空調系統(tǒng)用熱管熱回收裝置的設計與開發(fā)

1、2010年第3期(總第38卷第229期)建筑節(jié)能暖通與設備HEATINGVENTILATION&EQUIPMENT空調系統(tǒng)用熱管熱回收裝置的設計與開發(fā)*2朱彩霞1，鐵占續(xù)1，董向元2(1.河南理工大學，河南焦作450082；2.中原工學院，鄭州450007)摘要：不同使用條件需要不同結構的熱管熱回收裝置，為了設計開發(fā)出適用于空調系統(tǒng)使用的高效熱管熱回收裝置，針對熱管熱回收裝置的工作原理、特點、種類、結構形式、材料、工質等內容進行分析，并從技術、經濟出發(fā)，采用了銅制熱管、鋁制翅片、正三角形錯排、整體平板翅片換熱器技術，制造加工出空調系統(tǒng)用高效、傾斜、重力熱管熱回收裝置，并進行了加壓檢漏試

2、驗。關鍵詞：空調系統(tǒng)；熱管；熱管熱回收裝置；設計與開發(fā)中圖分類號：TU831文獻標志碼：A文章編號：1673-7237(2010)03-0023-04DesignandDevelopmentofHeatPipeHeatRecoveryFacilityinAir-conditioningSystemZHUCai-xia1,2,TIEZhan-xu1,DONGXiang-yuan2(1.HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo450082,Henan,China;2.ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,Chin

3、a)Abstract:Variedstructuralstylesofheatpipeheatrecoveryfacilityarerequiredfordifferentservicecondition.Andtheworkingprinciple,characteristic,assorting,structuralstyles,materials,mediatorandsoonareanalyzedforheatpipeheatrecoveryfacilityinordertodesignanddeveloptheeffectiveheatpipeheatrecoveryfacility

4、inair-conditioningsystem.Accordingtothetechnologyandeconomyanalysis,Cuheatpipe,Alfin,regulartrianglestaggeredarrangement,integralityflatplateexchangetechnologyareadopted,theheatpipeheatrecoveryfacilityofeffective,declivityandgravitationinair-conditioningsystemisproduced，andthecompressionleakexperime

5、ntisfinished.Keywords:air-conditioningsystem；heatpipe；heatpipeheatrecoveryfacility；designanddevelopment0引言隨著社會經濟發(fā)展，建筑能耗占社會總能耗比例建筑能耗占總能耗的30%越來越大。在發(fā)達國家，40%，其中暖通空調能耗占建筑能耗的65%。我國建其中采暖空調的能耗占筑能耗占社會總消耗的40%，建筑總能耗的50%65%1。同時人們對居住環(huán)境的空氣品質(IAQ)的關注，勢必會加大新風系統(tǒng)能耗。目前，新風能耗約為空調系統(tǒng)總能耗的25%30%。因此，研究空調系統(tǒng)的熱回收技術對降低建筑能耗、緩解能源危

6、機具有重要意義。熱管換熱技術具有優(yōu)良的熱傳導性能、高的可靠性、二次間壁換熱、避免冷熱流體相互污染、熱響應快、啟動時間短、熱流密度可調節(jié)等常規(guī)換熱技術所不具備的優(yōu)越性能，近年來被采用到空調熱回收系統(tǒng)中的研究得到了很大地發(fā)展2。但從已有文獻來看，國內研究大都集中在熱管的工作原理、工作特性、傳熱機理等方面，同時由于熱管結構形式和運行條件千差萬別，熱管的應用不能簡單地套用，本文通過對熱管工作原理、特點、種類、結構形式、材料、工質等內容進行分析，設計開發(fā)出適用于空調系統(tǒng)的高效熱管熱回收裝置，為項目順利開展提供必需的試驗設備，同時為空調系統(tǒng)用高效熱管熱回收裝置產品系列化及推收稿日期：2010-01-25；

7、修回日期：2010-02-03*基金項目：河南省科技攻關項目(0521260022)廣應用提供樣機。1熱管工作原理、特點熱管是一種借助工質的相變進行熱傳遞的換熱元件。通常由管殼、吸液芯和蓋端組成。管殼可由金屬制成，兩端封有端蓋，管殼內壁可裝有吸液芯，將管內抽成負壓后充以適量的工作液體后加以密封。熱管的一端為蒸發(fā)段(加熱段)，中間可布置有絕熱段，另一端為冷凝段。典型的熱管結構3如圖1所示。圖1熱管結構原理圖Fig.1Heatpipestructuralparameterpattern熱管工作原理是在熱管的加熱段加熱，熱管中的工作液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在微小的壓差下流向冷凝段放出熱量凝結成液體，液態(tài)工

8、質在回流驅動力作用下又返回蒸發(fā)段，繼續(xù)蒸發(fā)吸熱。如此循環(huán)往復，把熱量源源不斷地從加熱段傳遞到冷卻段3。以熱管為傳熱單元的熱管換熱器同常規(guī)換熱器23相比，具有一些獨特優(yōu)點4，主要表現在：(1)傳熱效率高，熱管換熱器是以熱管本體為傳熱單元，具有很高的導熱性，強化了傳熱；(2)熱管內部是基于相變原理工作的，熱響應快，傳熱量大，啟動時間短；(3)熱管的熱力循環(huán)是在一個獨立元件中完成的，沒有附加外部力；(4)等溫性能好，管壁溫度可調，可在較小的熱氣流溫差驅動下進行外部熱交換；(5)熱管換熱器的體積小、質量輕，單位質量換熱量大，這些特點客觀上能滿足空調回收能量中的氣一氣熱交換的要求。2熱管熱回收裝置類型分

9、析及選擇凝結液的回流驅動力有重力、吸液芯毛細抽吸力、還有重力加毛細抽吸力、離心力、滲透壓力等，據此將熱管分為以下類型3：(1)吸液芯熱管：依靠毛細抽吸力(表面張力)回流工作液，它在宇航事業(yè)的應用中非常成功；(2)重力熱管(或稱兩相閉式熱虹吸管)：依靠重力回流工作液，殼體內壁不裝設吸液芯層。凝結液從凝結段回流到蒸發(fā)段不是依靠吸液芯所產生的毛細力，它在地面的各種應用中而是依靠凝結液自身的重力。一般被優(yōu)先考慮采用；(3)重力輔助熱管：依靠毛細抽吸力加上重力回流工作液，同樣也要求凝結段置于蒸發(fā)段的上方；(4)旋轉熱管：依靠離心力回流工作液體，通常用在轉動設備上。除此之外尚有依靠極化電流體動力學力、滲透

10、壓力等回流冷凝液的熱管，它們一般在特殊場合下才得到應用。其中，二相閉式熱虹吸管又稱重力熱管，其原理與普通熱管不同的是熱管管內沒有吸圖如圖2所示，液芯，冷凝液從冷凝段返回到蒸發(fā)段不是靠吸液芯所產生的毛細力，而是靠冷凝液自身的重力，由于重力熱管內沒有吸液芯這一重要特點，所以和普通熱管相比，不僅結構簡單、制造方便、成本低廉，而且傳熱性工作可靠，因此，在地面上的各類傳熱設備中能優(yōu)良、都可作為高效傳熱元件，其應用領域也與日俱增，已在各行各業(yè)的熱能綜合利用和余熱回收技術中，發(fā)揮了巨大的作用?；谝陨蟽?yōu)點，空調用熱管熱回收裝置擬采用重力熱管作為熱回收裝置的基本傳熱部件。Q輸出蒸發(fā)段系統(tǒng)來說，熱管換熱器應屬于

11、氣氣式4。從熱管換熱器結構型式來看，工業(yè)用熱管換熱器分離式、回轉式和組合式。又可分為整體式、整體式熱管換熱器是由許多單根同一類型的熱管組成的，熱管外側覆蓋翅片，熱管數量的多少取決它最于換熱量的大小。根據熱管換熱器的傳熱特點，適宜于氣氣之間的換熱。因為它在冷、熱段均可加翅片來擴展傳熱面積，大大提高以管基為基準的傳熱此時只需在煙氣側系數。它也可作為氣液換熱器，加翅片，以增強傳熱，但是，對液液之間的換熱，熱管換熱器并不能顯示出它的優(yōu)點。分離式熱管換熱器的蒸發(fā)段和冷凝段相互分開，蒸汽上升管和冷凝液下降管將二者連接成一個循環(huán)回路。其循環(huán)動力為下降管系統(tǒng)(包括冷凝段)與上升管系統(tǒng)(包括蒸發(fā)段)中工作介質的

12、密度差，當冷凝段與蒸發(fā)段的高度差大于最小高度差時，即可實現工質的循環(huán)。由于分離式熱管換熱器將冷熱源的位置分開，有利于新排風的管路設計?；剞D式熱管換熱器有2個顯著優(yōu)點：借助轉動的離心力來實現工作液體循環(huán)，同時轉動促使氣流的攪動，增強傳熱，這對含塵較多的氣體更為有效；這回轉式熱管換熱器可分類換熱器兼有送風機的功能。為離心式、軸流式和渦流式。組合式熱管換熱器則是根據換熱器中所處的溫度段不同，而選擇充有不同工作液體的熱管。將熱管分為高溫、中溫及低溫段，適用于溫度跨度大的場合?；剞D式熱管換熱器由于增加了轉動機構，故結構復雜，另外還增加了動力消耗。而分離式熱管換熱器的結構同樣比較復雜，并且它的蒸發(fā)段與冷凝

13、段的位排風管連置固定，因此，如何將其與空調系統(tǒng)的新風、接以實現全年工況下的排風能量回收是其要解決的主要問題5。通過以上分析比較得知，整體式換熱器結構簡單，熱管采用重力熱管，通過在熱管換熱器端部設置支架，調節(jié)熱管的傾斜方向，能方便的實現全年工況下的空調排風能量回收，因此，空調系統(tǒng)熱回收裝置主要采用以重力熱管作為主要的換熱部件的整體式換熱器。3結構設計熱管熱回收裝置結構，如圖3。本次設計開發(fā)的冷凝段Q輸入圖2重力熱管原理簡圖按照冷、熱流體的狀態(tài)，熱管換熱器可分為氣氣式、氣液式、液液式、液氣式。對于通風空調24圖3熱管式空調熱回收裝置Fig.3Theheatpipeheatrecoveryfacil

14、ityinair-conditioningsystem熱管熱回收裝置共由熱管、外殼、翅片3部分組成；而熱管包含蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段3部分。由于熱管采用重力回流，冷凝段應高于蒸發(fā)段，熱管安裝時應保持一定傾角，保證滿足熱回收的工質能有效回流。熱管的外側流動的介質是空氣，為了提高其傳熱系數，在空氣側需要布置翅片，翅片應與熱管連接成一體，保持連接性能良好和較小的換熱熱阻，換熱性能好。4材料選擇3熱管外殼的作用是把工質與外界隔開，因此，要具有防漏、耐壓的功能，并能向工質傳熱以及把工質的熱量傳出，且價廉易得。按照對殼體的要求：(1)與工質有良好的化學相容性，以免產生不凝結氣體和腐蝕，影響熱管的傳熱；(2

15、)熱導率高；(3)承壓性能好，機械強度高，易于機械加工；(4)與工質有良好的浸潤性?？紤]到與熱管工質的相容性，本項目研究采用銅考慮到鋁管作為空調熱回收裝置中熱管的外殼材料。結構緊湊、輕巧、適應性范圍廣等特具有傳熱效率高、性，選擇鋁制翅片。但由于鋁可以和水反應生成不凝性氣體，故鋁制板翅均需經氧化處理。熱回收裝置的外殼部分則采用鋼板焊接制作。5熱管工質選擇熱管工質選擇一般考慮以下原則5：(1)工作液體應適應熱管的工作溫度區(qū)，并有適當表1的飽和蒸汽壓；(2)工作液體與殼體、吸液芯材料應相容，且應具有良好的熱穩(wěn)定性；(3)工作液體應具有良好的綜合熱物理性質,要求熱導因子較高，還要考慮液體在工液體的輸運

16、因子、作溫度下的過熱度；(4)其他原則包括經濟性、毒性、環(huán)境污染等。熱管工質的選擇主要取決于熱管的工作溫度：TV=(T1+nT2)/(1+n)(1)式中：TV為熱管工作溫度，；T1為熱管蒸發(fā)段管外流體的溫度，；T2為熱管冷凝段管外流體的溫度，；n為熱管換熱修正系數，由于是氣氣型熱管換熱器，且由于兩側流體和管長接近，n的取值為1。以鄭州地區(qū)為例，夏季室外空調計算空氣干球溫度為35.6；空調回風空氣干球溫度為26，根據公式(1)可確定熱管管內工作溫度TV為3035。按R-134a、R-22、乙醇、各種工質的工作溫度范圍來看，甲醇、丙酮、水都是可選的工質。但是，在這個區(qū)域內，R-134a和R-22飽

17、和壓力跨度太大，因此，這里不選用。水具有很高的輸運因子和熱導因子，但一般不建議在近室溫條件下采用水作為工質，因為飽和蒸汽壓太小，氣流非常稀薄，傳熱容易受聲速極限的制約；另外，這種溫度條件下，水的過熱度太大，傳熱易受沸最終確定選擇丙騰極限制約。甲醇具有一定的毒性，酮作為熱管工質。其主要熱物理參數見表1。丙酮主要熱物理參數Tab.1ChiefthermalparameterofAcetone工質丙酮正常沸點/56.25相容殼體材料鋁、銅、不銹鋼飽和壓力/Pa200.27×105400.60×105輸運因子/(W/m2)2031.997×1064032.442×

18、;106熱導因子/W/(m3·K)205.791×106405.667×1066熱管熱回收裝置的設計與開發(fā)66.1管外徑的選擇采用小直徑熱管可以降低熱管換熱器的成本，提高其緊湊性，同時，較小的管徑將導致較高的流動阻力和削弱熱管的傳熱能力。國家標準7對無管芯重力熱管鋁管材的管徑和壁厚規(guī)格有相應的規(guī)定，如表2所示。因此，管外徑應鎖定在中等管徑的范圍內8。6.2翅片參數的選擇熱管兩端冷熱氣流都是氣態(tài)，因此，冷凝段和蒸發(fā)段都需設置翅片，根據加工工藝要求選擇合適的翅片參數。6.3熱管冷、熱兩側長度的選擇應用于空調系統(tǒng)的低溫熱管換熱器的冷、熱段流體均為空氣，而且流量大致相等，

19、因此，該熱管換熱器內的熱管冷、熱兩側長度比選擇1：19。6.4管子排列方式的選擇除了阻力損失要求比較苛刻的條件下，應該先考慮叉排方式10。叉排時的對流換熱系數較順排時高，積灰情況較順排時好，但摩擦因數也比順排時高。因此，低溫熱管換熱器設計時熱管排列方式選用叉排。6.5管間距的選擇對于叉排管束，增加橫向管間距，換熱的增強并但縱向管間距的減小卻引起換熱不顯著(約為3%)，管束壓力將隨著管間距的增的明顯增加(約為20%)，加而減小10。故可根據工程實際的要求適當選取較小的管間距。6.6橫向管排數的確定根據熱管換熱器的設計原則和工程實際要求即可確定橫向管排數。表2熱管外形尺寸(mm)Tab.2Thea

20、ppearancedimensionofheatpipe(Unit:mm)管外徑壁厚根據以上要求，考慮到實際狀況以及加工成本，熱管熱回收裝置采用熱管外徑為16mm的銅管，熱管排列采用正三角形錯排方式；翅片為鋁翅片，并采25用整體平板翅片換熱器技術?？照{系統(tǒng)用熱管換熱器外型尺寸取決于處理風量，而處理風量根據空調系統(tǒng)的排風量確定；為了便于分析，設定熱管換熱器新風、排風量均為450m3/h。依據上述分析和設計條件，可得出熱管換熱器結構設計參數，如表3、4所示。表3管外擴展表面具體參數(mm)Tab.3Thedetailparameterofheatpipeexpansionsurface(Unit:

21、mm)光管內徑15.3表4光管外徑16翅片厚度0.3翅片間距2.5統(tǒng)作檢漏試驗。根據設計參數及制作步驟過程，加工制作的空調系統(tǒng)用熱管式換熱器回收裝置如圖4所示。熱管換熱器結構設計參數圖4空調系統(tǒng)用熱管式熱回收裝置Fig.4Theheatrecoveryfacilitywithheatpipeinair-conditioningsystemTab.4Thestructuraldesignparameterofheatexchangerwithheatpipe名稱熱管外徑/熱管壁厚/蒸發(fā)段有效長度冷凝段有效長度橫向管間距橫向排數縱向管間距縱向每排根數總熱管數長換熱器外形尺寸寬高單位mmmmmmmm

22、mmmm根根mmmmmm7結論(1)空調系統(tǒng)用高效熱管式熱回收裝置可采用重力熱管作為熱回收裝置的換熱基本部件；(2)熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段3部分組成，絕熱段應用保溫材料保溫密封，以避免送風側和排風側空氣相互干擾；(3)采用了整體翅片換熱技術，保證了連接性能良好和較小的換熱熱阻，換熱性能較好，同時使熱管的結構更加緊湊，從而簡化了設計和制作過程；(4)試驗中采用了加壓檢漏手段，用真空泵抽真空并用密封材料填塞設備接縫來保證熱管內部的真空度，以保證換熱效果。參考文獻：1周景民,孫世梅,孫慧晶.熱管技術在暖通空調領域中應用與發(fā)展前景J.長春工業(yè)大學學報(自然科學版),2007(7):1-7.2李玉娜,范曉偉,朱彩霞.空調系統(tǒng)中熱管技術的應用J.中原工學院學報,2007(4):17-22.化學工業(yè)出版社,2000.3莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用M.北京：4羅清海,湯廣發(fā),龔光彩,等.熱管技術在通風空調節(jié)能中的應用J.煤氣與熱力,2005(2):72-75.5季阿敏,孟慶海.熱管在空調節(jié)能中應用探討J.哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版),20O5(l0):641-648.6張曦,顧平道,李英娜.空調系統(tǒng)熱管換熱器的優(yōu)化