（制冷及低温工程专业论文）吊顶单元式热虹吸管能量回收机组的开发与运行特性研究.pdf

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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：集凄 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) 躲糖导师签名：三瓣 日期：逊垒鲤 摘要 捅要 立足我国当前经济、社会的发展背景，结合能量回收设备在建筑采暖方面 的重要节能意义，通过总结分析热虹吸管能量回收机组的研究新进展，提出适 用于中小空间中央空调能量回收机组单元式热虹吸管能量回收机组，综合 比较后得出，单元式热虹吸管能量回收机组，具有较高的研究、开发价值以及 广阔的市场应用前景。本文主要采用工程试验的方法考核研究样机的实际运行 特性。 结合实验需要，分析比较了各种小温差能量回收机组的运行工况差异对建 筑节能的差异。在此基础上，初步确定了热虹吸管能量回收机组作为建筑节能 设备研究对象。 根据目前市场上建筑节能能量回收设备的产品形式，在研究热虹吸管能量 回收机组的基础上，根据风机盘管的结构，研制出小型吊装单元式热虹吸管能 量回收机组。针对机组的特点，搭建了实验台，采用试验方法检验样机的参数 运行状况，通过进一步调整机组结构和运行参数，使其整体上节能效率最优化。 在运行参数达到样机正常指标的基础上，通过理论计算与实验修正相结合方法， 选择确定了样机的结构尺寸和运行参数。 对冬夏两个季节的现场测试数据进行整理，分别分析了样机的冬夏季运行 特性。通过对实验数据进行计算分析，从不同角度分析其能效比。 使用焓频法结合北京地区气象资料，对样机在北京地区运行节能效益进行 深入研究，揭示了其在实际工作过程中的运行特性和应用范围。 关键词热虹吸管；能量回收；节能分析；运行特性 北京工业大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do no u rc u r r e n te c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，c o m b i n e dt h ei m p o r t a n t s i g n i f i c a n c eo fe n e r g yr e c o v e r ye q u i p m e n ti nt h eb u i l d i n gh e a t i n g ，a n da n a l y z e dt h e n e wp r o g r e s sa b o u tt h e r m o s y p h o nh e a te x c h a n g e r , c e i l i n gu n i t t h e r m o s y p h o n e n e r g yr e c o v e r ye q u i p m e n tw a sm a d ef o re n e r g yr e c o v e r yo ft h es m a l l & m i d d l e s p a c e o nc o n c l u s i o n ，i t sw o r t h i n e s so f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti sq u i t eg r e a t ，a n d p o t e n t i a lo fa p p l i c a t i o nm a r k e ti se n d u r e t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fap r o t o t y p e i si n v e s t i g a t e da n dt e s t e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o da se n g i n e e rs t a n d a r di nt h i sp a p e r m e e t i n gt ot h ew h o l ee x p e r i m e n t ，t h ev a r i o u ss m a l lt e m p e r a t u r eh e a te x c h a n g e r s w e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d o nt h eb a s i c ，c e i l i n gu n i t t h e r m o s y p h o ne n e r g y r e c o v e r ye q u i p m e n ta r ec h o s e na p p r o x i m a t e l yf o rb u i l d i n ge n e r g yr e c o v e r y b a s e do nh e a tp i p ee x c h a n g e ra n dt h ec u r r e n te n e r g yr e c o v e r y e q u i p m e n t ， c e i l i n gu n i tt h e r m o s y p h o ne n e r g yr e c o v e r ye q u i p m e n tt h a tu s et h es t r u c t u r eo f f a n c o i lu n i ti sr e s e a r c h e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c ，e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r e s e tu pf o rt e s t i n g t h ew o r kp r i n c i p l eo fp r o t o t y p e ，t h ep r o t o t y p ea n di t st e s t i n g s y s t e ma r ea l li n o d u c e d t h r o u g hf u r t h e ra d j u s t m e n tt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n p a r a m e t e r st oo b t a i nt h eo p t i m i z a t i o no fe n e r g ye f f i c i e n c y a f t e ri t so p e r a t i o ns h o w s n a t u r a lp a r a m e t e r , p r o t o t y p eo ft h es t r u c t u r es i z ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，b y t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lm o d i f i c a t i o n ，a r es e l e c t e d o n c ea g a i n , t h et e s t i n gd a t ai nw i n t e ra n ds u m m e ra r ec a l c u l a t e dt oa n a l y z et h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o t y p e w i t ht h a t ，e n e r g ye f f i c i e n c yf r o md i f f e r e n t p o i n t sw a sa n a l y z e db ya n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a t h eu s eo fe n t h a l p y - f r e q u e n c ym e t h o dc o m b i n e dw i t hw e a t h e rd a t ai nb e i j i n g ， t h ep r o t o t y p et or u ni nt h eb e i j i n ga r e ai ss t u d i e d f r o mt h a tr e v e a l e di t sw o r k d u r i n g t h ea c t u a lo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n s k 呵w o r d st h e r m o s y p h o n ；e n e r g yr e c o v e r y ；e n e r g ya n a l y s i s ；o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 卜制冷剂充灌量，k g 9 砷热量，w 卜毛细管长度，m r _ 一热阻，腑 a 面积，m 2 s 间距，m 卜质量流量，k g m 2 s b 宽度，1 1 1 h 一高度，m i 卜对流换热系数，w n 1 2 n t i 卜传热单元系数 n f a 管束最小流通截面积，m 2 a 。翅片之间光管面积，l n 2 a 广翅片表面积，m 2 a n 翅片管外总面积，m 2 a r 总传热面积，n 1 2 a 广污垢面积，m 2 a 广光管外表面积，m 2 a i 管内表面积，m 2 卜一温差， ( 卜一直径，m t _ 瑚度， b 室外空气焓值，k j k g 广密度，k g m 3 i i _ _ 一动力粘度，n s m 2 1 1 肋化效率 卜热管厚度，m a _ 导热系数，w m r 机组运行时间，h 矽设备开启率 上标： b _ 热流体 r 冷流体 i i i j 第j 排囊一 卜加热段 卜流体或翅片 卜冬季工况 卜夏季工况 下标： l l - 热流或热侧 p 冷流或冷侧 妒管壁 o 外部 i 内部 p 蒸汽 p _ q 管 1 瑚口 2 出口 m a ) ( 最大值 i i 】i n _ 一最小值 l v 】 一i i i 。v 1 1 1 1 3 小型热虹吸管能量回收机组的应用概述3 1 4 国内外关于此课题研究的相关成果和借鉴3 1 4 1 空调余热回收热虹吸管能量回收机组的研究现状4 1 4 2 热管能量回收机组结构形式的研究现状一5 1 5 本文所要做的工作7 1 6 本章小结一7 一 第2 章热管及热管能量回收机组9 2 1 热管9 2 1 1 热管的工作原理一9 2 1 2 热管的特性1 0 2 1 3 热管的类型1 0 2 1 4 两相闭式热虹吸管的结构和工作原理1 1 2 1 5 影响热虹吸管能量回收机组的主要参数一1 1 2 2 单元式能量回收机组1 5 2 2 1 单元式能量回收机组的特点1 5 2 2 2 单元式能量回收机组的研制一1 6 2 2 3 单元式能量回收机组的传热分析17 2 2 4 单元式能量回收机组的设计计算2 1 2 3 本章小结2 7 第三章样机的试验研究一2 9 3 1 系统工作原理2 9 3 2 试验装置及测试系统2 9 3 3 测试方法与内容一31 3 4 数据整理与分析3 卜 3 4 1 温度效率e 一31 3 4 2 冬季工况分析31 3 4 3 夏季工况分析3 4 3 5 本章小结一3 7 第四章样机的应用分析3 9 4 1 样机在北京地区的应用分析3 9 4 1 1 焓频法定义与计算方法3 9 。 v 北京工业大学t 学硕士学位论文 4 1 2 案例分析一4 卜 4 2 样机的节能、经济效益分析4 2 4 3 本章小结4 3 结论一一4 5 参考文献一4 7 一 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 0 致谢51 。 v l 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 建筑能源利用的形势 未来2 0 年，中国将实行“节能优先、结构优化、环境友好 的可持续能源 发展战略，节约资源已经提升到了基本国策的高度，国家“十一五 发展规划 中也对节能减排制定了明确的目标。国务院发展研究中心的中国能源综合发 展战略与政策研究报告中指出，未来2 0 年中为适应全面建设小康社会的新形 势，将节能战略重点调整为：在继续推进工业节能的同时，把建筑、交通作为 节能的重点领域。 有关数据显示，建筑用能在我国能源总消耗量中所占比例已从1 9 7 8 年的 1 0 上升到2 0 0 3 年的2 7 4 7 ，并且将继续保持增长的势头。预计，建筑能耗 在全社会终端总能耗中所占的比例将逐步提高到3 5 左右。所以建筑将超越工 业等其他行业成为用能的主要增长点，建筑节能将成为提高全社会能源使用效 率的首要方面。在整个建筑能耗中，空调能耗占了很大比例。据统计，冬夏两 个季节，空调建筑的空调能耗约占整个建筑能耗的5 5 - - 6 0 t 1 1 。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 消的问题，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 0 o - - - 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余热，如果设置热回收装置， 再对冷空气进行预热，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 。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。 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 2 各类热回收装置的比较 应用于建筑空调的热回收装置比较多，总体归纳起来有两大类【2 - 3 】：一是 显热回收装置，二是全热回收装置。显热回收装置有盘管热环式能量回收机组、 板式显热能量回收机组和热管式能量回收机组。全热回收装置既能回收显热， 又能回收潜热。此类装置有转轮式能量回收机组、板翅式能量回收机组和热泵 式能量回收机组。 中间热媒能量回收机组是在新风和排风侧设置热交换器，它们之间采用中 间热媒( 水或乙二醇水混合物) ，不断将排风中的热( 冷) 量转移到新风中去。它的 新风与排风不直接接触，不会产生交叉污染，供热侧与得热侧之间通过管道连 北京工业大学工学硕士学位论文 i 接，管道可以延长，布置灵活方便。但是存在动力消耗，通过中间热媒输送， 温差损失大，换热效率较低，在实际应用中节能效果有限。 板式显热能量回收机组，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。缺点是设备体积大，接管位置固定，缺 乏灵活性，传热效率较低。 热管能量回收机组中热管由密闭真空金属管( 一般为铜管) 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。热管能量回收机组基本上为回收显热，仅当排风侧有冷凝水 出现时存在一定量的潜热回收。热管能量回收机组不需要动力源，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4 0 c 4 0 。由于中间隔板完全将新排风分隔开，两者之间不会 混合流动，可应用于排风有污染的场所。 转轮式能量回收机组主要由转轮、驱动马达、机壳和控制部分组成，中央 分隔板隔成排风侧和新风侧，排风和送风气流逆向流动。转轮以每分钟8 1 0 转 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 难燃纸或塑料( 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 一8 0 以上【4 】。缺点是转轮式能 量回收机组为两种介质交替转换，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。 板翅式能量回收机组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。板翅式能量回收机组，无驱动能耗，用铝箔制成的能量回 收机组压力损失相对较小，而难燃纸相对的压力损失较大。另外要做好过滤工 作，防止尘埃阻塞。 热泵式能量回收机组，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，设备投资造价比较高。 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、工程的实际状 况、排风中有害气体的情况等多种因素，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，从而达到花较少的投资，回收较多热( 冷) 量的 目的。对多种热回收系统进行详细的比较，其结果见表1 1 【5 】，可以看出热管 热回收装置具有优良的特性，这为在实际工程应用带来了方便。 第l 章绪论 表l 一1 各种热回收装置比较表 t a b l el - lc o n t r a s to f s e v e r a ld e f e r e n c eh e a tr e c o v e r i n gs y s t e m s 能量回 效设备维护 辅助 占用交叉自身 接管灵抗冻 收系统率费保养设备空间污染能耗活性能力 转轮式 两高中 无 大 有 少差差 板式低低中无大无无差中 板翅式高 中中 无大有 无差 中 盘管热环式低低难有中无多好中 热泵式 中局难 有 大无多好好 热管式 中中易无小无无中好 1 3 小型热虹吸管能量回收机组的应用概述 从2 0 世纪7 0 年代初世界能源危机以来，一些工业发达国家将空气的热回 收技术作为空调行业的节能措施之一得到较为广泛的应用。我国从1 9 7 9 年也开 始研制显热和全热交换器【6 】。目前小型的通风换气节能装置在国外得到一定范 围的应用。在国内只是在一些外资的工业和民用空调工程中使用，但还没在暖 通空调系统中得到广泛的应用。近几年，尤其是2 0 0 3 年非典疫情，使得人们对 室内空气品质有了新的认识，加之国家节能减排工作的深入，新风换气节能装 置在国内大型公共建筑中得到应用。但是在中小型公共建筑中，经调研发现由 于技术和认识问题，很少使用能量回收装置。即使有些建筑采用回风能量回收 装置，但基本上这些能量回收装置如同摆设，根本达不到节能效果。本实验研 制的样机根据中小型公共建筑空间较小，室内的人员有限，相应的新风换气量 不大的特点研制设计的，体积小，重量轻，使用方便，其在节能环保领域的优 势，必将带来可观的经济效益和良好的社会效益，前景必然是乐观的。 热管换热技术具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等 普通换热技术所不具备的优越性能，因此在换热和回收节能方面获得广泛的应 用，在冶金、化工、建材、动力等行业有许多应用实例【_ 卜【8 】。由于热管结构形式 和运行条件千差万别，热管在建筑节能上的应用不能简单套用以工业应用为背 景的方法和理论体系。小型热管能量回收机组由于其工作的温度环境，对空气 品质的要求和工业用热管不近相同，其主要差异如下表1 - 2 9 1 1 4 国内外关于此课题研究的相关成果和借鉴 由于热管能量回收机组的优越性，引起了各国学者对热管能量回收机组研 究工作的关注。 北京工业大学t 学硕十学位论文 表1 - 2 民用热管与工业热管的比较 t a b l e1 - 2c o n t r a s to fr e s i d e n t i a lh e a tp i p ea n di n d u s t r i a lh e a tp i p e 比较内容 建筑节能工业应用 工作温度冷热源温差温差不大，一般小于3 0 中高温，温差大 温度腽差波动随气候波动、冷热源可能反向对一定的工艺条件，相对稳定 冷热源介质流速流速较少，磨损较少变动范围大，磨损较大 结露、灰堵、腐蚀一般不存在、或较轻微很多工艺条件下，很严重 冷热源毒性一般不存在、或较轻微很多工艺条件下严禁交义污染 冷源空间分布分散、集中并存一般比较集中 冷热源时间分布波动大、有时不同一定的工艺条件下相对稳定、同步 1 4 1 空调余热回收热虹吸管能量回收机组的研究现状 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。在国外，热管技术在空调中的应用已经渗透到了很多领域。它在 大型集中空调中的应用已是一项成熟的技术。在日本，许多大的空调设备制造 公司己将热回收技术广泛用于工业及民用建筑的空调系统中【1 0 。1 2 1 。文献【1 3 】报 道了将热管技术用于医院外科手术室的余热回收，设计、加工并制造了换热量 为8 0 0 w 的重力式热管能量回收机组，并将其与计算机模拟结果进行比较，结 果证明，热管蒸发段的平均换热量为8 4 5 w ，与数值模拟结果l o o w 相近，换热 效率为0 1 6 ，显然偏低，究其原因此热管能量回收机组设计比较简单，既没有 考虑管外加肋片，也没考虑热管的优化问题，其长径比太大( 6 0 0 1 5 ) ，而且空气 的迎面速度也偏大。 m a t h u r 一直致力于研究空调系统的热回收问题【1 4 。1 。他针对美国许多城 市的气候条件，研究热管能量回收机组对现有空调系统的能量消耗和高峰需求 的影响，主要用热管能量回收机组回收排风的余热( 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 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能量回收 机组的简单改装费用，不到一年的时间即能收回。另外，m a t h u r 还对热管能量 回收机组中使用直接蒸发冷却和间接蒸发冷却作了对比分析【1 7 。2 0 】，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， 热管能量回收机组可使进风温度降低7 5 c 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。 由于气气热管能量回收机组在烟气的余热回收中具有显著的优势，近年来 有关工厂与院校、研究所、制造厂相互配合，先后开展了热管能量回收机组的 1 lllllilllij|1 第1 章绪论 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能量回 收机组【2 1 1 、热管式空调换气能量回收机组【2 2 】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铝 低温热管能量回收机组【2 3 】，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 ，显热回收效率为6 0 ，能量回收机组效率为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 ，利用热管能量回收机组从排风中 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 t2 4 】。文献 2 5 】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 6 】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 7 】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 系统中加装热管能量回收机组以后，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0 5 ； b ) 热管能量回收机组效率接近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 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 ) 热管能量回收机组投资静态回收期( s i m p l ep a y b a c 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 年。 文献 2 8 】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 0 之间；充液率过多或过少都会对传热性能 产生不利影响。 1 4 2 热管能量回收机组结构形式的研究现状 按热管能量回收机组结构形式的不同，大致可以分为三种：整体式经典热 管能量回收机组、整体式热虹吸管能量回收机组、分离式热虹吸管能量回收机 组 2 9 1 。用于近室温节能的热管主要是后两种形式。 1 4 2 1 整体式经典热管能量回收机组经典热管是应用和研究历史最长的一 种，其热传递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、 北京工业大学工学硕士学位论文 声速、携带、沸腾、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等，这些传热极限与热管的结 构、工作介质、工作温度等有关【3 0 1 。毛细极限是最有普遍意义的一种1 3 1 1 ，对于适 当网目数的吸液芯，增加其层数，可以提高热管的传热能力和毛细极限，但是，当增 加到一定层数，由于蒸汽通道减小，传热能力有可能受声速极限和携带极限的制 约【3 2 】。另外，经典热管的生产工艺复杂，成本较高。 1 4 2 2 整体式热虹吸管能量回收机组热虹吸热管没有吸液芯结构，凝液在重 力作用下回流，其传热机理与经典热管有所不同，传热极限主要有携带极限、 干涸极限和沸腾极限。影响热虹吸管传热性能的因素很多，其中充液量和倾角最 为重要。关于倾角的影响，针对不同的工质和热虹吸管的长径比，实验结果有 所不同，这是由于工质的物理性质使得重力对其传热流动过程的影响差异所致。 总的来说，在其他工况不变的情况下，倾斜角在2 0 0 - 4 0 。之间会获得较好的传 热效果，进一步加大倾角，传热量的变化比较平坦【3 3 j 。 但也有实验结果显示 3 4 1 ，对于铜一水热管，有吸液芯结构的热管，其传热性 能比没有吸液芯的重力热虹吸管高得多，在相对于水平面的倾角分别为3 6 0 、 6 0 0 和9 0 0 时，传热能力前者比后者分别提高5 5 、2 5 和7 0 ：实验也同时显示， 无吸液芯结构热管在启动后，达到稳定工作状态所需要的时间短。 1 4 3 3 分离式热虹吸管能量回收机组分离式热虹吸管由于其结构的独特性， 管内蒸汽与液体同向流动，故而不存在携带限，限制其传热能力的主要有烧干限、 声速限和冷凝限。从分离式热管内部的运行机理来看，实际上它是一个汽水自 然循环系统，只有当冷凝段和蒸发段达到一个最小高度差h i n i i i ，足以克服各段 循环阻力，这时蒸发段出口截面含汽率x o = l ，工质循环倍率k = i ，即认为达到 最佳工作点。由于分离式热虹吸管能量回收机组每排热管组件的工作点不同， 必须按照每排热平衡计算的结果逐排校核其汽水动力循环，使热管能量回收机 组运行在最高效率状态【3 l j 。 同时，分离式热虹吸管能量回收机组相互串通的管件较多，一旦某一处出 现泄漏，就会导致整排组件或整个能量回收机组功能的丧失，在设计和应用上 需要认真考虑p 5 。 文献 3 6 】研制了分体式热管热回收装置，热管设计采用了对板翅式能量回 收机组进行封闭，避免了传统热管因肋片与管子接触不良而影响换热的情况。 在热回收效率方面，只考虑了室内外温差。实验表明，充液率为8 0 时传热效 果最好。 用回收集中排气的废热或废冷来预处理新风，较多采用全热交换器的形式， 热管能量回收机组只能回收显热，因此在新风与回风热交换的过程中回收的效 率比全热交换器相对较小，但适用范围更大1 3 2 。 文献【3 7 】将分离式热管能量回收机组用于回收空调排风中的冷热量，并做 第l 章绪论 i i 了实验研究，认为回收夏季空调排风中的冷量时，热管排数以4 排为宜，冬季 回收热量时6 , - - - , 8 排为宜。设计时迎面风速取为2 5 r n s ，整个装置的能力回收率 超过4 0 ，其回收年限不超过3 年。增加热管排数可提高能量回收率，但装置 的回收年限会相应延长。装置启动温差小，夏季回收冷量时，启动温差小于3 ，冬季回收热量时，启动温差小于4 c 。其充液高度取1 0 0 为宜。 1 5 本文所要做的工作 目前，对于热管能量回收机组的研究有很多，但大都集中于热管工质和热 管传热特性分析上研究，对热管能量回收机组结构形式以及开发更加实用的热 管能量回收机组研究较少。近些年来，随着能源的紧张，我国对节能、能量回 收工作也越来越重视。能量回收不仅局限于大型空调系统中，中小型空调系统 也需要冷( 热) 量的回收。本文的目的是对以风机盘管为模型的热管能量回收 机组进行实验与理论研究，并使用法焓频法对风机盘管式能量回收机组运行节 能问题进行全面分析。 本文采用市场上已经成熟的产品风机盘管设备，将其改装成单元式热虹吸 管能量回收机组。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 ) 将风机盘管改装成实用的热管能量回收机组，对其工作模式及其控制 方案的设计； ( 2 ) 对样机进行校核设计并对对其冬、夏季效率进行测试； ( 3 ) 找出各运行参数对其效率的影响； ( 4 ) 深入探讨样机运行经济性； ( 5 ) 利用焓频法对样机在北京地区应用条件进行深入分析。 本论文结合工程实践，继续进行应用方面的研究，有助于加快科研成果的 产业化，推动本行业的技术革新与进步，进而扩大热管能量回收机组市场占有 率和地域使用范围，使热管能量回收机组能够在当前和未来时期内，真正成为 一条切实可行的建筑节能道路。 1 6 本章小结 本章立足我国当前经济、社会的发展背景，介绍了热虹吸管能量回收机组 在建筑空调方面的使用以及其对节能的重要意义，重点总结了热虹吸管能量回 收机组的研究现状和新进展，分析了目前结构形式的热虹吸管能量回收机组使 用时遇到的问题。针对这些问题，结合各方面的相关研究，通过综合比较后得 出，单元式热虹吸管能量回收机组具有很高的研究开发价值和广阔的市场应用 前景。最后，提出了自己的研究内容和研究意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 8 第2 章热管及热管能量回收机组 第2 章热管及热管能量回收机组 为了进行应用于中小型空调系统热管能量回收机组的试验以及对热管能量 回收机组的优化设计，本章首先简要介绍一下热管及热管能量回收机组的有关 知识，为热管能量回收机组的设计优化研究提供理论基础。 2 1 热管 2 1 1 热管的工作原理 热管的基本工作原理【3 8 枷】如图2 1 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 - 3 1 0 - 4 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。因此，我们说热管工作原理是由蒸发、凝结和毛细力三者的巧妙 结合。因为液体蒸发时需要吸收潜热，冷凝时需要放出潜热，热量自加热端传 到冷却端是通过液体介质不断吸收和放出潜热而达到的，和金属棒靠分子动能 传递的导热方式完全不同。热管内蒸汽是靠压差而流动，但这种压差一般很小， 而蒸汽的温度则是该压力下的饱和温度，因此温差也很小。在同样的温差下， 热管传递的热量与同样尺寸的工程材料中导热性能极好的紫铜传递的热量相 比，要高得多。也就是说，如果把热管看作一个实在的固体，而热量由这一固 体的一端传至另一端，则它的“相当导热系数 ( 或称“当量导热系数， ) 要比 紫铜的导热系数高出数倍以至数千倍。 蒸发段 冷空气 1 r 冷凝段 “lll illi l lu lii liiiuli 蔓 l 降嘲塑墅璺擎藏哩塑登降飘霎墅矛翠囤l “唾聂蕃酝戤蠹葚聂巍激蔽蚕暴蠢雹画聂蠹釜画副l l 雹露曩嚣黧豳瑟茧雹翌匿黑瑟髓蕊露雹翟匿署匿嚣翟娶嚣臣琶翌匿驽整! t 丌一r 1 _ n t r n t r n t l 一n t l _ n t l 广丽 蒸汽0 翼乙流体 图2 - 1 热管基本工作原理图 f i g2 - 1t h ef r a m eo f c o m m o nh e a tp i p e 北京工业大学工学硕七学位论文 2 。1 2 热管的特性 热管是依靠管内介质相变来实现传热的传热元件，具有很多基本特性【4 l 】。 很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻小，因 此具有很高的导热能力。与良导体的金属相比，单位重量的热管壳多传递几个 数量级的热量。当然高导热性也是相对的，温差总是存在的，不可能违反热力 学第二定律，并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限； 热管的轴向导热性很强，径向并无限的改善。 优良的等温性热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于 饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小，根据热力学的 c l a u s u i s c l a p e y r o n 方程式可知，温降亦很小，因此热管具有很好的等温性。 热流方向的可逆性一根水平放置的有芯热管，由于其内部循环动力是毛 细力，因此任意一端受热就可以作为蒸发段，而另一端向外散热就成为冷凝段。 此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于先放热后吸热 的化学反应器及其它装置。 热流密度可变性热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积，即以较 小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，这样既可以改变热流 密度，解决一些其他的方法难以解决的传热问题。 热二极管与热开关功能热管可做热二极管和热开关，所谓热二极管就是 只允许热流单向流动，而不允许向相反的方向流动；热开关则是当热源温度高于 某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于这一温度时，热管就不传热。 恒温特性普通热管的各部分热阻基本上不随热量的变化而变，因而当加 热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。当人们发展了另一种热管一可变 导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加， 这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度变化及小，实现温度的 控制，这就是热管的恒温特性。 2 1 3 热管的类型 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。凝结液的回流 除了依靠吸液芯毛细抽吸力之外，还有重力、以满足不同场重力加毛细抽吸力、 离心力、渗透压力等，据此将热管分为以下类型： 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。 两相闭式热虹吸管( 或称重力热管) ：依靠重力回流工作液，壳体内壁不装 设吸液芯层。凝结液从凝结段回流道蒸发段不是依靠吸液芯所产生的毛细力。 而是依靠凝结液自身的重力。它在地面的各种应用中一般被优先考虑采用。 第2 章热管及热管能量匣l 收机组 重力辅助热管：依靠毛细抽吸力加上重力回流工作液，同样也要求凝结 段置于蒸发段的上方。 2 1 4 两相闭式热虹吸管的结构和工作原理 两相闭式热虹吸管又称重力热管，简称热虹吸管，其工作原理及结构如图 2 2 所示。与普通热管一样，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加 动力实现自行循环。但与普通热管不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷 凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力， 因此热虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样 才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。由于热虹吸管内没有吸液芯这一 重要特点，所以和普通热管相比，不仅结沟简单、制造方便、成本低廉，而且 传热性能优良、工作可靠，因此在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热 元件，其应用领域也与日俱增，已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术 中，发挥了巨大的作用。 蒸汽 液体 图2 2 热虹吸管原理图 f i g 2 - 2k e t c hm a po fh e a ts i p h o np i p e 热虹吸管的充液量较大，除冷凝液在内壁形成下降液膜外，还有部分积存 在蒸发段底部，形成液池。观测表明，虽热流密度的不同，蒸发段下降液膜流 动可分为连续稳定的液膜、稳定溪流( 分裂) 以及不稳定的波状膜，波状膜中有 时还存在泡核。表面蒸发的连续稳定的下降膜对热虹吸管工作有利。一般能在 蒸发段同时存在下降液膜和汽液两相混合的液池，二者传热蒸发的机理不刚2 9 1 。 2 1 5 影响热虹吸管能量回收机组的主要参数 2 1 5 1 传热极限1 4 2 j 热虹吸管在工作时，其内部过程也有一定的条件限制。热 管内部要连续实现工质的流动和换热过程，就必须保持势差：压差和温差；要 北京t 业大学t 学硕十学位论文 连续进行稳定的汽液循环，就必须有能量的传递与转换。当其内部势差或能量 传递的平衡条件不能保持稳定时，热管的工作性能就会恶化乃至被烧毁。因此， 热管要保持正常运行，就必须工作于某些稳定条件构成的临界动平衡点所对应 的极限热流量之下。这些不同平衡条件下的极限热流量就成为热管的不同工作 极限。 两相闭式热虹吸管也在不同程度上受到内部性能的限制。取决于工质的充 液率、几何尺寸( 内径、总长、蒸发段长度等) 、轴向及径向热流密度、倾角等， 可能出现的性能极限为：干涸极限、沸腾极限和携带极限 4 3 叫7 1 。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热管壁温升高而过热，严重时将烧毁热虹吸管。携带极限 是对蒸发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，