條實線是排風換熱器第 1～6排管路內工質進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排風換熱器管內工質和管外空氣的溫差。工質從干路流經分液頭分為6路進入排風換熱器，6排管路的換熱溫差最大為18.55℃，最小為11.00℃，變異系數為17.2%。在空氣流通方向上與排風先接觸的兩排管路（第 1排和第2排）的換熱溫差較大，工質從空氣吸熱迅速消除過冷并開始相變蒸發，氣化率逐步達到100%，繼續吸熱達到過熱氣體狀態，由于換熱量主要集中在這兩排管路，導致與排風后接觸的4排管路（第3～6排）的換熱溫差明顯減小，工質的氣化率降低，換熱量減小。由于6排管路的換熱溫差不均勻，導致工質相變不均勻、換熱量不均勻，對換熱器換熱不利，影響系統的溫度效率，上述現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排風換熱器溫差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排風換熱器溫差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排風換熱器管內工質和管外空氣的溫差。6排管路的換熱溫差最大為2.28℃，最小為0.49℃，變異系數為4.5%，該工況下單回路系統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的溫度效率（32.8%）。

圖6(a)為冬季工況下三回路系統排風換熱器管內工質和管外空氣的溫差。6排管路的換熱溫差最大為15.55℃，最小為11.33℃，變異系數為10.2%。由于三回路系統中3個循環回路是相互獨立的，不會進行匯合，所以6排管路工質的進口溫度形成了一個明顯的梯度，即第1排的進口溫度≈第2排的進口溫度＞第3排的進口溫度≈第4排的進口溫度＞第5排的進口溫度≈第6排的進口溫度，該梯度與流經換熱器的空氣溫度的變化梯度相一致，單回路系統在該工況下出現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的溫度效率（32.8%）。

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

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

4 結 論

通過對研制的采用相同換熱器單回路和三回路泵驅動回路熱管系統樣機的實驗研究，得出如下結論。

（1）對于單回路和三回路系統，換熱量和性能系數均隨室內外溫差增大而增加，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外溫差增大而降低，冬季工況下溫度效率幾乎不隨室內外溫差變化。

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

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

h11——排風換熱器進口空氣焓值，kJ·kg?1

h12——排風換熱器出口空氣焓值，kJ·kg?1

m1——排風換熱器空氣側質量流量，kg·s?1

Q ——換熱量，kW

T11——排風換熱器進口空氣溫度，℃

T12——排風換熱器出口空氣溫度，℃

T21——新風換熱器進口空氣溫度，℃

ΔT ——室內外溫差，℃

W1——排風換熱器風機功率，kW

W2——新風換熱器風機功率，kW

W3——工質泵功率，kW

? ——溫度效率，%

下角標

1 ——排風換熱器

11 ——排風換熱器進口

12 ——排風換熱器出口

2 ——新風換熱器

21 ——新風換熱器進口

3 ——工質泵

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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。

聯系人：周峰。

：段未（1990—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（51376010，51406002）；北京市自然科學基金項目（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).