一種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器的初探

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1 引言

　　1942年，美國的一位汽車工程師就發(fā)明了熱管，20世紀60年代初，它被原子能協會與國家航天部門用于冷卻飛船與核反應堆，20世紀70年代，熱管換熱器作為全新風系統中的熱能回收裝置而最終在暖通行業(yè)中體現出其優(yōu)越性。熱管是依靠自身內部工作液體相變來實現傳熱的傳熱元件，具有以下基本特征：⑴很高的導熱性。⑵優(yōu)良的等溫性。⑶熱流密度可變性。⑷熱流方向的可遞性。⑸熱二極管及熱開關性能。⑹恒溫特性（可控熱管）。⑺環(huán)境的適應性。與常規(guī)換熱技術相比，熱管技術之所以能不斷受工程界歡迎，是因其具有如下的重要特點：⑴熱管換熱設備較常規(guī)設備更安全、可靠、可長期連續(xù)運行。⑵熱管管壁的溫度可調性。⑶冷熱段結構位置布置靈活。⑷熱管換熱設備效率高，節(jié)能效果顯著。

　　隨著科學水平的不斷提高，熱管研究和應用領域也將不斷擴寬，新能源的開發(fā)，電子裝置芯片冷卻，筆記本電腦CPU冷卻及大功率晶體管，可控硅元件，電路控制板的冷卻，化工，動力，冶金，玻璃，輕工，陶瓷，制冷空調等領域的高效傳熱傳質設備的開發(fā)，都將促進熱管技術的進一步發(fā)展。尤其是在制冷空調行業(yè), 由于冷熱流體間溫差小，熱管技術更能體現其優(yōu)越性，使之成為實現制冷空調低能耗，高效率，冷熱源多樣性，走綠色空調之路的現實技術基礎之一。

2 熱管技術在暖通空調中的應用

2.1 熱管技術在空調熱回收上的應用

　　空調系統的能量回收是進行空調節(jié)能的內容之一。在商業(yè)建筑中，大部分空調回風經冷卻和再熱后作為送風輸送到空調房間，而其它部分的回風則排出。同時，大量新鮮空氣經處理后進入空調房間，由于新、回風需經冷熱處理，排風帶走大量能源，因而，研究空調系統熱回收對空調系統節(jié)能具有極其重要的意義。目前，國內用于回收排風能量的裝置以全熱交換器為主，已研制出相應的轉輪式換熱器，板翅式換熱器和盤管熱環(huán)式換熱器等。該類設備盡管回收效率高，但制造工藝復雜，造價高，且進、排風之間存在交叉污染，不適合于醫(yī)院及產生有害氣體的空調房間，若利用顯熱熱交換器，則進、排風溫差?。ㄒ话悝=10℃左右），勢必要加大換熱面積，同時也給風道連接帶來許多不便。熱管由于熱傳遞速度快，傳遞溫降小，結構簡單和易控制等特點，因而將廣泛應用與空調系統的熱回收和熱控制。熱管換熱器在空調節(jié)能方面的應用已引起國外廣泛的關注，以排風量為35000m3/min的采暖用空氣預熱為例，排氣溫度由40℃降到22℃，新風溫度可由0℃預熱到8℃，其回收熱量為459.976kj/h。

2.2 熱管技術在房間空調器上的應用

　　現有房間空調器在潮濕地區(qū)使用時,因其除濕量較小,相應除去的潛熱負荷亦較小,而潮濕地區(qū)，潛熱負荷在總熱負荷中所占的比例較大。因此，房間內的空調效果并不理想，不能很好地創(chuàng)造出室內舒適環(huán)境，針對潮濕地區(qū)空調總熱負荷中潛熱負荷所占比例較大這一問題，文獻(3)中提出，在不改變房間空調器原有配置的壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器及毛細管的情況下，加上重力式熱管換熱器。這樣可以顯著地增加空調器的除濕量，并使空調器的出風濕度適宜，結果使空調器的除濕量增加30﹪—40﹪。而空調器的制冷量和功耗基本不變,所需熱管換熱器換熱面積不超過蒸發(fā)器換熱面積的2倍。熱管換熱器在空調器上布置可行，且不會使空調器的總體積增加很多。

　　熱管—空調器組合系統在冬季用于回收排風熱量，減少空調器負荷,達到節(jié)能的目的。在夏季，可提高空調系統制冷能力和去濕能力，完全或部分取消再熱負荷,節(jié)省系統能耗，達到提高舒適度的目的?？照{器結構簡單，制造方便，熱管和蒸發(fā)器合為一體的換熱器可以很方便地應用于窗式,柜式空調和除濕機中。從人體舒適度的角度來看，熱管空調能以更為舒適的送風來滿足人體舒適度的要求。

2.3熱管供暖系統

　　隨著建筑向多層化發(fā)展，這樣就給現有鋼制散熱器的承壓能力帶來問題，為了提高承壓能力，解決氧腐蝕,近年來，陸續(xù)出現了一些熱管散熱器形式，并成為散熱器開發(fā)的一個熱點。對比普通水熱媒散熱器，熱管散熱器有以下特點：⑴表面溫度均勻。⑵沒有普通散熱器容易出現氧化腐蝕。⑶所需熱媒量大為減少，可大為節(jié)省輸送動力消耗，簡化輸送管道系統。⑷不受水壓力制約，安裝方便靈活，維護工作量少。

　　此外，由于熱管本身所具有的眾多特點，如均溫性，熱流密度可以變化，熱二極管特性等，使其在太陽能的利用和地熱資源開發(fā)中具有極為廣泛的應用前景。熱管型集熱器成為太陽能集熱的一種重要形式，由此發(fā)展的太陽能空調也具有廣闊的應用前景。而熱管技術和地源熱泵相結合，可以使地源熱泵技術揚長避短,投資更省,效率更高，適應性更強。

3 熱管及熱管換熱器的工作原理

　　典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，在抽成真空的管子里充以適當的工作液，靠近管子內壁貼裝吸液芯，再將其兩端封死即成熱管。熱管既是蒸發(fā)器又是冷凝器，如圖1所示。從熱流吸熱的一端為蒸發(fā)段，工質吸收潛熱后蒸發(fā)汽化，流動至冷流體一端即冷凝段放熱液化，并依靠毛細力作用流回蒸發(fā)段，自動完成循環(huán)，熱管換熱器就是由這些單根熱管集裝在一起，中間用隔板將蒸發(fā)段與冷凝段分開的裝置，熱管換熱器無需外部動力來促使工作流體循環(huán)，這是它的一個主要優(yōu)點。

圖1 熱管及熱管換熱器

4 新型熱管換熱器結構及其工作原理

4.1結構

　　熱管按結構形式的不同,大致可分為三種不同的情形:整體式吸液芯熱管,整體式熱虹吸管(重力熱管),分離式熱管。

　　整體式吸液芯熱管是熱管的一般形式,一般所講的熱管就是指這種熱管,凝液靠吸液芯的毛細作用回流,不依靠重力場的作用,在失重情況下也能工作,這就是其工作特點。 吸液芯熱管換熱器作為能量回收裝置可同時實現夏天回收冷量和冬天回收熱量。無需改變氣流方向和管道布置。

　　重力熱管的特點為:傳熱具有單向性,凝液靠重力回流,冷凝段必須置于蒸發(fā)段之上,由于它沒有吸液芯,結構更加簡單,制造容易,而且工作性能不低于吸液芯熱管,空調通風的應用熱能為低位熱能,所使用的熱管多為重力式低溫熱管。因此,熱管換熱器在作為熱回收系統或冷回收系統使用時,凡屬可能應優(yōu)先采用重力式熱管換熱器。

　　分離式熱管用于空調系統排風的能量回收,巧妙的利用分離式熱管的特點,即可避免大流量氣體遷移導致的復雜管路設計,又能有效回收排風中的低品味能量,減少制冷/熱設備的制冷/熱量,從而達到節(jié)能的目的。同時,分離式熱管相互串通的管件較多,一旦某處出現泄露,就會導致整排組件或整個換熱器功能的喪失,這些都是設計和應用上需認真對待的。

　　熱管換熱器是由許多單根熱管組成,熱管在運行時，一般把迎面風速限制在2-3m/s范圍內，風速過高會導致壓力降過大和動力消耗增加，風速過低會導致管外傳熱系數降低，管子傳熱性得不到發(fā)揮?？照{用熱管換熱器屬于氣-氣熱管換熱器，為提高氣體的換熱系數往往采取在管外加翅片的方法，這樣就能大大提高換熱能力，從而減少所需熱管數目。表1給出了空調及工業(yè)中常用的規(guī)格參數可供設計參考。

表1 翅片管常用參數

使用場合參數

參數

空調及一般工業(yè)

工業(yè)大型裝置

備注

管長/mm

610—4880

3000—6000

1-1.23為有色金屬煙氣側,一般3-6

管子外徑/mm

8—25.4

32—51

壁厚/mm

1—1.2,1.65

2.5—6

翅片數/(片/mm)

8,11,14

3 或6

翅片高度/mm

12.5—14

15,25

翅片厚度/mm

0.17—1.58

1.27—2

管排數

3,4,5,6,7

6,7,12

管子排列方式

錯列(多)順列(少)

　　本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器的結構選擇應根據實際工作環(huán)境結合各方面如效率、占地面積、成本、維修、淋水裝置布置等各方面進行綜合考慮,以選出最優(yōu)布置方法。

4.2工作原理

　　間接蒸發(fā)冷卻是通過各類型的換熱器來實現的，主要類型有:⑴板式⑵管式。在這里,提出將熱管換熱器用于間接蒸發(fā)冷卻技術，形成熱管型間接蒸發(fā)冷卻器，并在熱管一端包覆吸水材料，加設噴淋裝置，這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器簡圖如圖2所示。

　　以夏季為例，夏季室內溫度低于室外溫度，室外新風（一次空氣）流經流道1即蒸發(fā)段，促使工作液蒸發(fā)，帶走汽化潛熱，室內排氣（二次空氣）流經流道2即冷凝段，蒸汽因蒸發(fā)段與冷凝段間的飽和壓力差使蒸汽流到冷凝段中，同時釋放潛熱，如此不斷循環(huán)，在室外新風側實現干冷效果。

　　在冷凝段，淋水裝置向熱管噴淋水，為提高蒸發(fā)速度，加強換熱效率，在熱管冷凝段包覆吸水材料，由此加大接觸面積。若采用具有較強的吸放濕能力及保濕性能好的吸水材料，就能使與水膜相鄰的飽和水蒸氣迅速排出,加快冷凝段的蒸發(fā)速率，更快地釋放熱能。因吸水材料具有的保濕性，就無需連續(xù)不斷地向熱管冷凝段噴淋水，這樣就大大減少了動力消耗。

　　冬季,室內排風溫度大于室外新風,因此可利用室內排風對室外新風進行預熱，因熱管(換熱器除重力式)具有可逆性,冬、夏季可用同一管道便可實現預熱和預冷,而無需修改管道,也無需改變氣流方向。

圖2熱管型間接蒸發(fā)冷卻器簡圖

5 性能對比

5.1熱管換熱器和其它形式的對比

　　熱管換熱器和管式換熱器比較如表2，熱管換熱器與其它回收換熱器的對比如表3,其中所用相對評比數RN,其值從0到5,最佳特性為5,最差特性為0。

表2熱管換熱器與管式換熱器比較

參數

單位

熱管換熱器

管殼式換熱器

尺寸

mm

777(高)×914(長)×2289(寬)

φ600×2500

性

能

給氣流量

m3（標準）/min

3951

3951

給氣溫度

℃

15-230

15-230

給氣壓降

Pa-

120

120

排氣流量

m3（標準）/min

3136

3136

排氣溫度

℃

420-146

420-146

排氣壓降

Pa-

120

330

其它

需要增壓鼓風機

表3熱管換熱器與其它換熱器的比較

類型

壓降

傳熱系數

維修

價格

輔助動力

交錯污染

單位體積的傳熱面積

總計

RN

RN

RN

RN

RN

RN

RN

RN

再生式

中(3)

高(4)

高(2)

高(2)

有(0)

有(0)

高(4)

15

管殼式

高(2)

高(4)

中(3)

中(3)

無(5)

無(5)

低(2)

24

輔助流體式

低(4)

低(2)

高(2)

高(2)

有(0)

無(5)

中(3)

18

板翅式

低(4)

中(3)

中(3)

高(2)

無(5)

無(5)

很高(5)

27

熱管式

低(4)

高(4)

很高(5)

中(3)

無(5)

無(5)

高(4)

30

　　由表可見, 熱管換熱器的最后相對評比數RN比其它同類換熱器RN值都高,由此顯示了熱管換熱器的優(yōu)越性。

5.2 冷凝段有無淋水裝置的性能對比

　　熱管換熱器冷凝段若有淋水裝置就構成了熱管間接蒸發(fā)冷卻器。

　　文獻(5)對此系統給出了詳細的結果。如表4，選取5排,11片/英寸的熱管,處理新風量為60000ft3/m(101520m3/h)

表4

設計數據

夏季排氣無噴淋

夏季排氣噴淋

室外空氣干球/濕球℃

33.9/15

33.9/15

室外空氣量m3/h

101520

101520

回風干球/濕球℃

25/15.4

25/15.4

回風量m3/h

91368

91368

送風干球℃

29.1

21.4

排氣干球℃

30.2

19.9

送風側Pa

169.38

166.89

排氣側Pa

149.45

199.27

效率

0.578

0.674

回收量w

131882

340254

制冷量(ton)

37.5

96.75

　　由表可見,通過向熱管噴水,熱交換效率從58.7%提高到67.4%,制冷量從131881.5瓦提高到1161000瓦,額外增加了59.25噸對室外空氣進行干冷卻的能力。但水的處理、噴嘴的維護、熱管表面的無機物沉積是這類系統必須加以考慮的。

6 結論

　?、艧峁苁且环N靠自身內部的傳熱工質在一個高真空的封閉殼體內不斷循環(huán)相變傳遞熱量的高效傳熱元件。本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器所消耗的能量僅為風機和循環(huán)水泵的能耗，與常規(guī)機械制冷相比，是一種無需輔助動力的空氣冷卻裝置，同時又是一種很好的節(jié)能裝置，通過使用這種裝置可實現冬天回收排風中的熱量來預熱新風，夏天回收排風中的冷量來預冷新風，是一種新型高效的換熱設備。

　?、圃诶淠伟参艥衲芰姷奈牧希⒓釉O淋水裝置，在夏季運行時能大大提高蒸發(fā)速度及換熱效率，提高對新風側的干冷卻效果。

　?、且蛭牧暇哂斜裥?，故無需進行連續(xù)不斷的淋水，只需對間接蒸發(fā)冷卻設備中的包覆管間歇性供水。由此進一步降低能耗。

參考文獻

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