趙建會，王登山，張金明

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054)

隨著人們居住條件的不斷改善，對室內采暖提出了新的要求?，F(xiàn)在多采用低溫地板輻射采暖系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的散熱器采暖，低溫地板輻射采暖系統(tǒng)以其節(jié)能、舒適、衛(wèi)生、健康等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的散熱器采暖諸如能耗大、舒適性差、難于分戶計量、占用房間使用面積等問題，成為了越來越多的新建小區(qū)和居住人群采用的采暖方式。但低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的加熱盤管多為塑料管或鋁塑復合管，熱阻較大，如果采取相應措施減小熱阻，則有望降低低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的供水溫度，達到節(jié)能的目的，同時，也為太陽能、地熱能等熱水系統(tǒng)直接應用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)提供可能性［1－4］。

熱管以傳熱系數(shù)高、傳熱溫差小及無運動部件等優(yōu)點在建筑節(jié)能、動力、電子元器件的冷卻等方面得到了廣泛的應用，許多學者對此進行了深入的研究［5－8］。熱管是借助于工作介質的氣液相變進行傳熱，熱阻很小。因而熱管的導熱性能優(yōu)良，熱流密度高。且熱管運行過程中，內腔蒸汽處于飽和狀態(tài)。由于飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段產生的壓降很小，根據(jù)Clausuis －Clapeyron 方程式可得，其溫降亦很小，即在冷熱源兩端的溫差很小的情況下也可傳遞大量熱量［9－10］。熱管通過工質的相變進行換熱，因此熱量只能從熱管的蒸發(fā)段傳遞到冷凝段，因而具有優(yōu)良的熱二極管性?；跓峁芤陨系奶攸c來嘗試將熱管應用于低溫地板輻射供暖系統(tǒng)中。

1 工作原理

熱管是由工作介質的蒸發(fā)、冷凝和毛細管現(xiàn)象設計而成的，其基本結構如圖1 所示。

圖1 熱管基本結構示意圖

熱管主要由管殼、吸液芯和工作介質組成。一般選用甲醇、乙醇、水、氨、鈉、萘、水銀等物質作為其工作介質［11］。沿熱管長度方向依次為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。從外部加熱熱管的一端(蒸發(fā)段)，浸入吸液芯的液體從管壁吸熱后蒸發(fā)。隨著蒸發(fā)段中蒸汽壓力的升高，沿管長方向出現(xiàn)壓力差，使得蒸汽流向壓力和溫度較低的另一端(冷凝段)，放熱后重新凝結為液體。由于蒸發(fā)段的液體飽和度減小，依靠吸液芯的毛細管作用，產生了液體自補償，將冷凝的工作液抽吸或借助重力回流到蒸發(fā)區(qū)又再次蒸發(fā)，因此在密閉熱管內形成蒸發(fā)—凝結—液體回流的自動循環(huán)過程。

熱管用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)主要是利用熱管的工作原理，把地埋熱水管道作為熱源，地板層作為熱匯，用熱管將蒸發(fā)段和冷凝段分別與熱源和熱匯連接起來。即將熱管的蒸發(fā)段置于地埋熱水管道的內部，吸收熱水管道熱量，熱量沿熱管傳遞至冷凝段，在冷凝段釋放熱量，熱量傳遞給地板的填充層，熱管整體被埋設于地板的填充層之中。熱管用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)并未降低地埋熱水管道其自身的傳熱能力，而是相當于在原有傳熱能力的基礎上加了一些熱管翅片，這大大提高了地埋熱水管道與地板層之間的換熱量，為太陽能等低品位能源的熱水系統(tǒng)直接應用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)提供了可能性，并且為大管間距下低溫地板輻射采暖的傳熱的研究提供參考依據(jù)。

2 熱管結構

熱管內部主要靠工作液體的汽液相變傳熱，熱阻很小，因此具有很高的導熱能力。熱管傳遞熱量能力雖然很大，但是也不能無限地加大熱量。事實上有許多因素制約著熱管的工作能力。換言之，熱管的傳熱也存在著一系列的傳熱極限，如毛細極限、聲速極限、沸騰極限、攜帶極限、冷凝極限等，這些極限與熱管形狀、尺寸、工作介質、工作溫度等有關。只有合理的優(yōu)化熱管的形狀、結構和尺寸等參數(shù)，才能增大其傳熱能力。

由牛頓冷卻公式Q=hAΔt 可知，在表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 和溫差Δt 相同的情況下，增加熱管蒸發(fā)段與熱水管道的換熱面積可以增大系統(tǒng)的傳熱量。熱管按照結構形式劃分，有柱形熱管、平板熱管、環(huán)路熱管、分離式熱管和震蕩回路熱管等多種類型。張于峰教授采用將柱形熱管蒸發(fā)段置于水套內的方式對地板輻射供暖的特性進行研究［12］，其連接示意圖如圖2所示，但是此種連接方式存在這樣的缺點:為避免蒸發(fā)段液體燒干，產生“干涸極限”現(xiàn)象，熱管冷凝段的長度是蒸發(fā)段的幾倍，迫使熱管的長度增加，使熱管內工質的流動阻力增加，不利于冷凝液體的回流。為了解決為增加蒸發(fā)段換熱量需要增加蒸發(fā)段的長度，同時需要增加冷凝段的長度，使熱管長度增加與熱管長度過大會增加地板層厚度，導致房間凈高降低之間的矛盾，只有增大冷凝段換熱面積，才能避免產生“干涸極限”現(xiàn)象。為增大蒸發(fā)段與熱水管道的換熱面積可以采用環(huán)形腔套管式熱管。依據(jù)《地板輻射供暖技術規(guī)程》［13］，地埋管的最大公稱外徑為25 mm，所以該熱管環(huán)形腔的外徑不大于20 mm。

圖2 采用水套的熱管連接示意圖

隨著建筑外保溫等技術的進步，按目前規(guī)范要求完成的設計，在運行中常出現(xiàn)房間過熱現(xiàn)象。李安桂教授等人經(jīng)過對400 mm、500 mm 加熱管敷設間距進行室內溫度場模擬，認為400 mm 以上的管間距在現(xiàn)有工程條件下不能滿足室內熱環(huán)境的要求，即在400 mm 以內的加熱管道可以滿足熱量要求［14］。郭思宇教授在進行大管間距下地板輻射采暖的傳熱特性研究中，從滿足熱舒適性方面考慮，當?shù)孛娌牧蠈嵯禂?shù)大，采用大管間距敷設，其散熱量可以滿足房間熱負荷的要求［15］。綜上，本文將介紹一種應用于低溫地板輻射采暖系統(tǒng)的新型熱管。

3 新型熱管

新型氣液分離兩翼式熱管的結構如圖3、圖4所示。新型氣液分離兩翼式熱管的工作原理如下:為了增大熱管與地埋管的換熱面積，蒸發(fā)段采用環(huán)形腔式，熱管環(huán)形腔置于地埋管的內部進行換熱，且熱管環(huán)形腔的管徑不宜大于20 mm，地埋熱水管道與環(huán)形腔蒸發(fā)段的內外壁換熱，對蒸發(fā)段內的液體工質進行加熱，液體工質受熱發(fā)生相變成為氣體，氣體工質在壓差的作用下沿兩翼的氣體管道分別進入冷凝段圓形扁平腔內，圓形扁平腔位于地板填充層內部，溫度較低，氣體工質釋放熱量，冷凝為液體，分別沿液體通道重新回到蒸發(fā)段的環(huán)形腔內，如此循環(huán)把熱量傳遞到兩翼的地板填充層。新型熱管的兩翼大大提高了供暖區(qū)域的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能。新型熱管在結構上具有對稱性，其氣體通道一端與蒸發(fā)段的環(huán)形腔上端相切，保證氣體能夠順利進入氣體通道內，另一端與冷凝段上端連接，防止冷凝液體進入氣體通道形成液塞;液體通道的一端與蒸發(fā)段環(huán)形腔的下端相連，防止蒸氣進入液體通道而形成氣塞，另一端連接冷凝段的下端，使液體工質能夠順利回到蒸發(fā)段。這樣有效地實現(xiàn)了熱管內部氣相和液相的分離，增加了蒸發(fā)段和冷凝段的換熱面積，提高了熱管的傳熱量。

圖3 氣液分離兩翼式熱管示意圖

圖4 氣液分離兩翼式熱管A－A 剖面圖

新型兩翼式熱管具有以下特點:

(1)新型熱管可完全依靠重力傳遞熱量，無需吸液芯，成本低。

(2)蒸發(fā)段環(huán)形腔置于熱水管道內部，環(huán)形腔的內外壁面直接與熱水接觸，增加了蒸發(fā)段的換熱面積，且熱水可以在環(huán)形腔外順利流動，減少了流動的局部阻力損失。

(3)兩側氣體管道出口的高速氣流增大了冷凝段腔體上壁面的液膜的擾動，對液膜結構造成破壞，強化冷凝段的對流換熱。

(4)氣相工質和液相工質在各自的通道獨立流動，減小了相互干擾而產生的流動阻力，同時，避免了“攜帶極限”現(xiàn)象的發(fā)生;冷凝段換熱面積大，能夠使進入冷凝段的氣體工質快速地冷卻，避免冷凝液體不能有效地回流而引起蒸發(fā)段液體工質被“燒干”的現(xiàn)象;為了防止因腔體內壓力低而出現(xiàn)腔體被壓扁的情況發(fā)生，設置加強筋可有效地起支撐作用，同時，便于液體工質回流。

(5)新型氣液分離兩翼式熱管的兩翼大大增加了供熱的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能，這樣不僅排列整齊、美觀，而且還可以節(jié)省建材。

(6)由于熱管內的工質與管殼材料會發(fā)生電化學反應，產生不凝性氣體，不凝性氣體積聚于冷凝段，使得有效換熱面積減少，導致熱管的性能惡化，傳熱能力降低;另外熱水與熱管的環(huán)形腔長期直接接觸，而殼體的厚度較小，容易對管殼材料造成腐蝕，使材質強度降低、熱阻增加，嚴重時造成管殼腐蝕穿孔，使熱管失效，熱管內的工質流出，地埋管內的熱水水質受到影響。因此，需要提高熱管的加工工藝和技術，生產出性能高、壽命長的熱管，使熱管的壽命周期與地板輻射供暖系統(tǒng)的使用壽命相當。

4 結語

本文對傳統(tǒng)熱管用于低溫地板輻射供暖系統(tǒng)進行了分析，提出了一種新型的氣液分離兩翼式熱管，該熱管的氣相工質和液相工質在相互獨立流動，減小了相互干擾而產生的流動阻力，避免了熱管的傳熱極限，如攜帶極限、干涸極限等，并且增大了蒸發(fā)段和冷凝段換熱面積，使熱水管道與地板層的換熱量顯著增加，有效地降低冬季室內供暖的供水溫度，達到節(jié)能目的，同時，新型熱管的兩翼大大增加了供熱的面積，使大間距下地板輻射采暖成為可能，

也為太陽能、地熱能、生物質能等可再生能源應用于低溫輻射供暖系統(tǒng)的研究奠定了基礎。

由于國內外對熱管應用于低溫輻射供暖的研究文獻較少，缺乏詳細的理論研究和實驗數(shù)據(jù)資料，對于如何更好地提高熱管與地板的換熱能力、延長熱管的使用年限、避免熱管內的工質與管殼的電化學反應以及開發(fā)適用于低溫地板輻射供暖的新型熱管，還需要大量的研究工作。

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