（制冷及低温工程专业论文）热虹吸管型空气空气换热器工质筛选及性能研究.pdf

摘要 摘要 热虹吸管换热器作为一种高效换热器，有许多优点，具有良好的应用前景。 但就目自仃而言，热虹吸管换热器在空调系统中的应用还处于推广阶段，有很多地 方有待于进一步的解决。本课题研究主要完善了应用于空调系统的热虹吸管换热 器工质选择理论，并根据工质选择理论探讨新型环保工质应用于空调系统热虹吸 管换热器，对工质进行性能理论计算，并对不同工质相关参数对热虹吸管换热器 传热性能及能量回收性能的影响做了模拟和试验研究分析。 在参阅相关资料文献的基础上，结合热虹吸管的传热特性，完善了空调系统 能量回收热虹吸管换热器工质选择理论。并进一步探讨了多元工质混合的方案。 筛选、提出六种新型工质( 纯质r 3 2 、r 1 5 2 a 、混合工质r 3 2 r 1 3 4 a 、r 3 2 r 2 4 5 f a 、 r 3 2 r 1 3 4 a r 2 4 5 f a 、r 3 2 r 2 9 0 r 2 4 5 f a ) ，理论计算结果表明，新工质的饱和蒸汽 压、液相传输系数等性能均全面优于工质r 2 2 。其中以r 3 2 性能最优。 为了研究各种工质应用于热虹吸管换热器其传热性能及能量回收性能，建立 了单根热虹吸管以及热虹吸管换热器的数学模型，并根据数学模型利用m a t l a b 编程计算换热器的温度场。在定义了能量回收效率温度效率e 的基础上， 对使用铜一氟利昂热虹吸管换热器变化六种工质，在空调系统新风温度、迎面风 速以及倾角等方面的传热性能和能量回收性能进行了模拟计算；模拟结果表明， 单质中r 3 2 性能最优；混合物中r 3 2 r 1 3 4 a 和r 3 2 r 1 3 4 a r 2 4 5 f a 也表现出很好 的性能。随着倾角的增加而增加，各工质的换热器传热系数增加，温度效率增加； 随着新风温度升高，各工质换热器温度效率降低，夏季工况时，随着新风温度升 高，各工质换热器传热系数升高，冬季工况时，随着新风温度升高，各工质换热 器传热系数降低；随着迎面风速的增加，各工质换热器传热系数升高，温度效率 降低。 对热虹吸管换热器样机，针对r 2 2 和r 3 2 两种工质，在新风温度、倾斜角 度以及迎面风速等方面做了对比试验研究，得到了不同工况下热虹吸管换热器的 温度效率。比较分析表明，模拟计算的模型能够较好地反映热虹吸管换热器的能 量回收性能，同时试验分析也验证本课题第二章及第三章中对热虹吸管换热器新 型工质r 3 2 的性能。本课题所做的工作为应用于空调系统的热虹吸管换热器工 质理论做了一系列较为完整的理论分析和试验研究，为今后应用于空调系统的热 虹吸管换热器的大规模推广应用带来了极大的方便。 关键词热虹吸管；换热器；模拟；能量回收 北京t 业人学t 学硕f 学位论艾 a b s tr a c t a sak i n do fh i g l le 伍c i e n c yh e a te x c h a n g e rt h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e rh a sa l o to fa d v a n t a g e s i th a sab r i g h tp r o s p e c tf o ra p p l i c a t i o na n dc a nb eu s e di ns p e c i a l o c c a s i o n ss u c ha sh o s p i t a l sa n di n d o o rs w i m m i n gg y m n a s i u m s ，i nw h i c ht h ec o n t a c t o ff r e s ha i ra n dd i s c h a r g ea i rm u s t b ep r e v e n t e d b yf a rt h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e r h a sn o tb e e na p p l i e dw i d e l yi nb u l i d i n g sa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，a n ds t i l lh a sm a n y p r o b l e m st os o l v e i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h er a n g eo fw o r k i n gt e m p e r a t u r ea n d u s er e q u i r e m e n t s ，a l s ow i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee n v i r o r t m e n tf a c t o ra n ds e c u r e p e r f o r m a n c e t h ec h o i c eo ff l u i da n di t si n f l u e n c eo nt h ed e s i g na n dp e r f o r m a n c ei s t r e a t e d t h ep r o t o t y p eo ft h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e ri sm a d e ，a n dt h es i m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s to ft h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e ra r ed o n e ，f r o m w h i c ht h er e l e v a n tc o n c l u s i o n sa r ed r a w n o nt h eb a s i so fr e l e v a n td o c u m e n t sh o m ea n da b r o a d ，c o n s i d e r i n gh e a tt r a n s f e r m o d e lo ft h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e r , a n dc a l c u l a t e ss a t u r a t i o nv a p o rp r e s s u r ea n d 1 i q u i dt r a n s m i s s i o nc o e 伍c i e n to fd i f f e r e n tf l u i dt h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e ra n d e n t r a i n m e n tl i m i to ft h e r m o s y p h o n t h et h e o r e t i c a lp e r f o r m a n c e so fm a n yf l u i d sh a d b e e nc o m p a r a t i v e l ya s s e s s e d ，a n da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，p u r ef l u i d r 3 2 a n dm i x t u r e sm1 m 4w e r ep r o p o s e da sn e ww o r k i n gf l u i d sf o rt h et h e r m o s y p h o n h e a te x c h a n g e r t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tr 3 2o f f e r e dt h eb e s t t h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s mla n dm 3a l s od e l i v e r e db e t t e rp e r f o r m a n c e st h a nr 2 2 t os t u d yr e l a t i o n so fd i f f e r e n tf l u i da n dh e a tr e c o v e r yp e r f o r m a n c eo f t h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e r , t h ea u t h o ru s e se f f e c t i v e n e s s n u m b e ro fh e a tt r a n s f e r u n i t ( 占一川u ) p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，d e v e l o p st h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e r p r o t o t y p e o n t h eb a s i so fd e f i n i t i o no fh e a t r e c o v e r ye f f i c i e n c y ( t e m p e r a t u r e e m c i e n c y 目，t h ea u t h o rs i m u l a t e st h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e ri nd i f f e r e n tf l e s ha i r t e m p e r a t u r e f a c i n ga i rv e l o c i t ya n di n c l i n a t i o na n g l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d m a tr 3 2o f f e r e dt h eb e s tt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e s m1a n dm 3a l s od e l i v e r e db e t t e r p e r f o r m a n c e st h a nr 2 2 t h ea u t h o ra l s o t e s t sr 2 2 a n dr 3 2t h e r m o s y p h o nh e a t e x c h a n g e rp r o t o t y p eb y d i f f e r e n tf r e s ha i rt e m p e r a t u r e s ，i n c l i n a t i o na n g l e sa n df a c i n g a i rv e l o c i t i e sa n df i n a l l yg e t sd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ee 衔c i e n c i e sa n dh e a tt r a n s f e r t o e f f i c i e n t s i ti n d i c a t e st h a ts i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e lc a nm a t c ht h e r m o s y p h o n h e a te x c h a n g e rw e l lt h r o u g hc o m p a r i s o na n da n a l y s i s i nm i sp a p e l i n t e g r a t e dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c ha r ed o n ef o r t h e r m o s y p h o n h e a t e x c h a n g e ri nb u i l d i n g sa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c h i s c o n v e n i e n tt op o p u l a r i z et h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e rf o rh e a tr e c o v e r yi nb u i l d i n g m e a n w h i l et h ej o bi nt h i s p a p e rp r o v i d e sr e s e a r c he x p e r i e n c e ，m e t h o d s a n d e n g i n e e r i n gr e f e r e n c ef o re n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n si nr e l e v a n tf i e l d s k e yw o r d st h e r m o s y p h o n ；h e a te x c h a n g e r ；s i m u l a t i o n ；h e a tr e c o v e r y i i 物理革名称及符1 1 表 物理量名称及符号表 q 一热虹吸管携带极限，k j 鼠无因次管径 ，工质的汽化潜热，k j k g 尼饱和液体的密度，k g m 3 成饱和蒸汽密度，k g m 3 仃工质的表面张力系数，n m q 单根热虹吸管的传热量，k w r 。热虹吸管的传热热 阻，( m 2 k ) w 气热流体温度， 冷流体温度， r ，兄热虹吸管外表面与冷、热 流体的对流换热热阻，( m 2 k ) 脚 r 。，r 们管壁径向导热热 阻，( m z k ) 用 r ，r ，管内蒸发、凝结热 阻，( m 2 k ) 册 玩热流体侧的对流换热系数，w ( m 2 ) 4 蒸发段的总表面积，m 2 k 。管壁导热系数，w ( m 2 ) t 蒸发段长度，m 以管外径，m d ：管内径，m ，管壁与内部介质对流换热系数， w ( n 1 2 ) 4 ，蒸发段内部面积，m 2 i l l 冷却端内部对流换热系数，w ( m 2 ) 4 ，令却段内部面积，m 2 t 冷却段长度，m 见冷流体侧的对流换热系数，w ( m 2 ) 4 羚却段的总表面积，m 2 9 一氆个换热器的传热量，k w 砟热气体在标准状况下的流量， m 3 h ”冷气体在标准状况下的流 量1 1 1 3 h 彳热气体温度， 热气体需要降低到的最低温度， f ? - 一令气体的进口温度， q 6 热气流放出的热量，k w q 。羚气流吸收的热量，k w 卜散热损失率， 冷气流出口温度， 乙对数平均温差， 标准状况下热流体的体积流 量，k g m 2 w 标准状况下的迎面风速，m s 以加热侧的迎风面积，i n 2 矿加热侧的迎风面宽度，m 乏加热侧的热管长度，m 卜迎风面管子的根数 北京t q k 人学t 学硕f j 学化论文 曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼舅曼曼! ! 鼍曼曼曼曼蔓曼! 曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼皇蔓曼曼曼曼曼! 曼i 一一i 曼 昌迎风面的管子中心距，m 乃污垢导热系数，w ( m 2 ) m 叼管束最小流通截面 g ，m 。流体最大质量流速，k g m s r e ，雷诺数 矗，对流换热系数，w ( m 2 ) 刁，翅片效率， ，翅片高，m 翅片间距，m 万，翅片厚度，m j ，翅片的外直径、外半径m 刀，单位长度翅片片数 ，管长，m 吃，管外直径、半径，m 单位长度翅片间管表面积，m 2 彳：单位长度翅片表面积，m 2 彳单位长度管外总表面积，i t l 2 矗庙管外有效换热系数，、删 ( m 2 ) 管壁导热热阻，( m 2 k ) 脚 _ 污垢热阻，( m 2 k ) 脚 氏管壁厚度，m 九管壁材料导热系数，j ( m s k ) 万，污垢层厚度，m k 总传热系数，w ( m 2 ) 爿：加热侧总传热面积，m 2 ，l 热虹吸管的总根数 彳：加热段管外总表面积，r r l 2 一沿气流方向长度，m s ，翅片管纵向问距，r f l r ，雷诺数 t 。平均管壁温度， 儿壁温下的流体黏度，k g ( m s ) c - 一流体热容流量，k g m 2 g 。质量流量，k g m 2 九厂_ 传热单元数 聊6 热流体质量流量，k g m 2 c ：热流体定压比热容 a 6 ，a 。热侧和冷侧的传热面 积m 2 t 6 ，f 。热侧和冷侧的流体温度， t v 工质的蒸汽温度， 卜温度效率， t l 新风进口处空气平均温度， 新j x l 出口处空气平均温度， t ；排风进口处空气平均温度， 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：斟近监隗盟l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名吾b 汽机翩魏新酝期：叩歹 第1 辛绪论 皇1 _mi_ i 。 1 1 课题研究的背景 1 1 1 能源问题 第1 章绪论 能源是发展国民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。在总能 源消耗中，建筑能耗占了比较大的比重，而空调耗能又占了建筑能耗的很大比例。 近年来，我国建筑物能耗约占全社会总能耗的2 5 左右川。据统计，冬夏两个季 节，空调建筑的空调能耗占整个建筑能耗的5 5 - 6 0 。如上海地区建筑能耗组 成中，空调能耗所占比例为：饭店4 6 1 ，商场4 0 5 ，写字楼4 9 7 ，医院 3 0 3 2 1 。 1 1 2 空调系统的能量回收 空调能耗中，新风能耗所消耗的能量占总能耗的2 0 3 0 以上。大型中央 空调系统存在冷热抵消问题，而空调排气中却存在着即将浪费的能量。如能在新 排风间设置热回收装置，进行合理的热平衡后，新风的耗能被排风带走，排到室 外。若热回收装置的回收效率以6 0 计，则节约的能量可以达到建筑总能耗的 6 9 。北方寒冷地区，在一些场合，根据卫生要求，需设置通风系统，由于 室内外温差大，新风加热量较大，同时排风中带有大量可利用的热量，如果设置 热回收装置，再对冷空气预热，正常工作的前提下，仍可节省送风总加热量能耗 的3 5 , - - - - 4 0 13 1 。由此可见，通过热回收系统是新风与排风进行热( 冷) 量的交 换，把排风所带的热( 冷) 量尽最大的可能传递给新风，减少新风的加热量或供 冷量，是余热利用，节约能源的有效措施，完全符合国家可持续发展的产业政策。 国家也颁布了有关法规要求在某些建筑中必须采用热回收装置。 1 1 3 热管换热器的发展与应用 1 9 7 4 年以后，热管在节约能源和新能源开发方面的研究得到了充分的重视， 用热管组成换热器来回收废热，并将其用于工业以节约能源。美、日在这方面取 得的进展最为显著。1 9 8 0 年，美国q d o t 公司生产了热管废热锅炉【4 1 ，同本帝 人工程公司也成功地用热管做成锅炉给水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题 t 5 。1 9 8 4 年，c o t t e r 提出了较完整的微型热管的理论及展望【6 1 。毛细泵回路c p l 北京t 业人学t 学颁l 学1 口论文 ( c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) 和叫路热管系统l h p ( l o o ph e a tp i p es y s t e m s ) 以其结构 灵活、使用面广及在很小温差下可远距离传递较常规热管更大热量的特点，引起 了热管界关注，成为理论研究和应用研究的热点。7 0 年代以来，热管技术飞速 发展，各国的科研机构、高等院校、公司及场矿均丌展了多方面的开发、应用研 究。热管开始广泛应用于化工及石油化工行业、冶金行业、电子电器工程中。我 国自7 0 年代开始，开展了热管的传热性能研究以及热管在电子器件冷却及空间 飞行器方面的飞行研究。由于我国是一个发展中的国家，能源的综合利用水平较 低，因此自8 0 年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用 【。7 1 ，重点开发了容易在工业中推广使用的碳钢一水热管换热器。经过2 0 多年的 努力，我国的热管技术工业化应用已处于国际先进水平【8 】，先后开发了热管气一 气换热器、热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器、高温热管热风炉等各类热管产 品【9 】o 1 1 4 热管技术的特点 与常规换热技术相比，热管技术具有如下重要特剧1 0 1 l 】： a ) 传热效率高。热管具有很强的导热性，与银、铜、铝等金属相比，单位质 量的热管可以多传递几个数量级的热量。因此热管换热器的效率往往可达到8 0 以上而且可以有效地利用工业废热、太阳能、地热能等低品位能源和回收空 调系统的新、排风之间的小温差能。 b ) 热管管壁温度具有可调性。调整管壁温度，使冷端温度低于冷流体露点 温度，达到回收显热和增强去湿、降低潜热负荷的目的，从而改善空调系统的效 果。 c ) 恒温特性。可变导热管的开发可以实现变工况情况下冷、热源的恒温特 性，既可以在热负荷或热源温度发生很大变化时，保持冷凝段或热汇的温度不变， 又可成功地用于保持热管或热源温度不随热负荷或热汇温度的变化而变化。热管 的这种特性使其在空调工程中显示出其他换热方式所不具备的优势。 d ) 适应性强。由热管组成的换热设备的受热部分和放热部分结构设计和位 置非常灵活，汇源分离的距离可以根据实际需要及所采用的热管性能来定，可以 从几十c l t i 到1 0 0m ，可以实现冷热流体之间零泄漏。在空调工程中特别适用于 有毒环境下的废热、余热回收。此外，热管换热器还有安全可靠、阻力小、单向 导热( 热二极管) 等特性。热管换热器几乎没有什么机械障碍，属于二次间壁换 热，热管一般不可能在蒸发段和冷凝段同时损坏，所以大大增强了设备运行的可 靠性。热管换热器非常适合于回收各种连续生产工艺的余热作为空调工程的热 源。热二极管原理在太阳能、地热能利用及空调系统进排风热回收工程中有很重 要的应用价值。 第1 章绪论 1 1 5 环境保护问题及制冷剂替代给热管工质带来的影响 1 ) 臭氧消耗及相关协定 为了描述各种工质的臭氧消耗特征及其强度分布，通常采用o d p ( o z o n e d e p l e t i o np o t e n t i a l ) 值表示lk g 该化合物释放到大气中损耗臭氧层的程度，并以 c f c 1 1 的o d p 值作为基准值1 o 。 面对臭氧层破坏对地球生念坏境的威胁，联合国环境署( u n e p ) 等组织相继 召开了一系列国议，讨论保护大气臭氧层的措施。 蒙特利尔协定书及其修正案对缔约国受控物质控制进程提出了具体要 求，规定发达国家应于1 9 9 6 年1 月1 日起百分之百禁止生产和使用c f c s ，2 0 2 0 年全面废止h c f c s 类物质；发展中国家应从2 0 1 0 年起全面停止生产和消费 c f c s ，并在2 0 3 0 年全面停止h c f c s 的使用【l 2 1 。 我国作为世界上臭氧层消耗物质( o d s ) 生产量和消费量最大国家，在大力发 展经济建设的同时，也开始了c f c s 、h c f c s 类物质的淘汰进程。1 9 9 2 年我国政 府制定了中国消耗臭氧层物质逐步淘汰国家方案，并于1 9 9 3 年1 月经国务院 批准实施。1 9 9 5 年制定了气溶胶、泡沫塑料、家用冰箱、工商制冷、汽车空调、 哈龙灭火器、电子零件清洗、受控物质生产8 个行业整体淘汰计划，并得到国际 基金委员会的批准。1 9 9 8 年对原国家方案又进行修订，1 9 9 9 年9 月北京、 天津、海南、湖北相继出台了一系列政策，宣布率先建设第一批无氟省和无氟市。 目前，我国各行业已制定了淘汰臭氧层消耗物质的时间表，同时为了全面有效地 实现o d s 逐步淘汰计划，还建立了与“国家和行业淘汰战略和淘汰计划”相适 应的政策法规体系。 2 ) 温室效应及相关规定 常用制冷剂除了会引起同温层臭氧破坏问题外，还会以直接或间接的方式， 在对流层中积累产生温室效应。 通常采用g w p ( g l o b a lw a n n i n gp o t e n t i a l ) 值描述lk g 温室气体进入大气所 直接造成的全球变暖潜能，并用l k gc 0 2 的g w p 值作为基准值1 0 ( 1 0 0 年) ，直 接温室效应可以表示为温室气体g w p 值与总排放量( 包括系统泄漏、维修及报废 的排放量1 的乘积。 卤代烃的排放所带来的臭氧层破坏问题和温室效应属于当今全球性环境问 题，它对人类健康和人类所依赖的生存环境造成了巨大的有害影响，削减和淘汰 c f c s ，hc f c s 不仅对保护臭氧层、减少温室效应，进而保护环境有着十分重要 的意义，也是许多相关领域中开展科学研究和技术革新的强大推动力。 北京t 业火学t 学硕i j 学位论史 1 2 空调系统热管换热器的国内外研究现状 由于热管具有很高的传热系数，因而近年来热管用于空调热回收系统中的 研究有很大进展【1 3 、15 1 。m a t h u r 一直致力于研究空调系统的热回收问题【1 6 、18 1 。 他针对美国许多城市的气候条件，研究热管换热器对现有空调系统的能量消耗 和高峰需求的影响，主要用热管换热器回收排风的余热( 或冷量) 用以加热( 或冷却) 新风。为了计算实际热回收量，m a t h u r 使用b i nw e a t h e rd a t a 编制了一个预测 热回收量的模拟程序来计算热负荷和冷负荷。同时经济分析表明，对现有空调系 统加装热管换热器的简单改装费用不到一年的时间即能收回。另外，m a t h u r 还 对热管换热器中使用直接蒸发冷却和间接蒸发冷却作了对比分析【1 9 2 2 1 ，充分显 示了间接蒸发冷却的优越性和广阔的应用前景。例如，在夏季使用直接蒸发冷却 时，热管换热器可使进风温度降低7 5 左右，若使用间接蒸发冷却，则同样条 件下可使进风温度降低1 1 左右。 在国内，随着我国空调用户的不断增加，对热管的研究也在不断地开展。由 于气气热管换热器在烟气的余热回收中具有显著的优势，近来来有关工厂与院 校、研究所、制造厂相互配合，先后开展了热管换热器的研究和试验工作，取得 了许多成果。如潘阳等人研究的热管式空调通风换热器【2 3 1 、热管式空调换气换 热器【2 4 】等。同时，热管的应用也在不断升温，如上海市民用建筑设计院和航天 部五院5 0 1 设计部共同研制的氨一铝低温热管换热器【2 5 】，该装置用于上海游泳 馆的空调余热回收，风量为1 0 0 0 0 m 3 h ，显热回收效率6 0 ，换热器效率为8 0 ， 运行效果良好。从节能方面考虑，热管技术用在空调热回收中也是极具潜力的。 空调系统的负荷中，新风负荷一般占总负荷的2 0 3 0 ，利用热管换热器从排 风中回收能量，减少新风负荷，可减少新风能耗7 0 8 0 ，节约空调负荷1 0 2 0 e2 6 1 。文献【2 7 】指出，热管用于有排风的大型空调系统中，比通常使用的空调 系统节能2 5 3 0 。 文献【2 8 】指出：如果空调系统新风量按送风量的3 0 考虑，采用分体热虹吸 热管冷热回收装置，可使空调系统节能7 以上。试验表明冷热气流温差只要超 过3 即可回收能量。据此，我国上海、南京等长江中下游地区夏季空调冷回收 时间可达1 5 0 0 h 以上。经按气象参数计算，三年内可收回设备初投资费用。 文献【2 9 】指出：对于室内温度2 2 ，相对湿度5 0 的空调工况，在供回风系 统中加装热管换热器以后，达到了以下效果： a ) 在室外温度波动率超过4 4 时，室内温度波动小于o 3 ，相对湿度波 动小于o 5 ； b ) 热管换热器效率接近1 0 0 ； c ) 去湿能力比普通系统提高6 2 ，比旁通系统提高7 0 。相应地，辅助再 泵1 节绪论 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 苎! 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼! ! 曼曼曼曼! ! 曼! 曼曼曼曼曼! ! n l i ii 曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼蔓! ! 曼曼曼曼蔓 热量分别减少2 0 和1 8 。潜在能效比( l e e r l a t e n te n e r g y - e f f i c i e n c yr a t i o ) 分别提高9 0 和8 7 ； d ) 热管换热器投资静态回收期( s i m p l ep a y b a e kp e r i o d ) 相对于普通系统是 4 年，相对于旁通系统是5 1 年。 文献【3 1 】提出了一种用于空调系统热回收的流程图，如图1 1 所示。 图1 1 热管式空调系统流程图 f i g 1 - 1h e a tp i p ea i rc o n d i t i o n a i n gs y s t e mf l o wc h 撕 新风 文献2 4 】提出了一种用于空调换气的热管式换热器系统，其原理见图1 2 。在 一年罩，如果采暖和制冷分别按4 个月和3 个月计算，l 台热管式空调换气换热 器每年可节电1 1 4 6 度。若将热管式换气换热器折算成一台制冷( 热) 系数为2 5 的 热泵型空调机，则冬季相当于一台5 3 3 w 或夏季相当于一台3 0 4 w 的热泵型空 调机。 c 史= 厂 一风扁 壳扫 - i - i llllii liii l l i li i - l tll iliii i -l-li lililli - llll - i - ll l _ lil i - l i lliiiil i - li - lli - i iiii-iii i i _ l ii lll ffili ，llli i i - ，i - i - ll-ii - lii - iilii-il-iil-il i - i llli i - l l - i _ i - - l - - - l- lil - - i - l - l - l - i llili-liti-l-lil ili i - ii ltl - i - i 7y - 一_ ll-ri iili - i 热管c 逐3 图1 2 热管式空调换气换热器 f i g 1 - 2h e a tp i p ea i rc o n d i t i o n a i n gs y s t e m 文献【3 2 1 结合空调系统运行环境，对应用于空调系统的倾斜式重力热管，建 立了该传热装置的数学模型，并对单根热虹吸管的倾斜角、充液率、管长和迎面 风速对热虹吸管的传热影响进行了试验研究。得出结论倾斜角越大热虹吸管总热 阻越大，最佳倾角在1 5 , 2 0 。之间；充液率过多或过少都会对传热性能产生不 北京丁业人学t 学硕f j 学付论丈 利影响。 1 3 热管及空调系统热管换热器工质的研究现状 按照热管管内工作温度区分，热管可分为低温热管( 0 2 7 3 k ) 、常温热管 ( 2 7 3 5 2 3 k ) 、中温热管( 5 2 3 7 2 3 k ) 、高温热管( 7 2 3 1 2 7 3 k ) 等。热管在不 同的工作温度范围下，使用的工质不同，应用的范围也各不相同1 3 3 3 4 j ： 高温热管广泛应用主要有：动力工程的核反应堆中；在宇航中做热离子换能 器和热电发生器的重要部分；此外，作为高温热能回收的高温热管换热器是近年 来颇有应用前途的一项。钾、钠、锂、铅、银、和其它高熔点的金属均可用作工 作介质。这些介质，尤其是锂，可达到极高的轴向传热密度【3 5 1 。 中温热管广泛应用于电子器件中，并作集成电路的冷却、大功率行波管的冷 却、密封仪表的冷却之用；在动力工程中作涡轮机叶轮、发电机、电动机以及变 压器的冷却之用；在热能工程方面用来回收废气热能、利用太阳能和地热能、在 机械方面用来冷却高速切削工具( 车刀、钻头) 。这类热管的工质可以是硫磺、水 银、碱金属( 铯、铷) ，也可以是某些化合物，如导热姆换热剂p 酬。 常温热管主要可应用于空调系统的能量回收。在此温度区域内的工质有：氟 里昂、氨、酒精、丙酮、水和某些有机化合物。在这类热管中最广泛使用的工作 介质为水和氨，它们具有很好的热物理性能。 低温热管在通信联络中可冷却红外线传感器、参量放大器；在医学方面可以 作低温手术刀，成为眼睛和肿瘤的手术工具等。在电子方面可以用于电子装置芯 片冷却、笔记本电脑c p u 冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等 的冷却。随着热管技术的发展热管在化工、动力、冶会、玻璃、轻工、陶瓷等领 域的高效传热传质设备中均有进一步发展。在此温度区域内运行的热管其介质可 采用单个元素形式的纯化学物质( 氦、氩、氪、氮、氧) 和化合物( 乙烷、氟里 昂) 3 6 】。 近年来，对于热管的工作介质的研究也有很多，比如在用于航天领域、高温 热回收装置的高温热管中，n a k 合金己成为其发展新动向之一p 叫；用于电子元 器件冷却以及中温工业窑炉余热回收等的中温热管，研究萘、甲基吡硌烷酮、联 苯和硫作为工质较多，价格较低的导热姆a 也是当丽较好的中温热管工质。相 比之下，常温空调余热回收的热管工质研究比较少，以自仃常用的热管工质有氟里 昂、苯、氨、酒精、丙酮、水、有机化合物、混合物掣了7 1 。苯有毒，氨具有较 高的饱和蒸汽压，水不能用于零下工况且启动温差很大。而氟利昂的禁用不仅给 热泵、制冷系统带来了很大冲击，对常温热管也有很大的影响。面临即将禁用的 现状，近2 0 年来国内外对制冷剂替代做了很多的研究，有许多工质已经完成替 代。如r 1 2 已在2 0 0 7 年7 月1 日完成替代，可用r i5 2 a 、r 1 3 4 a 替代；r 4 1 0 a 笫l 帚绪论 主要用于替代r 2 2 。这些天然或合成的替代制冷剂大多用于制冷、热泵系统，而 在热管工质中的替代，国内外的研究甚少。 文献【3 8 】提出对萘和甲基吡硌烷酮两种充装工质的大型中温热管进行的性能 试验所得数据进行了分析，比较了两种热管的起动及传热性能等方面的特性。结 果表明，在2 5 0 4 0 0 中温范围内，荼热管的传输性能优于甲基吡硌烷酮热 管。 文献【3 9 】提出：对一种新型的平板式微热管一零切角曲面微热管进行了实验 研究。以热阻为基础，研究不同倾角、工质、充液比下微热管的热性能。为便于 分析，将热管总热阻分解为4 个部分：加热热阻、蒸发段热阻、冷凝段热阻和热 沉热阻。根据不同的充液比和倾角。微热管传热极限分别由局部干烧和核态沸腾 向膜态沸腾转化引起。 文献【4 0 】对以水、r 1 1 、丙酮、甲醇为热管工质的柱型热虹吸管散热器与以热 水作为供热介质的常规散热器，从散热能力和表面温度的均匀性两方面进行了比 较。探讨了热管工质的热物理性质及不凝性气体对热虹吸管散热器的影响，以丙 酮、甲醇作为热管工质较为理想。实验散热器总放热量中，热对流放热量约占6 1 ， 辐射放热量约占3 9 。 文献【4 l 】在热管计算中，采用热阻串联模型，计算热阻值及热通量，描述工 作时的工作状态。在相变介质区，采用b r e n t 3 1 等人提出的对流导热相变模型， 相变问题的求解采用s i m p l e 4 】程序的思想方法。 文献【4 2 】针对不同散热条件和结构参数设计了热管散热器模型：在不同热管数 目、不同热管布置方式、不同翅片厚度、不同翅片间距、不同风速、不同环境温 度等情况下，运用c f d 软件f l u e n t 对散热器空气侧翅片的传热性能进行了数 值模拟，运用f l u e n t 对文献中的实验模型建模并进行数值模拟，获得了与实 验结果吻合较好的数值结果。 1 4 本文研究的目的和任务 目前，对于热管工质的研究有很多，但都集中于高温环境及某些工艺过程下 的热管工质研究，对气象温度( a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ) 空调余热回收热虹吸 管工质的研究不多。近些年来，氟利昂的禁用给热泵、制冷系统工质带来了极大 的影响。国内外纷纷有很多学者研究制冷剂的替代。但对于气象温度 ( a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ) 热管常用的工质r 2 2 等的替代却很少有涉及。针对 这些问题，本文的目的是对气象温度( a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r e ) 空调余热回收 用热管工质选择理论进行研究，并找出合适的天然工质或混合工质替代即将禁用 的氟利昂。同时，通过模拟与试验，研究新工质用于空调用热虹吸管换热器的传 热性能及能量回收。 北京t 、l k 人学t 学顺i 学位论文 本文应用于空调系统热管换热器采用倾斜式重力热虹吸管，替换不同的工 质，在热虹吸管束的中间隔板处设置旋转支架，调节热虹吸管的倾斜方向，结构 简单并能方便的实现冬夏工况的传热性能研究和空调排风能量回收。在本课题 中，着重要解决这样几个问题： ( 1 ) 完善空调用余热回收热虹吸管的工质选择理论 ( 2 ) 找到新的性能优越的天然工质或混合工质 ( 3 ) 用m a t l a b 软件编程模拟不同工质热管的温度场及传热特性 ( 4 ) 对不同的各种新工质性能进行试验研究 ( 5 ) 实现新工质热管换热器的性能优化 筇2 市热虹吸管换热器t 质殷t 热的理论分析 第2 章热虹吸管换热器工质及传热的理论分析 为了研究热虹吸管换热器的温度场、传热特性，以及不同工质对其传热特性 的影响，本文先对热虹吸管以及热虹吸管换热器的结构、工作原理及传热模型等 有关知识介绍如下。 2 1 热虹吸管 2 1 1 两相闭式热虹吸管的结构和工作原理 液膜 i 骶 液栅 q 一 、彳 ， 5 。时，乃- - 0 2 8 7 d l 。s i n 矽】。在 层流区，式( 2 ) 中的r e ，一以r e 替代则可适用于竖直和倾斜热虹吸管： n u + = 0 9 2 5 r e ( 2 - 7 ) 2 1 2 2 蒸发段的传热 在j 下常运行过程中，热虹吸管蒸发段内包括了各种流体流动及传热的现象， 其中有池沸腾传热、膜蒸发以及管内工质的往复脉动引起的热量传递，可见热虹 吸管蒸发段内的传热是相当复杂的。在低热流密度和高充液量情况下，出现间歇 沸腾，即汽泡生成、长大至直径与管内径相等，将其上部的液体托至热虹吸管顶 部，汽泡破裂，液体在管壁上形成液膜产生沸腾，过冷的液体回到蒸发段液池被 加热，产生下个汽泡，不断循环形成间歇沸腾。虽然间歇沸腾不是热虹吸管的 传热极限，但传热稳定性不好，应予以避免。在小充液量的情况下，从冷凝段回 流的液膜在蒸发段形成溪流，由于溪流间有干涸现象，所以其换热系数较稳定的 液膜要低，然而液池的换热系数是相同的，在壁面保持稳定的情况下，这种局部 干涸不认为是传热极限。当充液量非常小时，所有的液体用于循环而无液池存在， 管壁面出现干涸，壁温陡然持续上升，此刻即认为是传热极限。 随着蒸发段热流密度的增加，液池和液膜溪流内发生核态沸腾，当液膜溪流 内的汽泡破裂，液体溅至对面的管壁面，湿润其干涸的部位，这样不仅改善了壁 温的均匀性，而且提高了蒸发段的换热系数；进一步提高热流密度，液池内的沸 腾将得以增强，根据充液量的多少，飞溅的液体将不断湿润干涸的蒸发段管壁面， 类似于间歇沸腾；蒸发段热流密度得以再增大，将达到沸腾极限。可见，热流密 度和充液量是影响热虹吸管的重要因素。 i m u r a t 4 7 】等建议用以下关系式计算蒸发段的平均换热系数： 铲吣2 ( 筹m 3 8 ， 式中，见大气压力，m p a ； g e 蒸发段的热流密度，w m 2 2 1 3 两相闭式热虹吸管的传热极限 由于两相闭式热虹吸管的结构特征，其传热极限主要有携带极限、干涸极限 和沸腾干涸极限。携带极限涉及到逆向流动的蒸汽和液体界面的剪切力，干涸极 限与一定热流密度下的最小充液量有关，沸腾极限则类似于池沸腾的蒸汽全部覆 盖管壁的临界热流密度。这些传热极限都将导致管壁温度升高而过热，严重时将 烧毁热虹吸管。携带极限是对蒸汽段轴向热流密度的限制，干涸极限和沸腾极限 是对蒸发段径向热流密度的限制。当充液量较小时，一般首先发生干涸极限；在 充液量较大且蒸发段径向热流密度较大而轴向热流密度较小的情况下，将首先发 生沸腾极限，而当充液量较大且径向热流密度较小而轴向热流密度较大时，则首 先发生携带极限。通常热虹吸管均有较大的充液量，所以对于细长管，即在热虹 吸管蒸发段的长径比很大时，首先要考虑携带极限【4 8