新疆典型自然氣候條件下熱管的應用研究

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象，通過改變外界條件如溫度、濕度來獲得對熱管傳熱系數K的影響，以控制變量法分析試驗結果，表明外界溫度越高，傳熱性能越差;濕度越大，傳熱性能越好。

關鍵詞：氣-氣熱管;傳熱系數;新疆特殊氣候

中圖分類號：TK172 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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-氣熱管應用于新疆的特殊氣候下，其傳熱系數的性能變化尚不明確。例如，流經熱管的冷、熱流體的物性如密度、溫度、濕度、流體的流速、環境的輻射等，都會對熱管的性能指標的傳熱系數K產生極大的影響。特別是自然環境下，上述因素的變化幅度較大，對熱管應用的效果影響也很大，尤其是新疆有自己獨特的氣候特點：氣候干燥、早晚溫差變化大、白天輻射較強等等，多種因素綜合影響，使得熱管的性能大為改變。本文以氣-氣熱管的傳熱系數為研究對象，通過實驗測量新疆一年四季典型氣候條件下熱管的傳熱系數，分析環境因素變化對熱管性能的影響，為熱管在新疆的應用提供數據依據[1-4]。

2 熱管及實驗條件

實驗采用重力型氣-氣熱管換熱器，其冷端暴露于自然環境中，熱段由試驗裝置人為控制（恒定不變）。實驗中采用的是建大仁科的溫度變送器型號為0608091，設備精度為0.1℃，當設定程序后，儀器能長時間測量和儲存溫度和濕度[5]。

試驗中，熱管垂直放置，熱端溫度、冷熱端壓差都不變的情況下，測試了新疆典型環境下一天不同時間段的熱管傳熱系數，采取的數據是從北京時間8點測量至北京時間20點，期間每30分鐘測量一次，一次測三組數據，最后的結果取算術平均值。

3 三種新疆典型氣候的數據分析

3.1 雨雪環境下的熱管傳熱系數

通過試驗得出新疆雨雪環境下的熱管傳熱系數曲線圖，如圖1所示。

3.2 風沙環境下的熱管熱傳系數

通過圖2可以發現熱管的傳熱性能在風沙天氣一天中呈現先下降后上升的趨勢，其曲線圖與雨雪環境下的類似。

3.3 干熱環境下的熱管熱傳系數

通過圖3，可以明顯看出干熱環境下熱管的傳熱系數要遠低于雨雪環境和風沙環境熱管傳熱系數，干熱環境中氣溫十分高，同時夏天太陽直射，再有夏天的環境中風量較小，這便會弱化傳熱。

4 結論

試驗中，還同時測量了一天中不同時段空氣的溫度和濕度變化（因篇幅未列出）。通過觀察不同環境下的熱管熱傳系數曲線可以得出，在雨雪時熱管的傳熱性能最好，風沙環境的熱管傳熱系數與雨雪時大致相似，干熱環境下的傳熱性能最差，在分析試驗數據之后可總結如下：

（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流并蒸發相變強化了傳熱性能，大量數據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間段下的傳熱系數可以發現早晚的傳熱系數與中午相較要大20%，分析發現新疆不僅晝夜溫差大，而且不同時間段的濕度差異也大，早晚的濕度平均值80%，這強化了換熱性能，而中午的濕度大致在50%，濕度差異為30%附近浮動，導致中午的傳熱性能較差一些。通過數據比較，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間段下的傳熱性能強20%。

（3）風沙天氣下所測量出的少部分數據與雨雪天氣下的相對比幾乎沒有差異，原因在于所測量所有風沙環境均在冬天，即雨雪環境。而風沙環境均伴隨著小雨或小雪，大致得出風沙環境下熱管傳熱性能即可等同于雨雪環境下的熱管傳熱性能。

（4）干熱環境下所采集的數據均為6月份烏魯木齊自然環境，同雨雪環境和風沙環境相比，傳熱性能要弱上40%，分析數據大致得出在夏天時溫度十分高，夏天風通常是間歇性且風速較小，同時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，同時環境溫度過高與蒸發端溫度差距較小，使得傳熱過程弱化，相較于雨雪環境下的熱管熱傳系數要低45%，傳熱性能最弱。

（5）分析在干熱環境下同一天不同時間段熱管的傳熱系數可得出，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%，對比數據得出干熱環境下早晚的熱管傳熱性能是強于正午時熱管傳熱性能在30%。

參考文獻：

[1]遲廣舟，陳寶明，郝文蘭.管內填充多孔介質強化換熱的數值研究[J].節能，2010，29（12）：17-20+2.

[2]朱孟帥，邱劍濤，陳贏.強化換熱方法在換熱器中的應用研究[J].能源與節能，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].熱能動力工程，2019，34（12）：99-108.

[4]高賀軒.熱管換熱器結構優化研究[J].西部皮革，2018，40（24）：38.

[5]勒智平，等.熱能動力工程實驗[M].北京：中國電力出版社，2011.