（动力机械及工程专业论文）无交叉感染负压式空调热管换热器的模拟计算.pdf

摘要 摘要 热管换热器作为一种高效换热器，有诸多优点，可用于诸如医院、 游泳馆等不允许新排风交叉感染的特殊场所，具有良好的应用前景。但 就目前而言，热管换热器在空调系统中的应用还处于推广阶段，有很多 地方尚未完善，有待解决。尤其是因2 0 0 3 年非典应运而生的无交叉感 染的负压式空调热管换热器，复杂的结构和多变的工况决定了其知识体 系的高度复杂，并由此导致了空调系统的结构庞大、成本昂贵。面对激 烈的市场竞争，提高负压式空调热管换热器设计的合理性、经济性以及 加快其商品化应用进程是当前亟待研究的课题。 本文针对无交叉感染的负压式空调热管换热器回收排风能量的特 点，结合理论分析，采用一种离散型计算模型，运用有效度一传热单元 数( 1 一n t u ) 法，通过多次迭代对该类热管换热器内温度场和流场分布进 行了模拟计算。 论文以年纯经济收益最大为目标函数建立了无交叉感染的负压式 空调热管换热器的优化设计模型，然后通过对设计变量之间的相互关系 以及它们对传热和压力降的影响程度的理论分析，缩小了模型求解过程 的搜索区间，最后采用穷举法结合惩罚函数法求解模型。 本课题为无交叉感染的负压式空调热管换热器开发了一套较为完 善的设计计算程序，提高了其经济性，同时也为低温热管换热器在负压 式空调系统能量回收中的推广应用奠定了基础。 关键词：空调热管换热器模拟优化 a b s t r a c t a b s t r a c t a sak i n do fh i 曲e m c i e n c yh c a le x c h a n g e r s ，m eh e a tp i p eh e a t e x c h a n g e r h a sm a i l ym e r i t sa n dc a nb eu s e di ns o m es p e c i a lo c c a s i o ns u c h a sh o s p i t a la n dn a t a t o r i 啪，w h e r et h ec m s si n f e c t i o nm u s tb ep r e v e n t e d ，s o i th a sab r i g h tp r o s p e c tf o r 印p l i c a t i o n h o w e v e r ，a p p l i c a t i o no ft h eh e a t p i p eh e a te x c h a l l g e r 叩p l i e di n 也en e g a t i v ep r e s ss t y l ea i r _ c o n d i t i o n i n g s y s t e mj l l s tb e 百n s ，a 1 1 dt h e r ea r es t i l lm a i l yf l a w sa b o u ti tw h i c hn e e dt ob e i m p r o v e d e s p e c i a l l y ，m es a r so ft h ey e a r2 0 0 3g a v eb i r mt ot h en oc r o s s i n f b c t i o nn e g a t i v ep r c s ss t y l ea i r - c o n d i d o n ，w h i c hw a sd i s c u s s e db yt h e a u t h o rh l t h i s p 印e l t h ea u m o ra d o p t e da n 猢o n i a _ a l u 】n i n u mi n c l i l l e d 笋a v i t yh e a tp i p e h e a te x c h a n g e ra sm es t r l l c t u r eo fm eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e ra p p l i e di n t h en oc r o s si n f e c t i o nn e g a _ 七i v ep r e s ss t y l ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m t h e e v a p o r a 位o ns e c t i o na n dt h ec o n d 髓s a t i o ns e c t i o no f 廿l eh e a tp i p e sc a nb e c h a n g e d a st h e t e m p e r a t u r e o fm eo u t d o o r n e g a t i v ep r e s ss t y l e a i r - c o n d i t i o l l i n gs y s t e mv a r i e s ，a 1 1 dm i sw i l lb ec o m e 仃u et h ec a l l b a c ko f t h e e n e r g yt h r o u 曲t h ew h 0 1 ey e a ra f c e ra n a l y z i n gt 1 1 ec h a r a c t 嘶s t i c so fe n e 唱y r e c o v e r yi nn oc r o s si n 岛c t i o nn e g a t i v ep r e s ss t y l ea i 卜c o n d i t i o n i n gs y s t e m ， o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a l 如a l y s i sa i l dd o c u m e n t sh o m ea i l da b o 盯d ，m e a u t h o rt o o kam e m o do fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nf o rt h i sh e a te x c h a n g e ra n d a c c o m p l i s h e di tb yu s i n gad i s c r e t ec a l c u l a t i o nm o d e l ，t r a n s f c ru n i t s ( 毛一n t u ) m c t h o da n di t e r a t i o n t h i s p a p e r e s t a b l i s h e do p t i m u md e 8 i 弘sr n o d e lo ft h en oc r o s s i n f e c t i o nn e g a t i v ep r e s ss t y l ea i r - c o n d i t i o n j n gt h eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e a c c o r d i n gt o d o l l a r s a n d c e m so fy e a ra sm eb i g g e s ta i mf i l ：n c t i o n a f t e 刑a r di tr e d u c et h es e a r c h 、si m e r z o n eo fs 0 1 v ec o u r s ed 印e n d i n go n i 韭室奎望查堂堡主堂堡堡塞 t h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h ec o r r e l a t i o no fd e s 弛v 撕e sa n di n n u e l l c ed e 莎e e o f 如s i 飘v a d e sv 8h e a tt i a n s f h 锄d 掣e s s er e d u c e a st h ec o n c l u s i o n ，a ni n t e g r a t e dd e s i 耶p m g r 锄f o rt h eh e a tp i p eh e a t e x c h a i i g e ra p p l i e di nn oc r o s si n f 酏t i o nn e g a t i v ep r e s ss t y l ea i r - c o n m t i o n i n g s y s t e n lw a se s t a b l i s h e d ，w l l i c hi m p m v e dt 1 1 ed e s i g nm e m o d 卸d r e d u c e dm e c o s to f t h ee q u i p m e f l t t h es t u d yo f s i m u l a t i o no p t i m i z a t i o nw o u l dp r o m o t e m ep o p u l a r i z a t i o no ft h i sh e a te x c h a n g e ra 1 1 df a c i l i t a t em eh e a te x c h a n g e r d e s i 印f o re n g i n e e r sa n dt e c l l l l i c i a l l s k e y w o r d s ：a i r _ c o n d i t i o n i l l g ， h e a t p i p e ， h e a t e x c h a n g e s i m u l a t i o n ， o p t 抽1 i z a t i o n 主要符号表 主要符号表 面积，m 2 迎风面积，m 2 翅片表面积，m 2 翅片管外总表面积，m 2 总传热面积，m 2 管内表面积，m 2 翅片间光管面积，m 2 光管外表面积，z 污垢面积，m 2 宽度，皿 定压比热容，k j ( 艟) 热量折算价格，y u a n ( k w h ) 电费比价，y u a n ( k w h ) 年维修费用与总投资之比 贷款年利率 年折旧费用 总投资与热管成本之比 电费比价，y u a n ( k w h ) 直径，m 质量流量，k g ( m 2 s ) 对流换热系数，w ( m 2 ) 高度，m 有效对流换热系数，w ( m 2 ) 热管内部冷凝换热系数，w ( m 2 ) 热管内部蒸发换热系数，w ( m 2 ) v a&m氏b g巴巳口厶g e d g h h k 晰 北京交通大学硕士学位论文 v i k 传热系数，w ( 2 ) l 长度，m m 质量流量，k g s n ，单位管长的翅片数 n f a 管束最小流通截面积，m 2 n t u 传热单元数 n u 努谢尔数 p 动力设备消耗功率，w p r 普朗特数 q传热量，w r 总热阻，w r e 雷诺数 s 总热导，骅 s 。 纵向管间距，m s ，横向管间距，m t 温度， v 流速，j 1 】s v 体积流量，m 3 s w 热容量，w 1 v n 迎风面标准风速，m s 6 厚度，m p压力降，p a t 温差， t m 对数平均温差， a 冬季工况的有效运行时间，h y 。 夏季工况的有效运行时问，h y q 散热损失率，换热效率 n ， 动力设备的效率 主要符号表 u p 上脚标 c n 下脚标 1 9 c d e f h n l l m m a x m l n 0 p w x 黏度，k g ( m s ) 传热有效度 密度，k g m 3 导热系数，w ( m 2 ) 冷流体 热流体 第j 排 进口 出口 冷流体或冷侧 冬季工况 加热段 流体或翅片 高温段 热流体或热侧 内部 第j 排 极限 最大值 最小值 外部 热管 蒸汽 管壁 夏季工况 v i i 第一章绪论 第1 章绪论 1 1空调系统能量回收概述 能源是发展崮民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条 件。能源丌发与利用程度是反映人类进步、文明的一个重要标志。能源 的生产、建设与消费，又将直接制约着国民经济的向前发展和人民物质 文化生活水平的提高。因此，能源问题己成为当今世界普遍关注的重大 问题，也是人类生存面临的四大问题之。我国人均拥有能源资源低于 世界平均水平，能源问题已被列为我国经济建设的战略重点。在总能源 消耗中，建筑能耗占了较大比重，而空调耗能又占了建筑能耗的相当大 的比例。据统计，冬夏两季节，空调能耗占整个建筑能耗的5 0 以上“1 。 无交叉感染的负压式空调是种新型的空调，其综合性技术包括建 筑物本身、空调系统和设备的节能。其中，采用热回收装置。将新风、 排风进行热交换，回收排风的能量，减少新风冷、热负荷是一种比较有 效且可行的节能方法。 一般新风负荷占空调总负荷的2 0 3 0 ，则新风能耗占建筑总能耗 的1 0 1 5 。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，在对 冷空气预热，正常工作的前提下，仍可以节省送风总加热量能耗3 5 4 0 ”1 。由此可见，通过热回收系统，使新风与排风进行热( 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。 发展的产业政策。 北京交通大学硕士学位论文 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。如 民用空调建筑节约用电的若干规定中规定：“凡是空调面积在3 0 0 m 2 以上的建筑，空调系统应选用匹配的热回收设备，利用空调排风中的热 量或冷量，总的热回收效率应达到4 0 5 0 ”。3 。 1 2 各类热回收装置的比较 热回收方式比较多，归纳起来分两大类“”，即显热回收装置和全 热回收装置。显热回收装置又包括中间热媒式换热器、板式显热换热器 和热管式换热器。全热回收装置既能回收显热，又能回收潜热，此类装 置包括转轮式换热器、板翅式换热器和热泵式换热器。 中间热媒换热器是在新风和排风间设置热交换器，其间采用热媒 ( 水或防冻液) 传热，不断将排风中的热( 冷) 量转移到新风中去。因新风 与排风不直接接触，故不会产生交叉污染，且供热侧与得热侧之间是通 过各自独立的管道连接，所以管道可以各自延长不影响对方，布置灵活 方便，但是须配备循环水泵，存在动力消耗，通过中间热媒输送，温差 损失大，换热效率较低，一般在6 0 以下。 板式显热换热器，结构简单，运行安全、可靠，无传动设备，不消 耗动力，无温差损失，设备费用较低。但是设备体积大，须占用较大建 筑空间，接管位置固定，缺乏灵活性，传热效率较低。 热管换热器中的热管由密闭真空金属管内充注一定量的工质构成， 在真空管内反复进行工质的冷凝和蒸发循环，从而由于吸热和放热进行 热量回收。热管换热器基本上为回收显热，仅当排风侧有冷凝水出现时 存在一定量的潜热回收。热管换热器不需要动力源，无运行费用，可应 用于不同相态间流体的能量回收。根据金属管材质和充注工质的不同， 其适用温度范围一4 0 4 3 0 。由于中间隔板完全将新风和排风分隔开， 两者间不会混合流动，可应用于排风环境有污染的场所。 转轮式换热器主要由转轮、驱动马达、机壳和控制部分组成，中央 第一章绪论 被隔板隔成排风侧和新风侧，排风和送风为逆向流动。转轮以8 1 0 r p m 的速度缓慢旋转，把排风中热量蓄存起来，然后再传给新风。 如果转轮是特殊阻燃纸或塑料( 表面有吸湿材料或涂层) 组成的，则能回 收显热也能回收潜热，即回收全热。转轮中间设有清洗扇，本身对转轮 有自净作用。对转速控制，能适应不同的室外空气参数，而且能使效率 达到7 0 8 0 以上。但是转轮式换热器是两种介质交替转换，不能完全 避免交叉污染，因此流过气体必须是无害物质，另外设备装置较大，占 有较多面积和空间，接管固定，带传动设备，消耗一定的动能。 板翅式换热器与板式显热交换器结构相似，仅在换热隔板材质上采 用特殊加工的纸或膜，通过水蒸汽分压力差进行传热和传质的交换，热 效率低于转轮式热交换器。板翅式换热器，无驱动能耗，用铝箔制成的 换热器压力损失相对较小，而用阻燃纸换热器相对的压力损失较大。此 外，板翅式换热器要做好过滤工作，防止尘埃阻塞。 表卜1 各种热回收装置比较表 能量回收系统效率设备维护辅助占用交叉自身接管灵 费保养设备空间感染能耗活性 转轮式换热器高高 中 无 大 有少差 板式显热换热器低低 由 无大无无差 板翅式全热交换器高 由 中无大有无差 中间热媒式换热器低低 难 有中无多好 热管换热器中中易无小无无 由 热泵式换热器 由 高难 有 大无 多好 热泵式换热器，能回收大量潜能，热效率高。但是需配备压缩机， 冷凝器，蒸发器等一系列配套设备，其本身能耗，设备投资造价较高。 以上全热、显热回收装置，不论优缺点如何，从节能的角度都是可 以采用的，但是选择热回收装置时，应结合当地气候条件、经济状况、 工程的实际情况、排风中有无有害气体的情况等诸多因素，综合考虑， 进行技术、经济分析比较，以确定选用合适的热回收装置，从而达到以 较少的投资，回收较多热( 冷) 量的目的。表卜1 “3 对多种热回收系统进 第一章绪论 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) 。 低温热管在通信联络中用于冷却红外线传感器、参量放大器；在医学方 面用于低温手术刀，成为眼睛和肿瘤的手术工具等。在电子方面用于电 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、 冶金、玻璃、轻工、陶瓷等领域的高效传热传质设备中均有所发展。 1 3 2 热管换热器的应用 随着工业的迅速发展，能耗增大与能源紧张的矛盾越来越严重。热 管以其优良性能，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。 目前世界上热管换热器的应用研究己经在以下几个方面取得了成 果，进入了定型生产和标准化阶段：用热管换热器回收工业排气中的余 热；用热管或热管换热器移走大功率电子元件或电子仪器散出的热量： 作为利用自然能源的换热器；作为化学反应器的换热设备。 1 回收工业排气中的余热 工业排气的温度往往高达上百度，若直接排放到大气中 x 北京交通大学硕士学位论文 t l 图1 _ 1 热管式笙调通风换热器温降图 1 吸液芯式热管通风换热器 吸液芯式热管通风器的结构如图1 2 所示。在热管的内部，装有吸 液芯，内部工质靠吸液芯的毛细作用，冷凝液由冷却段回至加热段，完 成工质循环。吸液芯式热管的特点是，要求热管水平布置( 当加热段在 下端时，也可垂直或倾斜布置) ，换热器的任端的气流通道，既可作 加热段，也可作冷却段。这样，只要确定排风段和新风段，无论排风侧 是热气流还是冷气流或者新风侧是冷气流还是热气流，均能实现热交 换。因此，可以不改变风扇的给排风方向，就能实现全年运行。吸液芯 式热管通风换热器可以是窗式、壁挂式或顶棚式。 室外新风 室内排风 图卜2 吸液芯式通风换热器结构示意图 但是，吸液芯式热管通风器热管的加工制作比较复杂，设备成本费 第一章绪论 相应比较高，而且目前应用于空调系统的吸液芯式热管理论还不完善， 技术还不成熟。 2 重力式热管通风换热器 重力式热管通风换热器的结构如图1 3 所示。 冷气流 一 黼少 图1 3 重力式热管通风换热器的结构示意图 重力式热管的最大特点是制作加工简便，以它作为传热元件的换 气扇成本低，安装使用方便。但由于重力式热管的冷凝回流液是依靠回 流液自身重力回到加热段，故热管仅能垂直或倾斜布置，且加热段一定 要置于下端，冷却段一定要置于上端，即热气流一定要流经换热器的下 部，冷气流一定是流经换热器的上部。这样，一旦确定了风扇转向，如 热气流( 室内) 排出，冷气流( 环境) 给入，那么，该排气扇就只能在冬季 使用，而不能全年使用。但是，如果配置可正反转的轴流风机，重力式 热管通风换热器就可以全年使用。 重力式热管换热器仅限于窗机，不便用于中央空调系统，不宜接新 风管、排风管，其使用范围比较小。 1 4 2 热管式空调系统 热管式空调系统的流程图如图1 4 所示。 第一章绪论 量大大减少，甚至可以不设二次加热。而冬季，夏季使用的那部分热管 换热器停止工作，换热器另一端开始工作排风流经热管换热器的另一 端，换热器的排风侧成为蒸发段，新风进入热管换热器中间段的另一边 ( 冷凝段) ，冬季新风在此预热。 该热管换热器对新风、排风的管路设计有比较大的限制，给空调系 统的设计带来极大的不方便，而且全年运行采用了两组热管，大大增加 了设备费；而且设备体积庞大，不利于实际工程应用。 送至空调房间宣外空气 排风 图卜6 热管换热器示意图 1 4 3 无交叉感染的负压式空调热管换热器的产生 1 4 3 1 空调用分体热虹吸热管换热器 南京工程兵学院军事环境教研室研制了分体热虹吸热管换热器o “， 用于空调排风能量回收。试验样机如图卜7 所示。其蒸发段和冷凝段是 分开的，通过蒸汽上升管和液体下降管连通起来，形成一个自然循环回 路。分离式热管的冷凝段必须高于蒸发段，液体下降管与蒸汽上升管之 间会形成一定的密度差，这个密度差所能提供的压头与冷凝段和蒸发段 的高度差密切相关，它用于平衡蒸汽流动和液体流动的压力损失，维系 着系统的正常运行，而不再需要外加动力。 分体热虹吸热管换热器将冷热源的位置分离开了，有利于新、排风 的管路设计。但是分体热虹吸热管换热器的结构比较复杂，并且它的冷 凝段与蒸发段的位置固定，则也存在如何与空调系统的新、排风管连接 北京交通大学硕士学位论文 才能方便的实现全年工况下的排风能量回收的问题。 5 l - 冷凝段；2 蒸发段；3 集液箱：4 下降管；5 上升管 图卜7 分体热虹吸热管换热器试验样机 1 4 3 2 含热毛细动力循环式热回收空调系统 热毛细动力循环式热管是一种能远距离传输能量且热阻低、传递热 温降小的高效热交换装置。热毛细动力循环系统的工作原理，如图卜8 所示，它由冷凝器、蒸发器、传输管道和控制装置( 温度传感器、控制 器和调节阀) 组成。当蒸发器吸收外面流动空气的热量时，液芯中液体 就蒸发成蒸汽，蒸发器内由于毛细吸液芯中汽液两相存在而产生毛细压 头。在毛细压力作用下，蒸发器中蒸汽经蒸汽管道流向冷凝器，在冷凝 器中由于向外面放出热量而冷凝成液体，冷凝器中液体由于毛细压力作 用经液体管道流向蒸发器，从而形成热毛细动力循环。 1 2 图1 8 热毛细动力循环式热管原理图 北京交通太学硕士学位论文 第2 章热管及热管换热器 为了进行应用于空调系统热管换热器的模拟计算以及实现对热管 换热器的优化设计，本章首先简要介绍一下热管及热管换热器的有关知 识，为热管换热器的模拟优化研究提供基础。 2 1热管 2 1 1 热管的结构和工作原理 热管的基本工作原理如图2 一l 所示。典型的热管由管壳、吸液芯和 盖端组成，管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由 多孔性物质构成的吸液芯，将管内抽成1 3 ( 1 0 1 0 1 ) p a 的负压后充 以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后 加以密封。管的一端为蒸发段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) ，根 据应用需要在两段中间可布置绝热段。热管的工作原理是在管的一端加 热，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热 量凝结成液体；液态工质在管芯毛细力的作用下又返回蒸发段，继续蒸 发吸热。如此循环往复，把热量源源不断地从加热段传递到冷却段。由 于是相变传热，因此热管的内部热阻很小，能以较小的温差获得较大的 传热率。 利用热管原理可以做成各种形式的热管元件和热交换设备，以满足 不同场合的需要。 凝结液的回流除了依靠吸液芯毛细抽吸力之外，还有重力、重力加 毛细抽吸力、离心力、渗透压力等，据此将热管分为以下类型： a 吸液芯热管：依靠毛细抽吸力( 表面张力) 回流工作液，它在宇航 事业的应用中非常成功。 4 北京交通大学硕士学位论文 才能使冷凝液靠自身重力得以返回潦增磷茹： 与淮彘些黧鞯囊筵翊幢刿灌籀一臻吲汪葛。篝猿烈狸玲翼呈述朗； 瑟瀣淄骡磊醚。罂班耽酗。器箝“娃。茹蟛邂睛强2 道 i l ；雌蚶鹳掣： 要醴醐弭冁础驯翼掣魁孵馨“彰鹭雏鞠如蹦器胬静铀妊。噩器锚搞冀摄 漕萎翟转。已醺赫掣托蝉斟贮塑骡醐掣蓝明刊疆蔼姆懿弧鹃，澄罐磕穗 缓礴洱滁i ? i ：薹卧；飘翥“ “管 式通风换热器 热管式通风换热器( 节能换气扇) 由数根热管构成，通过中间隔板， 将换热器分成两部分，一段为排风段，另一段为新风段，或分别称加热 段和冷却段。建筑物内的污浊空气由换热器的排风段排出，同时室外新 鲜空气由另一段，即新风段进入。通过热管式换热器，一方面，向室内 置换新鲜空气，降低室内c 0 2 浓度，另一方面，排出的气体和引进的 新风之间进行热交换。在冬季( 采暖时节) ，室内温度高于室外环境温度， 通过换热器可将排出的室内热空气预热换入的室外冷空气，使新风在高 于环境温度下进入室内，从而降低空调( 或其它采暖装置) 的采暖负荷； 在夏季，室内温度低于室外环境温度，经热交换排出的冷风可吸收由引 第二章热管及热管换热器 k 。，k c u - 8 3 7 6 6 倍。热管利用了工质的相变传热，这是最强的换热方式， 以汽化潜热的方式所传输的热量一般要比以显然方式所传递的热量大 几个数量级。紫铜棒则是典型的金属导热过程，主要依靠体内自由电子 运动传递热量。热管的传热能力虽然很大，但也不可能无限地加大热负 荷。事实上有许多因素制约着热管的工作能力。换而言之，热管的传热 存在着一系列的传热极限，限制热管传热的物理现象为毛细力、声速、 携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等。这些传热极限 与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关，限制热 管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的最小值所决 定的。如果以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图2 3 所示的热 管最大传热极限示意图。 操作温厦t 图2 3 热管的传热极限 1 连续流动极限 对于一般热管来说，管内蒸汽流动通常是连续的。然而，随热管尺 寸的减小，管内蒸汽可能失去连续流动特性。在非连续蒸汽流动下热管 的传热能力将受到很大限制，沿热管长度方向将存在着很大的温度梯 度，因此，热管可能会失去其作为高效传热设备的优势。对于小型热管 和微型热管尤其是这样，因为它们的容积都非常小。 。；了蜥地“埘 北京交通大学硕士学位论文 2 冷冻启动极限 从冷冻状态启动过程中，蒸发段来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再 次冷冻，这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正 常启动工作。在室温下，低温或中温热管管内工质通常为液态，而高温 热管管内工质通常为固态。因此，冷冻启动极限在高温热管的操作中经 常遇到。 3 粘性极限 当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零时，如 液态金属热管，在这种条件下，热管传热能力将受到限制，热管的工作 温度低于正常工作温度范围时将遇到这种极限，它又被称为蒸汽压力极 限。 4 声速极限 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度 可能达到声速或超声速，出现阻塞现象，这时的最大传热量被称为声速 极限。声速极限在低温或大热流密度下( 液体金属热管低温启动) ，容易 出现。一般热管正常运行时，声速极限不常出现。 5 携带极限 当热管中的蒸汽速度足够高时，液汽交界面存在的剪切力可能将吸 液芯表面液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限制 了热管的传热能力。 6 毛细极限 热管中工质循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维 持，由于毛细结构为循环提供的毛细压头是有限的，这将使热管的最大 传热量受到限制，这种限制通常称为毛细极限或流体动力极限。 7 冷凝极限 热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的 存在将降低冷凝段的冷却效率。 8 沸腾极限 第二章热管及热管换热器 如果径向热流或管壁温度变得非常高，吸液芯中工质的沸腾可能阻 碍工作液体的循环，限制传热能力，此极限称为沸腾极限。 2 1 4 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。 1 携带极限 携带极限也叫做液阻极限，易出现于充液量较大，轴向热流密度亦 较大的情况，它是由热虹吸管内逆向流动的蒸汽回流的液体在界面上相 互作用引起的，其机理与普通热管的携带机理一致。随着汽一液间相对 速度的增大，汽液界面上大粘滞剪切力阻碍着回流液体从冷凝段回到蒸 发段，高速的蒸汽流将携带着回流液体到冷凝段，使蒸发段干涸，管壁 温度飞升。当热流体状况稳定时，管内的液体被阻止回流到蒸发段，就 是达到了热虹吸管的携带传热极限。 2 于涸极限 当热虹吸管的充液量很少，蒸发段的径向热流密度相对较小时，在 蒸发段的底部可能出现干涸传热极限，在这种情况下，冷凝段的下降液 膜仍持续回流到蒸发段，然而蒸发段底部的液膜厚度接近零，可见此时 充液量只能满足热虹吸管的循环，即蒸汽和下降液膜的流动，蒸发段的 1 9 北京交通大学硕士学位论文 底部无液池存在。当蒸发段的热流密度增大时，热虹吸管的底部则出现 干涸，干涸的区域随着热流密度的增大而扩展，壁面温度持续上升，这 就是干涸极限。 3 沸腾极限 在充液量较大、径向热流密度很大的情况下易发生沸腾传热极限， 又称之为烧毁传热极限。随着径向热流密度的增大，蒸发段液池内开始 产生核态沸腾。热流密度进一步增大，液池内沸腾越来越激烈，当达到 临界热流密度时，汽泡聚合连成一片贴近管壁而形成蒸汽膜，蒸汽膜将 液体与壁面隔绝开来，导致壁面温度突然增高，这种现象类似于池沸腾 中的膜沸腾状态，即认为是达到了沸腾极限。 2 1 5 充液量与倾角对两相闭式热虹吸管传热的影响 影响两相闭式热虹吸管传热性能的因素有很多，例如热虹吸管的几 何尺寸、倾角、充液量、工质的物理性质参数和管内的蒸汽温度等。其 中充液量和倾角为最主要的因素。这也是热虹吸管与有芯热管的不同之 处。目前，关于充液量与倾角对热虹吸管传热影响的研究都偏重于实验 研究，从实验中得到关系曲线，并对从实验中观察到的流动结构做出分 析解释。用纯理论分析的方法还很少能够得到符合实际的结论。这里介 绍些主要的观点与结论。 2 1 5 1 充液量对传热量的影响 s t r e l t s o v 以经典的n u s s e l t 竖壁膜状冷凝理论解为基础，建立模 型，计算出含有最低限度概念的充液量，得到热虹吸管充液量与热流量 之间的关系式。3 似( 弘引i 警3 扼 ， 由该公式可知热虹吸管充液量与几何尺寸、工质物性有关，与热流 量的立方根成正比。但该模型与实际情况有较大差距，它仅基于热虹吸 北京交通大学硕士学位论文 的热管换热器如图2 4 所示，即所谓的整体式热管换热器。另外还有 分离式热管换热器。 1 整体式热管换热器：( 图2 4 ) 该种空气换热器是由许多单根热管组成的，热管数量的多少取决 于换热量的大小。为提高气体的换热系数，往往采取在管外加翅片的 方法( 其肋化比可达8 1o ) 这样可增加传热面积。它的一个重要优点是 热管管壁破坏时，冷、热气流不会相互串联。 空气进口 烟气出口 少 心 7 二l 咿时 赴必 图2 4 整体式热管换热器示意 2 分离式热管换热器见( 图2 5 ) 空气出口 烟气进口 _ 一 高温删 图2 5 分离式热管空气换热器图 第一章绪论 带热毛细动力循环热回收空调系统结构复杂，而且由于冷、热端的 限制，使其只限于单个季节的排风能量回收，不能实现全年气候环境下 的运行。 通过以上分析可知，现有的应用于空调排风能量回收热管换热器都 存在一些局限性，如不便于风道布置、不能实现全年能量回收、结构复 杂等。 1 5 本文研究意义和内容 目前，热管换热器的理论研究和较成熟的工程应用主要在高温环境 中或某些工业工艺过程中，热管换热器在无交叉感染的负压式空调系统 中的研究较少，也没有关于无交叉感染的负压式空调系统的热管换热器 的较完善的理论。 本文研究的无交叉感染的负压式空调系统热管换热器采用倾斜式 重力热管，在热管束的中间隔板处设置旋转支架，调节热管的倾斜方向， 结构简单并容易实现全年工况下的空调排风能量的回收。本文根据负压 式空调系统排风能量回收的特殊性，通过采用离散型计算模型和运用有 效度一传热单元数( e n t u ) 法，构造了无交叉感染的负压式空调系统热管换热器的模拟计算模型，分析了热管换热器的各个结构参数对换热量 伐的目的，本文最后以年纯经济收益最大为目标，对该热管换热器进行 了优化设计研究。 本文不仅为无交叉感染负压式空调热管换热器的研究奠定了理论 基础，而且有益于今后对负压式空调热管换热器的设计校核、在线检测 和变工况仿真模拟等，也将加快该热管换热器实现工业化的进程。因此， 北京交通大学硕士学位论文 整体式热管换热器均由同一类型的热管所组成。而组合式热管换 热器则是根据换热器中所处的温度段不同，而选择充有不同工作液体 的热管。如图2 7 所示，a 代表高温气体，b 代表低温气体。a ，b ，c d e ，f 代表六组热管，在a ，b 两组中可为不锈钢一液态金属钠或钾 热管，c 、d 两组可为碳钢一水热管，e ，f 两组为铝一氟利昂热管。工 作温度由高到低，可以选用最适宜在该温度区内工作的热管。 2 2 2 热管换热器特性 热管换热器与其它形式换热器比较起来有许多优点，如下： 1 传热性能好 ( 1 ) 由于在蒸发段及冷凝段外壁增加了翅片，增大了冷热流体的热 交换面积，因而强化了整个汽一汽传热过程； ( 2 ) 把传热的汽一汽换热器的交叉流型改为纯逆流，在不改变冷、 热流体入口温度的条件下，增大了传热过程中冷热气体换热的平均温 度； ( 3 ) 把气体管内流动改为垂直外掠流动。可使该管束的平均换热系 数提高约3 0 。 由此可见，热管换热器较其它形式的换热器，特别是常规管壳空 气换热器的传热性能要高。 2 结构紧凑、重量小 由于采用翅片式其传热密度增大，传热性能优良，故可以减少传 热面积，使设备的重量较少。 3 可调整的冷热比 由于能很方便地调整冷热侧换热面积比，从而可有效的避免有腐 蚀性气体的露点腐蚀，例如烟气中含有硫，且温度过低时通过调整冷 热侧换热比避免由此引起的硫腐蚀。 4 传热面局部破坏时，能确保两流体彼此不渗透 常规换热器由于两气体为间隔所隔，当传热间隔某一微小局部损 第二章热管及热管换热器 坏时，泄露随即发生，使介质渗透而受到污染。而热管换热器却可以 杜绝流体间渗透的现象。在热管换热器中，当热管元件某一端壳壁损 坏时，造成的只是该单一元件失效而停止传热，两种气体仍被元件另 一端的壳壁隔开，通过元件壳壁的泄露不会发生，因而能确保流体的 品质不会变坏。再加上单根热管损坏后更换方便，并不影响换热器整 体。所以，在气体品质要求严格，冷热气体不能相互污染的情况下， 热管换热器是非常理想的换热设备。 5 一种热源可加热几种不同介质 采用分离式热管换热器，可以用一种热源加热两种以上的冷介质， 且热源可传递到几十米以外的远处。这种方式，特别对热、冷源相距 较远的工程非常有用，这是其它换热器无法做到的。 2 2 3 热管换热器传热模型 传热有热传导、热对流和热辐射三种基本形式，而相对于热管换热 器来说可简化成如图2 8 所示模型：即热流体流过隔板的一侧时，将热 量传给热管，并通过热管将热量传给冷流体。 这里因通过热管管壁的轴向导热系数很小略去不计，在稳定运行 情况下，单根热管的传热量q 。( 单位：w ) 可以表示为： ，妒毒也_ f c )2 j 2 ) 式中，r 。一热管的传热热阻，w ； 一热流体温度，； t 一冷流体温度，。 北京交通大学硕士学位论文 ， c 拳t ”c i l c 0 1 。 孰 营，、 乙乙互 t v 乙乙二 t w h 0 热0 t h 1 h t w h l i 下端 铀矗当乖轴凹翌一 r h r w h r h i r c lr w c r c 图2 8 热管空气换热器的计算模型图 热管的传热热阻为热管外表面与热冷流体的对流换热热阻r 、胄。 及管壁径向导热热阻胄。、矗。，管内蒸发、凝结热阻r r 。之和，此 时可表示为： 月，= r + r 讪斗月村+ 胄。f + r w + 丑。 ( 2 3 ) 上式中各项可分别表示为： 弘者 ( 2 - 4 ) 式中，以一热流体与热管的对流换热系数，w m 2 ： 4 热管蒸发段的总表面积，m 2 。 第二章热管及热管换热器 耻南三n 式中，k 。一管壁导热系数，w 加2 - 乇一蒸发段长度，m ； 以一热管外径，m ； t 一热管内径，m ； 心2 志 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中，一热管壁与内部介质对流换热系数，w m 2 ； 彳。一蒸发段内部面积，m 2 如= 去 ( 2 _ 7 ) 式中，一热管冷却端内部对流换热系数，w m 2 - 厶一冷却段内部面积，m 2 。 耻志，n 式中，k 。一管壁导热系数，w m 2 t 一冷却段长度，m ( 2 8 ) 耻去 ( 2 - 9 ) 式中，a 。一冷流体与热管的对流换热系数，w m 2 ； 北京交通大学硕士学位论文 4 一热管冷却段的总面积，m 2 热管换热器是由许多根热管元件所组成 ( 单位：w ) 由下式计算得到。 q = q 2 2 4 热管换热器设计计算 故整个换热器的传热量 ( 2 1 0 ) 热管换热器发计计算内容主要包括换热器的热力计算和换热器的 结构设计计算两部分。而侧重是计算热管换热器的热力计算，即首先 求取总传热系数，然后根据平均温度及热负荷求得总传热面积，从而 定出管子根数。这与常规换热器设计有相似之处，但热管换热器另有 特殊点： 第一、需选择适当的标准迎风面风速，即需迎风面风速( 标准状况) 在2 3 m s 范围内。如风速过高会导致压力降过大和动力消耗增加，而 风速过低会导致管外膜传热系数降低，管子的传热能力得不到充分的 发挥。 第二、选择适合的翅片管参数。对清洁气体可选择较密的间距和 较薄较高的翅片，而对含尘多或有腐蚀性的气体则应选择间距较宽， 翅片较厚较低的翅片管，管的壁厚也应稍厚，以抗磨损和腐蚀。 第三、重视原始设计参数的核实及计算公式的验证。热管换热器 的设计应该特别重视原始设计参数，因为一般作为余热回收设备往往 是在己运转的系统中作为附加设备设计的，因此对前后设备的影响要 求颇为严格，现场原始参数( 气温、气量) 必须精确测定。根据场地情 况、系统的要求( 压降、温降等) ，选择合适的结构。对重要的工程以 及在缺少经验的情况下，一些重要的设计参数公式( 传热系数，压力降) 应进行必要的试验，予以验证。 热管换热器的设计方法正在不断改进和完善，就目前情况大致可 分为3 类，即：常规计算法、离散计算法和定壁温计算法。常规计算 第二章热管及热管换热器 法的出发点是把整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，因而可以 采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算：离散型计算法的出发点 是认为通过热管换热器热流温度变化不是连续的，而是阶梯式变化的 特点，通过离散办法建立传热模型，并进行设计计算；定壁温计算法 是近年来在实践中逐步摸索出来的一种方法，它主要是针对热管换热 器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的。主要目的是要把各排热 管( 特别是烟气出口处的几排) 的壁温都控制在烟气的露点之上，从而 可以免除露点腐蚀以及因结露而形成灰堵。 本课题是研究应用于空调系统的热管换热器，不需考虑露点腐蚀 和积灰的问题。因此，在此仅介绍前两种计算方法。 1 常规设计计算法 该模型认为热流体流过隔板一侧，将热量传给带有翅片的热管， 并通过热管将热量传至另一侧，热流体沿流动方向不断被冷却。原则 上可以把热管群看成是一块热阻很小的“间壁”，热流体通过“间壁” 的一侧不断冷却，冷流体通过“间壁”的另一侧不断被加热。因而利 用等效间壁式计算模型的热管换热器的设计计算基本上与常规间壁式 散热器的计算方法相同。一般采用平均温压法或传热有效度一传热单元 数法( 一n t u 法) “”8 2 1 对热管散热器进行热力计算。运用该模型，通过 几次试算可取得较为满意的结果。以下采用平均温压法，按照热管散 热器的设计路线的等效间壁式计算模型。 第一、确定原始工艺数据。一般在设计前应已知以下参数：热气 体的标况流量、冷气体的标况流量、热气体进口温度、热气体的出口 要求温度( 其温度应高于该气体在管壁上产生露点腐蚀的温度) 、冷气 体的进口温度及热管有关参数