气液分离两翼式热管用于辐射采暖的特性分析

赵建会，王登山，张金明

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

随着人们居住条件的不断改善，对室内采暖提出了新的要求。现在多采用低温地板辐射采暖系统来代替传统的散热器采暖，低温地板辐射采暖系统以其节能、舒适、卫生、健康等优点，克服了传统的散热器采暖诸如能耗大、舒适性差、难于分户计量、占用房间使用面积等问题，成为了越来越多的新建小区和居住人群采用的采暖方式。但低温地板辐射采暖系统的加热盘管多为塑料管或铝塑复合管，热阻较大，如果采取相应措施减小热阻，则有望降低低温地板辐射采暖系统的供水温度，达到节能的目的，同时，也为太阳能、地热能等热水系统直接应用于低温地板辐射采暖系统提供可能性［1－4］。

热管以传热系数高、传热温差小及无运动部件等优点在建筑节能、动力、电子元器件的冷却等方面得到了广泛的应用，许多学者对此进行了深入的研究［5－8］。热管是借助于工作介质的气液相变进行传热，热阻很小。因而热管的导热性能优良，热流密度高。且热管运行过程中，内腔蒸汽处于饱和状态。由于饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段产生的压降很小，根据Clausuis －Clapeyron 方程式可得，其温降亦很小，即在冷热源两端的温差很小的情况下也可传递大量热量［9－10］。热管通过工质的相变进行换热，因此热量只能从热管的蒸发段传递到冷凝段，因而具有优良的热二极管性。基于热管以上的特点来尝试将热管应用于低温地板辐射供暖系统中。

1 工作原理

热管是由工作介质的蒸发、冷凝和毛细管现象设计而成的，其基本结构如图1 所示。

图1 热管基本结构示意图

热管主要由管壳、吸液芯和工作介质组成。一般选用甲醇、乙醇、水、氨、钠、萘、水银等物质作为其工作介质［11］。沿热管长度方向依次为蒸发段、绝热段和冷凝段。从外部加热热管的一端(蒸发段)，浸入吸液芯的液体从管壁吸热后蒸发。随着蒸发段中蒸汽压力的升高，沿管长方向出现压力差，使得蒸汽流向压力和温度较低的另一端(冷凝段)，放热后重新凝结为液体。由于蒸发段的液体饱和度减小，依靠吸液芯的毛细管作用，产生了液体自补偿，将冷凝的工作液抽吸或借助重力回流到蒸发区又再次蒸发，因此在密闭热管内形成蒸发—凝结—液体回流的自动循环过程。

热管用于低温地板辐射采暖系统主要是利用热管的工作原理，把地埋热水管道作为热源，地板层作为热汇，用热管将蒸发段和冷凝段分别与热源和热汇连接起来。即将热管的蒸发段置于地埋热水管道的内部，吸收热水管道热量，热量沿热管传递至冷凝段，在冷凝段释放热量，热量传递给地板的填充层，热管整体被埋设于地板的填充层之中。热管用于低温地板辐射采暖系统并未降低地埋热水管道其自身的传热能力，而是相当于在原有传热能力的基础上加了一些热管翅片，这大大提高了地埋热水管道与地板层之间的换热量，为太阳能等低品位能源的热水系统直接应用于低温地板辐射采暖系统提供了可能性，并且为大管间距下低温地板辐射采暖的传热的研究提供参考依据。

2 热管结构

热管内部主要靠工作液体的汽液相变传热，热阻很小，因此具有很高的导热能力。热管传递热量能力虽然很大，但是也不能无限地加大热量。事实上有许多因素制约着热管的工作能力。换言之，热管的传热也存在着一系列的传热极限，如毛细极限、声速极限、沸腾极限、携带极限、冷凝极限等，这些极限与热管形状、尺寸、工作介质、工作温度等有关。只有合理的优化热管的形状、结构和尺寸等参数，才能增大其传热能力。

由牛顿冷却公式Q=hAΔt 可知，在表面传热系数h 和温差Δt 相同的情况下，增加热管蒸发段与热水管道的换热面积可以增大系统的传热量。热管按照结构形式划分，有柱形热管、平板热管、环路热管、分离式热管和震荡回路热管等多种类型。张于峰教授采用将柱形热管蒸发段置于水套内的方式对地板辐射供暖的特性进行研究［12］，其连接示意图如图2所示，但是此种连接方式存在这样的缺点:为避免蒸发段液体烧干，产生“干涸极限”现象，热管冷凝段的长度是蒸发段的几倍，迫使热管的长度增加，使热管内工质的流动阻力增加，不利于冷凝液体的回流。为了解决为增加蒸发段换热量需要增加蒸发段的长度，同时需要增加冷凝段的长度，使热管长度增加与热管长度过大会增加地板层厚度，导致房间净高降低之间的矛盾，只有增大冷凝段换热面积，才能避免产生“干涸极限”现象。为增大蒸发段与热水管道的换热面积可以采用环形腔套管式热管。依据《地板辐射供暖技术规程》［13］，地埋管的最大公称外径为25 mm，所以该热管环形腔的外径不大于20 mm。

图2 采用水套的热管连接示意图

随着建筑外保温等技术的进步，按目前规范要求完成的设计，在运行中常出现房间过热现象。李安桂教授等人经过对400 mm、500 mm 加热管敷设间距进行室内温度场模拟，认为400 mm 以上的管间距在现有工程条件下不能满足室内热环境的要求，即在400 mm 以内的加热管道可以满足热量要求［14］。郭思宇教授在进行大管间距下地板辐射采暖的传热特性研究中，从满足热舒适性方面考虑，当地面材料导热系数大，采用大管间距敷设，其散热量可以满足房间热负荷的要求［15］。综上，本文将介绍一种应用于低温地板辐射采暖系统的新型热管。

3 新型热管

新型气液分离两翼式热管的结构如图3、图4所示。新型气液分离两翼式热管的工作原理如下:为了增大热管与地埋管的换热面积，蒸发段采用环形腔式，热管环形腔置于地埋管的内部进行换热，且热管环形腔的管径不宜大于20 mm，地埋热水管道与环形腔蒸发段的内外壁换热，对蒸发段内的液体工质进行加热，液体工质受热发生相变成为气体，气体工质在压差的作用下沿两翼的气体管道分别进入冷凝段圆形扁平腔内，圆形扁平腔位于地板填充层内部，温度较低，气体工质释放热量，冷凝为液体，分别沿液体通道重新回到蒸发段的环形腔内，如此循环把热量传递到两翼的地板填充层。新型热管的两翼大大提高了供暖区域的面积，使大间距下地板辐射采暖成为可能。新型热管在结构上具有对称性，其气体通道一端与蒸发段的环形腔上端相切，保证气体能够顺利进入气体通道内，另一端与冷凝段上端连接，防止冷凝液体进入气体通道形成液塞;液体通道的一端与蒸发段环形腔的下端相连，防止蒸气进入液体通道而形成气塞，另一端连接冷凝段的下端，使液体工质能够顺利回到蒸发段。这样有效地实现了热管内部气相和液相的分离，增加了蒸发段和冷凝段的换热面积，提高了热管的传热量。

图3 气液分离两翼式热管示意图

图4 气液分离两翼式热管A－A 剖面图

新型两翼式热管具有以下特点:

(1)新型热管可完全依靠重力传递热量，无需吸液芯，成本低。

(2)蒸发段环形腔置于热水管道内部，环形腔的内外壁面直接与热水接触，增加了蒸发段的换热面积，且热水可以在环形腔外顺利流动，减少了流动的局部阻力损失。

(3)两侧气体管道出口的高速气流增大了冷凝段腔体上壁面的液膜的扰动，对液膜结构造成破坏，强化冷凝段的对流换热。

(4)气相工质和液相工质在各自的通道独立流动，减小了相互干扰而产生的流动阻力，同时，避免了“携带极限”现象的发生;冷凝段换热面积大，能够使进入冷凝段的气体工质快速地冷却，避免冷凝液体不能有效地回流而引起蒸发段液体工质被“烧干”的现象;为了防止因腔体内压力低而出现腔体被压扁的情况发生，设置加强筋可有效地起支撑作用，同时，便于液体工质回流。

(5)新型气液分离两翼式热管的两翼大大增加了供热的面积，使大间距下地板辐射采暖成为可能，这样不仅排列整齐、美观，而且还可以节省建材。

(6)由于热管内的工质与管壳材料会发生电化学反应，产生不凝性气体，不凝性气体积聚于冷凝段，使得有效换热面积减少，导致热管的性能恶化，传热能力降低;另外热水与热管的环形腔长期直接接触，而壳体的厚度较小，容易对管壳材料造成腐蚀，使材质强度降低、热阻增加，严重时造成管壳腐蚀穿孔，使热管失效，热管内的工质流出，地埋管内的热水水质受到影响。因此，需要提高热管的加工工艺和技术，生产出性能高、寿命长的热管，使热管的寿命周期与地板辐射供暖系统的使用寿命相当。

4 结语

本文对传统热管用于低温地板辐射供暖系统进行了分析，提出了一种新型的气液分离两翼式热管，该热管的气相工质和液相工质在相互独立流动，减小了相互干扰而产生的流动阻力，避免了热管的传热极限，如携带极限、干涸极限等，并且增大了蒸发段和冷凝段换热面积，使热水管道与地板层的换热量显著增加，有效地降低冬季室内供暖的供水温度，达到节能目的，同时，新型热管的两翼大大增加了供热的面积，使大间距下地板辐射采暖成为可能，

也为太阳能、地热能、生物质能等可再生能源应用于低温辐射供暖系统的研究奠定了基础。

由于国内外对热管应用于低温辐射供暖的研究文献较少，缺乏详细的理论研究和实验数据资料，对于如何更好地提高热管与地板的换热能力、延长热管的使用年限、避免热管内的工质与管壳的电化学反应以及开发适用于低温地板辐射供暖的新型热管，还需要大量的研究工作。

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