新疆典型自然气候条件下热管的应用研究

宋磊　黄龙　彭鑫建　朱雅琦　努尔夏提·阿布来克木

摘  要：文章以气-气热管换热器为研究对象，通过改变外界条件如温度、湿度来获得对热管传热系数K的影响，以控制变量法分析试验结果，表明外界温度越高，传热性能越差;湿度越大，传热性能越好。

关键词：气-气热管;传热系数;新疆特殊气候

中图分类号：TK172         文献标志码：A         文章编号：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

气-气热管应用于新疆的特殊气候下，其传热系数的性能变化尚不明确。例如，流经热管的冷、热流体的物性如密度、温度、湿度、流体的流速、环境的辐射等，都会对热管的性能指标的传热系数K产生极大的影响。特别是自然环境下，上述因素的变化幅度较大，对热管应用的效果影响也很大，尤其是新疆有自己独特的气候特点：气候干燥、早晚温差变化大、白天辐射较强等等，多种因素综合影响，使得热管的性能大为改变。本文以气-气热管的传热系数为研究对象，通过实验测量新疆一年四季典型气候条件下热管的传热系数，分析环境因素变化对热管性能的影响，为热管在新疆的应用提供数据依据[1-4]。

2 热管及实验条件

实验采用重力型气-气热管换热器，其冷端暴露于自然环境中，热段由试验装置人为控制（恒定不变）。实验中采用的是建大仁科的温度变送器型号为0608091，设备精度为0.1℃，当设定程序后，仪器能长时间测量和储存温度和湿度[5]。

试验中，热管垂直放置，热端温度、冷热端压差都不变的情况下，测试了新疆典型环境下一天不同时间段的热管传热系数，采取的数据是从北京时间8点测量至北京时间20点，期间每30分钟测量一次，一次测三组数据，最后的结果取算术平均值。

3 三种新疆典型气候的数据分析

3.1 雨雪环境下的热管传热系数

通过试验得出新疆雨雪环境下的热管传热系数曲线图，如图1所示。

3.2 风沙环境下的热管热传系数

通过图2可以发现热管的传热性能在风沙天气一天中呈现先下降后上升的趋势，其曲线图与雨雪环境下的类似。

3.3 干热环境下的热管热传系数

通过图3，可以明显看出干热环境下热管的传热系数要远低于雨雪环境和风沙环境热管传热系数，干热环境中气温十分高，同时夏天太阳直射，再有夏天的环境中风量较小，这便会弱化传热。

4 结论

试验中，还同时测量了一天中不同时段空气的温度和湿度变化（因篇幅未列出）。通过观察不同环境下的热管热传系数曲线可以得出，在雨雪时热管的传热性能最好，风沙环境的热管传热系数与雨雪时大致相似，干热环境下的传热性能最差，在分析试验数据之后可总结如下：

（1）新疆乌鲁木齐冬天湿度偏大，湿度平均值在75%。湿度的增加可以强化换热，湿度越大就能在热管换热器表明形成一层液膜，液膜能与管壁形成对流并蒸发相变强化了传热性能，大量数据分析出在冬天是传热性能最佳。

（2）冬天通过比较同一天在不同时间段下的传热系数可以发现早晚的传热系数与中午相较要大20%，分析发现新疆不仅昼夜温差大，而且不同时间段的湿度差异也大，早晚的湿度平均值80%，这强化了换热性能，而中午的湿度大致在50%，湿度差异为30%附近浮动，导致中午的传热性能较差一些。通过数据比较，在冬天寒冷情况下早晚的热管传热性能要比同一天中午时间段下的传热性能强20%。

（3）风沙天气下所测量出的少部分数据与雨雪天气下的相对比几乎没有差异，原因在于所测量所有風沙环境均在冬天，即雨雪环境。而风沙环境均伴随着小雨或小雪，大致得出风沙环境下热管传热性能即可等同于雨雪环境下的热管传热性能。

（4）干热环境下所采集的数据均为6月份乌鲁木齐自然环境，同雨雪环境和风沙环境相比，传热性能要弱上40%，分析数据大致得出在夏天时温度十分高，夏天风通常是间歇性且风速较小，同时夏天干热下湿度极低，只有30%～35%，这极大影响了热管的传热性能，同时环境温度过高与蒸发端温度差距较小，使得传热过程弱化，相较于雨雪环境下的热管热传系数要低45%，传热性能最弱。

（5）分析在干热环境下同一天不同时间段热管的传热系数可得出，新疆典型气候下早上与晚上的平均温度在15℃至20℃，正午在35℃附近，早晚的空气湿度在50%左右，正午下的空气湿度只有30%，对比数据得出干热环境下早晚的热管传热性能是强于正午时热管传热性能在30%。

参考文献：

[1]迟广舟，陈宝明，郝文兰.管内填充多孔介质强化换热的数值研究[J].节能，2010，29（12）：17-20+2.

[2]朱孟帅，邱剑涛，陈赢.强化换热方法在换热器中的应用研究[J].能源与节能，2020（02）：58-61+90.

[3]高旭娜，袁建刚，丁琪，等.一种振荡热管换热器热性能的研究[J].热能动力工程，2019，34（12）：99-108.

[4]高贺轩.热管换热器结构优化研究[J].西部皮革，2018，40（24）：38.

[5]勒智平，等.热能动力工程实验[M].北京：中国电力出版社，2011.