（制冷及低温工程专业论文）新型高效热管式空调系统节能装置研究.pdf

卜海海事人学硕 学位论文 yl0 0 7 摘要 由于空调系统新风、排风的距离较远，应用传统的能量回收装置需要建造较长的 气体输送管道使得冷、热气体汇聚到同一地点进行热交换，这不仅是不经济的，且在 实际工程中几乎不可行。据此，本文提出一种新型高效热管空调系统节能装置传 热效率较高的分离式热管换热回收器。将分离式热管用于空调系统排风的能量回收， 巧妙利用分离式热管的特点，既可避免大流量气体迁移导致的复杂管路设计，又能有 效回收排风中的低品位能量，减少了制冷、制热设备的制冷、制热量，从而达到节能 的目的。 本文对分离式热管的整体热量传递特性及冷凝段的冷凝换热进行了由浅入深的 理论分析和实验研究。针对分离式热管换热器的结构特点、工作原理及其实际应用条 件，以单根热管作为分析换热器热量传递特性的物理模型，结合传热过程分析，采用 前人的经验公式，分段处理分离式热管的能量传递参数，建立了数学模型，并用v i s u a l b a s i c 语言编制计算机程序进行了冷凝换热系数和不同蒸发温度时最佳充液率的求 解，为分离式热管能量传递特性分析提供了一个有效的手段。 针对冷凝段的换热特点，参照n u s s e l t 理论建立流动模型，分析得到冷凝换热系数 的无因次数关联式，得到初步理论解。排风温度、排风量、工作温度( 蒸发温度) 、 充液率均对分离式热管冷凝换热有较大影响，本文针对以上因素分别进行了实验测 试，并得到相应的结论，为工程实际应用提供了科学依据。同时，也对其经济性进行 了分析，并与转轮全热交换器进行了比较。 关键词：分离式热管传热蒸发段冷凝段冷凝换热系数数学模型经济性 海海事大学硕上学位论文 o w i n gt ot h ed i s t a n c eb e t w e e nf r e s ha i ra n de x h a u s ta i r ，c o n v e n t i o n a le n e r i r e c o v e r ye q u i p m e n t sn e e dt o b u i l dl o n ga i rp i p e st ob r i n gc o l da i ra n dh o t t o g e t h e rf o re n e r g ye x c h a n g e ，w h i c hi sn o tc o s t - e f f e c t i v eo rp r a c t i c a b l e t h u st p a p e rh a sp r o p o s e ds e p a r a t e dt y p eh e a tp i p eb ea p p l i e dt ot h ee n e r g yr e c o v e r y a i rc o n d i t i o ns y s t e m ，w h i c hi sa b l et oa v o i dc o m p l e xp i p ed e s i g nl e db yl a r a m o u n tf l u i dt r a n s f e ra n dr e c o v e re f f i c i e n t l yl o wq u a l i t ye n e r g yi ne x h a u s t s e p a r a t e dt y p eh e a tp i p e si na i rc o n d i t i o ns y s t e m sc a nr e d u c et h el o a do f l r e f r i g e r a t o ra n dh e a t e r 。w h i c hi se n e r g ys a v i n g i nt h i sp a p e r at h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no nt h ew h o l ee n e r t r a n s p o r t a t i o na n dc o n d e n s a t i o np e d o r m a n c e 硝t h ec o n d e n s a t i o ns e c t i o n 讯 c o n d u c t e d f i r s t 。b a s e do nt h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i c o n d i t i o no ft h es e p a r a t e dt y p eh e a tp i p e ，t a k i n gs i n g l eh e a tp i p ea sp h y s i c a lm o q f o ra n a l y s i s c o m b i n e dw i t ha n a l y s i so fh e a tt r a n s f e r ，a d o p t i n gs o m ee x p e r i e r f o r m u l a s am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e d t h ep r o g r a mw a sp u tf o r w a r d v i r t u eo fv i s u a lb a s i c t h ep r o g r a mp u to u tr e s u l t so nh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft c o n d e n s a t i o ns e c t i o na n do no p t i m u mc h a r g ea td i f f e r e n tw o r k i n gt e m p e r a t u r e t m o d e lh a sp r o v i d e da ne f f e c t i v em e t h o df o ra n a l y s i so ft h ep r o b l e m s e c o n d l y ，b a s e do n n u s s e l t 。st h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh c t r a n s f e ri nt h ec o n d e n s a t i o ns e c t i o n ，t h ea n a l y s i sw a sc o n d u c t e da n dt f u n d a m e n t a lt h e o r e t i c a ls o l u t i o nw a se s t a b l i s h e d t h et e m p e r a t u r eo fe x h a u s t ，t f l u xo fe x h a u s t ，t h et e m p e r a t u r eo ft h ee v a p o r a t i o ns e c t i o na n dt h ea m o u n t w o r k i n gf l u i dh a v et h ei n f l u e n c eo nh e a tt r a n s f e ro ft h ee v a p o r a t i o ns e c t i o n a tl a t h ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dm e a s u r i n gt h ed e g r e eo ft h ei n f l u e n c e o nt h eb a o ft h ee x p e r i m e n td a t a ，s o m er e s u l t sw e r ed i s c u s s e da n ds o m ec o n c l u s i o n sw e r e c t e d t h es o l u t i o nh a sp r o v i d e ds c i e n t i f i cb a s i sf o ra p p l i c a t i o no ft h es e p a r a t t y p eh e a tp i p e f u r t h e r m o r e ，i tc a l c u l a t e st h ev a l u eo fs a v e de x h a u s ta i re n e r a n di t se c o n o m i ce f f i c i e n c y ，a sw e l la sc o m p a r e sh e a tp i p eh e a te x c h a n g e rw r o t a r yt o t a lh e a tr e c o v e r ys y s t e m i i 卜海海事a 学硕上学位论文 g a op e n g ( r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rt us h u p i n g k e y w o r d s ：s e p a r a t e dt y p eh e a tp i p e ，h e a tt r a n s f e r ，e v a p o r a t i o ns e c t i o n c o n d e n s a t i o ns e c t i o n ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc o n d e n s a t i o n ， m a t h e m a t i c a im o d e l s ，e c o n o m i c i l l 论文独创性声明 本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。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：为鹂 日期：超堑：z12 = 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：委丑虹导师签名：纽日期：! ! ：2 ：! 上海海事人学硕士学位论文 引言 近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，一些工业和民用建筑 普遍采用空调系统，但它大量耗能，特别是其中从室外引入必要的新鲜空气( 新 风) ，所消耗的能量大致要占总能耗的2 0 3 0 ，对高级宾馆和办公室可能高 达4 0 ；另外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。 对此，业内人士采取了很多措施：一、二次回风系统、变风量系统等。但在 实际工程应用中，这些措施都存在一定的问题：采用一、二次回风系统，仅仅是 新风与一次回风、二次回风的直接混合，由于空气的热容较低，故冷、热回收效 率较低；采用变风量系统，则不能始终保证室内换气次数、气流分布和新风量， 当风量过低而影响气流分布时，又需以末端再热来代替进一步降低风量。 为了达到节能和保证足够新风量的双重目的，人们想到利用各种能量回收装 置回收排风中的能量，本文提出一种新型高效热管空调系统节能装置传热效 率较高的分离式热管换热回收器。 由于空调系统新风、排风的距离较远，应用传统的能量回收装置如整体式热 管换热器，需要建造较长的气体输送管道使得冷、热气体汇聚到同一地点进行热 交换，这不仅是不经济的，且在实际工程中几乎不可行。据此，本文提出分离式 热管用于空调系统排风的能量回收，巧妙利用分离式热管的特点，既可避免大流 量气体迁移导致的复杂管路设计，又能有效回收排风中的低品位能量，减少了制 冷、制热设备的制冷、制热量，从而达到节能的目的。把本该排向大气中的热能 回收利用，避免了对环境的热污染，有利于保护环境。同时，有利于提高空气品 质，改善空调室内舒适度，提高劳动生产率。 所以，开展对空调系统热回收研究有利于缓解我国能源紧缺的矛盾，实现人 与自然的和谐发展和国民经济的持续发展。 t - 海海事人学硕上学位论文 1 1 空调热回收技术发展现状 第一章绪论 近年来随着国民经济迅速发展，能源形势已经十分严峻，人们逐渐意识到节 约能源的重要性，而建筑能耗在整个国民能耗中占有很大的比例，这其中空调能 耗又占很大的比例，正因为如此，各种能量回收设备在空调系统中越来越广泛的 被应用。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。如旅 游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准中明文规定；“凡在客房部分设置独 立的新排风系统的建筑，宜选用全热或显热回收装置，其额定热回收效率应不低 于6 0 ”。民用空调建筑节约用电的若干规定中也规定：“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 ”。热回收设备是在空调系统中使室 内排风和室外新风之间进行热交换，从而回收排风中的热量的装置。目前这类设 备种类很多，如： 转轮式全热交换器 静止型板式热交换器 热管换热器 盘管式热交换器 喷雾式热交换器 这些热交换器可谓各有特点。现就较为常用的转轮式全热交换器和热管换热 器各自特点作简单地阐述： ( 1 ) 转轮式全热交换器 由转轮式热交换材料做成轮芯，转轮的中央设有隔板用以分开新风和排风， 转轮由电机通过皮带传动，转数一般为3 2 0 转分钟。特点：回收全热，热回 收效率指全热效率，效率比较高，运行费用低。适用温度范围2 0 c 4 0 c 。由 于转轮的转动，虽然中央设有分隔板并用密封圈密封，但仍有少量空气在新排风 之问混合流动，造成新风的交叉污染，不宜应用于排风有污染的场所。 ( 2 ) 热管换热器 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。特点：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。热回收效率通常指温度 效率，不需要动力源，无运行费用，可应用于不同相态问流体的能量回收。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 3 0 。c 。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。 卜海海事大学硕士学位论文 12 热管技术在空调热回收领域的应用 1 2 1 热管技术概况 热管是一种新型、高效的传热元件，它可将大量热量通过其很小的截面积远 距离地传输而无需外加动力。1 9 4 4 年，热管的原理由美国俄亥俄州通用发动机公 司的r s g a u g l e r 在美国专利( n o + 2 3 5 0 3 4 8 ) 中首次提出【“。他设想：一个装置由封 闭的管子组成，管内液体吸热蒸发后于该下方的某一位置放热冷凝，无需任何外 加动力，冷凝液体借助管内的毛细吸液芯所产生的毛细力回到上方继续吸热蒸 发，如此循环，达到热量从一处传输到另一处的目的。1 9 6 3 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室的g m g r o v e r i2 l 重新独立发明了类似于g a u g l e r 提出的传热元件，进行 了性能测试实验，并在美国应用物理杂志上公开发表了第一篇论文，正式将 此元件命名为热管“h e a tp i p e ”。1 9 6 5 年，c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论 1 3 j 。1 9 6 6 年，k a t z o f d j 发明了有干道的热管，干道的作用是为了给从冷凝段回到 蒸发段的液体提供一个压力降较小的通道，大大提高了热管的传输能力。1 9 6 7 年，一根不锈钢水热管首次被送入地球卫星轨道并运行成功1 5 】。1 9 6 9 年，前苏 联和日本的有关杂志发表热管应用研究方面的文章。日本有的文章描述了带翅片 热管束的空气加热器，在能源日趋紧张的情况下，可用来回收工业排气中的热能。 t u r n e r 和b i e n e r t 5 j 提出了用可变热导热管来实现恒温控制。g r a y 6 】研究了一种新 型热管旋转热管。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【7 i 。1 9 8 0 年，美国q d o t 公司生产了热管废 热锅炉1 8 1 ，日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 7 1 。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【9 j 。毛 细泵回路c p lf c a p i l l a r yp u m p e dl o o p s ) 和回路热管系统l h p ( l o o ph e a tp i p e s 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、公司及厂矿均开展了多方面的 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f 1 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1 1 0 l ，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，我幽的热管技术工业化应用已处于国际先进水平【”】，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1 1 。 3 卜海海事人学硕上学位论文 1 2 2 热管技术在空调热回收领域的应用 空调系统热回收一直是暖通空调工程界研究的课题之一。热管在空调系统热 回收方面的应用潜力近年引起了制冷空调行业科技工作者的高度关注，并进行了 广泛的基础理论和工程应用研究：中科院工程热物理研究所和上海7 1 1 研究所进 行了热虹吸管换热特性的研究；东北大学进行了热管元件充液量理论分析和实验 研究；重庆大学进行了热管的流动和传热研究；南京工业大学进行了热管凝结换 热和传热极限的研究；西安交通大学进行了分离式热管蒸发段试验研究的充液量 分析：江苏科技大学进行了大型热管换热器的模型试验研究；哈尔滨工业大学进 行了热管供热系统与热水供暖系统的技术经济性比较研究，均取得了一定的成 果。上海市民用建筑设计院和航天部五院共同研制的氨一铝低温热管换热器，该 装置2 0 0 3 年底用于上海游泳馆的空调余热回收，风量为1 0 0 0 0 m 3 1 1 ，显热回收效 率为6 0 ，换热器效率为8 0 ，年节省运行费用2 0 余万元，效果良好，是国内公 开报道的首例热管应用于大型空调系统热回收的工程项目。这些成果对分离式热 管及分离式热管换热器在工程实践中的应用提供了良好的基础i l 。 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已将热回 收技术广泛用于工业及民用建筑的空调系统中，相关文献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8 0 0 w 的重力式热管换 热器：m o t h e r 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 o t h e r 使用b i n w e a t h e r d 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问即能收回。 他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，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 o 左右。 1 3 本文的研究背景及所做的工作 近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，一些工业和民用建筑 普遍采用空调系统，但它大量耗能，特别是其中从室外引入必要的新鲜空气( 新 风1 ，所消耗的能量大致要占总能耗的2 0 3 0 ，对高级宾馆和办公室可能高达 4 0 1 1 6 】：另外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行将浪 费的能量。对此，业内人士采取了很多措施：一、二次回风系统、变风量系统等。 4 上海海事大学硕【：学位论史 但在实际工程应用中，这些措施都存在一定的问题：采用、二次回风系统，仅 仅是新风与一次回风、二次回风的直接混合，由于空气的热容较低，故冷、热回 收效率较低；采用变风量系统，则不能始终保证室内换气次数、气流分布和新风 量，当风量过低而影响气流分布时，又需以末端再热来代替进一步降低风量，且 设备上需要添加特殊的送风末端装置。为了达到节能和保证足够新风量的双重目 的，人们想到利用各种能量回收装置回收排风中的能量，其中包括传热效率较高 的整体式热管换热回收器系统。 ，- c - s ，。室外+ - t ，s c 一- 。， r 。vj il i 。f八|。 2 2 ( 2 5 ) t s 室内1 。：。t 。， ( ) 为冬季嚣度 图1 1 空调系统整体式热管换热器示意图 目前，用于空调系统的h p e ( h e a tp i p ee x c h a l l g e r ) 其工作原理如图1 1 所示【1 6 】， 换热器的加热段和冷却段分别对着空调系统的排风i s l 和进风口( 冬天) 或相反( 夏 天) 。这样，热管换热器在空调的换气过程中就可回收排风中的余热( 余冷) 来预热 ( 预冷) 新风，从而减少空调用于加热或冷却新风所需的能耗i l “。尽管空调用h p e 能有效回收空调的排风余热( 余冷) 来预热( 预冷) 新风，但仍存在不少问题需要解 决： 1 由于空调系统有气流分布的要求，常采用上送下回、上送上回、下送上 回等气流组织形式，以上送下回为例，新风管路在空调区域的上部，回风管路在 空调区域的下部，两种换热流体均为气体，且相距较远，为使二者集中在一起利 用哪e 进行热交换，需要敷设较长的气体管路系统，由于驱动机械动力消耗的限 制，往往使得管线的设计较为困难。 2 空调系统t 作的温度范围即大气的温度范围，一般从3 0 4 0 ，温差 虽不大却从负温到正温跨越两个温度区，冬天有些使用场合的室内空气湿度较 大，加热段有水析出，为了防止结冰，排风出口温度不能降低至o 以下。 l 海海事大学硕士学位论文 由于空调系统新风、排风的距离较远，应用传统的能量回收装置如整体式热 管换热器，需要建造较长的气体输送管道使得冷、热气体汇聚到同一地点进行热 交换，这不仅是不经济的，且在实际工程中几乎不可行。据此，本文提出一种新 型高效热管空调系统节能装最传热效率较高的分离式热管换热回收器。将分 离式热管用于空调系统排风的能量回收，巧妙利用分离式热管的特点，既可避免 大流量气体迁移导致的复杂管路设计，又能有效回收排风中的低品位能量，减少 了制冷、制热设备的制冷、制热量，从而达到节能的目的。 新风 图1 2 分离式热管热回收空调系统 由于分离式热管蒸发段、冷凝段分开，冷、热侧布置灵活，可根据工作范围 选用合适的工质，考虑在空调系统冷、热回收中采用分离式热管。以下送上回式 空调系统夏季运行为例，采用分离式热管回收排风余冷预冷新风的原理如图1 2 所示。空气处理流程为： 分离式热管换热器 与n 混合 冷却盘管 w 7 一 再热 送风 l 、- 一n 新风经预冷除湿后，冷、湿负荷大大减小，从而减轻冷却盘管的制冷量和除 湿量，并解决了集中换热带来的管路设计问题。 分离式热管广泛应用于工业热回收【，如盐酸炉余热回收、玻璃窑炉余热 回收等，回收效率已为实践证明，在工业应用中，热端的温度较高，可以达到几 百甚至几千摄氏度，冷热端的温差较大，但在空调系统中，热端的温度夏季为 3 3 4 2 ，冬季为2 2 2 8 ，冷热端的温度差夏季为7 2 0 ，冬季为1 6 6 海海事大学硕士学位论文 4 0 。c ，此种应用条件下分离式热管的能量回收效率及传热特性究竟如何，有 待理论分析及实验研究。 根据 ：述研究背景及分离式热管在空调系统中应用的实际条件，本文确立内 容如下： 1 对分离式热管换热器建立整体数学模型。把实际的分离式热管简化成单 一的循环回路，并通过对微元段的分析，建立一个较完整描述分离式热管管内工 质流动及换热过程的数学模型。该模型对于改进设计和进一步了解分离式热管的 特性有实际意义。 2 根据分离式热管在空调系统中应用的实际条件，以上海地区夏季温度条 件为例，设定某一空调系统的新、回风管路高度差为1 8 8 米，即分离式热管的蒸 发段、冷凝段的高度差为1 8 8 米，选用制冷剂r 2 2 为工作介质，设计并校核换热 器的物理参数。同时，建立分离式热管环境室来模拟新、回风管路中的温度等参 数。 3 搭建分离式热管实验台，由于在实际应用中热源的温度条件或热流通量 的条件常常是恒定的，所以测试下作重点放在冷源侧即冷凝段上，分别测试： 换热量对冷凝换热系数及热效率的影响； 排风室环境温度对冷凝换热系数及热效率的影响； 冷凝段平均壁温与排风室环境温度的关系； 排风量对冷凝换热系数及热效率的影响： 冷凝段平均壁温与排风量的关系； 工作温度( 工作压力) 对冷凝换热系数的影响。 4 实验数据处理及结果讨论，对实验的不确定性进行分析。 5 根据建立的总体数学模型，运用v i s u a lb a s i c 编制计算程序，着重对冷凝段的 传热特性进行计算。计算不同蒸发温度下、不同排风量、不同排风室环境温度时 分离式热管冷凝段的传热系数。 6 充液率是影响分离式热管传热效果的重要因素，也是设计和应用中必不可少 的参数。传热负荷一定时，分离式热管有一最佳充液率。计算某热流通量下的最 佳充液率( 量) ，并与实验结果相比较。 7 针对冷凝段的换热特点，参照n u s s e l t 理论建立流动模型，分析得到冷凝换热 系数的无因次数关联式，得到初步理论解。 8 对分离式热管换热器应用于空调余热回收进行经济性分析。 上海海事大学坝 学位论文 2 1 热管技术原理 第二章热管基础理论研究 典型的热管由外壳，吸液芯和端盖组成。它以一封闭的管子作为热管的壳体， 其内表面镶套着多孔毛细吸液芯，待壳体抽成真空后充入适量的工作介质，密封 壳体即成热管。热管的一端为蒸发段( 力i i 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。当热管的一端受热时毛细芯中的介质蒸发汽 化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成介质，介质再沿多孔材料靠 毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不已，实现热量的传递。热管是借助于工作 介质的相变过程来传递热量，所以它能在很小温差下传递大量的热量。图2 - 1 是 普通热管工作原理及结构示意图。 q o b 矗善j 盟凝段_ ii 蒸发段，、心一一i h i 图2 - 1 普通热管结构示意图 热管在实现这一热量转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： 1 、热量从热源通过管壁和充满工作介质的吸液芯传递到液一汽分界面。 2 、介质在蒸发段内的液一汽分界面上蒸发。 3 、蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段。 4 、蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结。 s 、热量从汽液分界面通过吸液芯、介质和管壁传绘冷源。 6 、在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液回流到蒸发段。 2 2 分离式热管的结构特点及传热原理 8 上海海事大学硕士学位论文 热流体 图2 2 分离式热管的结构示意图 分离式热管是热管的一种派生系列，所谓“分离式”是相对“整体式”而言 的。分离式热管的结构如图2 2 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。工作时，在热管内加入一 定量的工质。这些工质汇集在蒸发段，蒸发段受热后，工质蒸发，其内部蒸汽压 力升高，产生的蒸汽通过蒸汽上升管到达冷凝段释放出潜热而凝结成液体，在重 力作用下，经液体下降管回到蒸发段，如此循环往复运行。从其工作原理看，具 有整体式热管的基本特征：管内汽一液两相流动；管内的工作介质以相变的形式 完成热能的转移；工质循环自动完成；具有一定的初始真空度【1 3 1 。但从管内工 质流动特性来看，由于结构上的特点，分离式热管的不同之处【l5 】为： ( 1 1 液体从下联箱返回蒸发管，蒸发段上部非淹没区不像整体式热管那样有 降膜冷却，而紧靠下联箱部分由于位差和散热原因，液体可能是过冷液； ( 2 ) 蒸汽从上联箱进入冷凝管，汽流和液膜流动同向，而不像整体式热管那 样汽、液反向流动； r 3 1 汽、液分别在连管内流动，不像整体式热管在同一绝热段内反向流动； ( 4 ) 蒸汽和凝液从联箱进入换热管时有一个分配问题，不像整体式热管汽、 液均在同一支管内循环。 分离式热管要正常工作，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，它用以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 7 1 。分离式热管的特点1 1 7 j 为：热量的传输是通过工质的 相变来实现的，故传热温差小：热源、热汇分隔，冷、热侧的换热面积可以灵活 布置，不受距离限制；冷、热侧均为管外换热，可采取增加环形翅片的强化传热 措施，以弥补管外气体换热系数小的特点；冷、热侧的换热面积可根据实际需要 9 上海海事大学硕 学位论文 进行调整。 2 3 分离式热管理论特性研究 2 3 1 分离式热管的合理充液量 充液量是影响分离式热管传热效果的重要因素之一，也是设计和应用中必不 可少的参数。充液量过大，汽液混合物将进入蒸汽上升管，甚至到冷凝段，降 低系统的传热性能：充液量过少，则会使加热段上部管内壁面无液膜覆盖，引起 传热恶化1 7 j 。影响充液量的因素很多，如：工作介质特性、热流密度、工作温度 和几何特性等【”。充液量是管内流动传热的参变量，同时又反过来影响管内两相 流的流动传热性质。因此必须提出合理的充液量，使其工作在最佳状态，充分发 挥分离式热管的高效传热效果【7 j 。 将环膜烧干点置于蒸发段出口时的充液量即为分离式热管的最小充液量。在 计算时将其简化为一维模型，并假定：沿管子轴向长度，管内蒸汽温度不变；无 过冷沸腾：环状流时蒸汽中无液滴向液膜的沉积见根据具体计算理论【1 8 】，代入 实验数据进行计算，最小充液量的计算结果与实验结果较吻合，如图2 3 所示， 可以看出：在同样的管内蒸汽温度下，随着热流密度的增加，所需的最小充液量 也增多；管内蒸汽温度升高，管内环膜增长，所需的最小充液量可减少：管径加 大后，在同样的热流密度下，最小充液量减少【_ ”。 ，、 o 嗣 、一 4 口 7 0 8 09 01 0 0 1 1 01 2 01 3 0 1 4 0 i f ， 图2 3 最小充液量理论计算与实验的比较 2 3 2 分离式热管的传热特点 由于分离式热管与普通热管有着不同的流动特性和传热特性，因而分离式热 管也会出现不同的传热特点，而这些传热危机与它自身的许多特点有密切的关 他 的 如 m d 1 海海事大学硕上学位论文 系。 2 3 2 1 蒸发段内出现的传热极限 在蒸发段内会出现两种传热极限：环膜干枯传热极限和局部烧毁传热极限。 环膜干枯极限是指环状膜的端部出现缺液和烧干现象，如图2 4 ( a ) 所示，受热蒸 发段竖管的壁温在流体的出口处突然陡升，这种现象就意味着环状膜的端部出现 了缺液和干枯，而造成竖管出口处壁温陡升，称此种现象为环状膜干枯传热极限 【1 9 1 。局部烧毁极限是指在蒸发段竖管内某处壁温突升，说明在蒸发段竖管内发 生了膜态沸腾或局部缺液，造成竖管某一局部壁温的飞升，如图2 4 c o ) 所示f ”】。 1 4 0 1 z o 1 0 0 8 0 0 8 01 6 02 4 0 3 2 04 0 0 x ( c 且) 液膜干枯 a 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 x ( c 砷) 局部缺液 b 图2 4 传热极限示意图 蒸发段内首先出现的是液膜干枯传热极限，继续加大热流密度将会出现局部 烧毁传热极限。分离式热管必须合理选择联箱管的长度和直径，控制管内流速， 以免出现管箱内竖管流体流动异常的传热极限f 2 l j 。 2 3 2 2 携带现象 蒸发段内的携带作用表现在环膜高度的增加和减小，应该说分离式热管蒸发 段内的携带作用是形成环状膜流动的主要原因，而环膜高度又与环膜干枯极限的 出现有密切的关系。冷凝段的携带作用又达到了前面所述的提高凝结换热系数的 目的。所以分离式热管是在利用携带作用，而不像普通热管存在携带传热极限的 问题【1 9 j 。 2 3 3 分离式热管蒸发段内工质的滞留和倒流现象 分离式热管蒸发段内工质的滞留和倒流现象可根据压力分析来解释：某一竖 管对应的分配管和汇集管的压差便决定此竖管的流量，压差大流量高，压差小流 量低，因此各竖管内的流量是不均匀的；分配管的压力高于汇集管联箱管的压力， 工质将正向流动，分离式热管的工质循环得以实现，反之分配管的压力低于汇集 管联箱管的压力，工质将反向流动，分离式热管将无法正常运行，这种现象称之 为分离式热管的竖管内流动异常传热极限，这足分离式热管独有的传热特点。这 r 海海事人学硕士学位论文 种传热极限与管内流量、联箱管有效长度和内径、联箱管结构形式有关，增加流 量、加长联箱管长度、减小直径都会使这种现象加剧。设计时可用数值计算或近 似计算法求出分配联箱管和汇集联箱管内的压力分布，得出滞留点，并可通过更 改联箱管的几何尺寸和结构型式来改变滞留点位置i l 。 2 3 4 分离式热管蒸汽在上升管出口处的流动” 普通热管有声速传热极限，它出现在热管的启动过程中，其产生的条件是热 管工质的饱和蒸汽压较低即热管启动时蒸汽密度小，速度高，而当冷凝段进口处 蒸汽流速达到当地声速时和冷凝段压力低于某一定值时，此时再进一步降低冷凝 段的压力( 即再加大冷却量引起冷凝段内饱和温度及饱和压力的降低) ，不能再提 高冷凝段以前的蒸汽流速，此时热管的传输能力已达到极限，热管处于一种“阻 塞”状态，此即为声速限。 分析分离式热管，它也可以形成一个质量渐缩渐放喷管，在蒸发段质量流率 沿管长逐步增大，流速加快，形成一个渐缩的质量喷管，上升管可视为一个绝热 过程，则蒸汽在进入上升管后质量无变化，是一个等速运动，而达至0 冷凝段后随 着凝结换热的形成，蒸汽质量逐步减小，形成一个质量渐放喷管。按此分析，如 果要发生声速限，应出现在冷凝段的分配管进口和附近的竖管内，因为分配管进 口处的压力最低，见图2 5 ，但进一步的分析认为：分离式热管的冷凝段一般是 由一个联箱管构成，是一个连通系统，分配管进口处压力较低，但后部压力逐渐 币皿1 6 掣 - t1 ( a ) 分配管 d ( b ) 拒集管 图2 5 压力分布示意图 p l 上升，可以形成一个有效的背压，起着压力恢复的作用；其次目前分离式热管的 工质多半为水，具有较高的饱和蒸汽压，因此分离式热管不具备发生声速限的条 件，所以分离式热管内不会产生蒸汽阻塞现象i ”j 。 2 3 5 分离式热管的启动特性 分离式热管的启动可以划分为两种情况【1 9 j ：初始启动和工作启动。初始启 动是分离式热管通过排除管内空气，以达到热管的工质完成循环的目的，试验证 明：通过二至三次排气后，基本可以形成热管的初始真空度。工作启动是指分离 式热管在具有初始真空度的基础上，热管蒸发段受热工质进行1 = 作循环的过程。 上海海事大学顾十学位论文 试验证明分离式热管具有良好的启动性能，在几分种内冷凝段的壁面即可等温 【捌。 23 6 分离式热管换热器最佳工作状态 在实际运用时，分离式热管换热器很难维持在最小充液量的状态，况且在理 论计算时还有一系列的假设。从分离式热管内部的运行机理来看：实际上它是一 个汽、液自然循环系统，循环回路中的循环动力是下降管系统( 包括冷凝段1 与上 升管系统f 包括蒸发段) 中工作介质密度差。如果不计循坏回路的热损失，蒸发段 出口处截面含汽率为】( 0 ，冷凝段出口处截面含汽率为0 ，其循环运动压头s v d 为【2 2 】： 喵( p s 哏) g h + ( 旷p 。) g 跏暑( 1 一) ( n p ，) 9 6 z 总阻力降：厶p = 蝇+ 鹾+ 蝇+ 城 式中，p h 为蒸发段压力降，p c 为冷凝段压力降，p s 为上升管的压力降， 为下降管的压力降。图2 6 表示了循环回路的特性曲线，两者的交点即为实际工 作点，体现 s y d = a p 的平衡关系。当传热量、几何参数、物性参数等都确定时， a p 跏 蝇 蛆 嵋 图2 6 循环回路特性曲线 可得到加热段与冷却段的最小高度差h m i n ，只有当h h m i n 时才可能满足压力平 衡s y d p ，保证系统运行。如果加热段出口处的截面含汽率为x o ，其循环 倍率k = i x o ，若x o = 1 ，则循环倍率亦为1 ，这时的工作点则认为是最佳工作点， 该充液量为最佳充液量【7 】o 另外，逐排热管组件由于所传递的热量不等，其工作 点亦不同，因此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，以求 得h 。及此状态下的最小充液量，即为每排热管的最佳充液量。使热管换热器运 行在最高效率状态，如果h 及其他条件己给定，则要根据汽水动力循环校核h h 。”计算蒸发段出口的x o 得到相应的充液量，若x o 很小，则要考虑调整蒸发段 和冷凝段的热流密度，使x o 尽量接近1 。显然，若整台换热器都充以一固定的充 卜海海事人学硕十学位论文 液量，势必难以发挥热管的高效率门。 1 4 上二海海事大学硕七学位论文 第三章热管式空调系统节能装置数学模型建立及设计计算 3 1 热管式空调系统节能装置数学模型的建立 3 1 1 分离式热管整体数学模型 把实际的分离式热管简化成单一的循环回路，并通过对微元段的分析，建立 一个较完整描述分离式热管管内工质流动及换热过程的数学模型。该模型可采用 计算机迭代求解，分别采用相应的流动阻力和传热公式计算有关参数。计算的结 曷厂 f _ 图3 1 分离式热管的物理模型 海海事大学硕士学位论文 果和相应的实验结果绘制成曲线。该模型对于改进设计和迸一步了解分离式热管 的特性有实际意义。 分离式热管仍然依靠重力使冷凝液回流到蒸发段，不过将蒸发段和冷凝段分 开配置，并且由导管将它们连接起来组成循环回路。由于管内工质流动及换热过 程的复杂性，目前绝大部分限于对某一局部过程的研究上。本文提出一个完整的 管内流动及换热模型，以期更深入地了解管内工质流动及换热过程随外界因素的 变化规律，更好地掌握分离式热管工作时的能量传递特性。 分离式热管的蒸发段和冷凝段由多根管子并联而成。无论是对u 型结构，还 是z 型结构，都必然存在着各个支管内工质流量分配不均衡的现象。假定工质流 量在各支管内均匀分配，那么，可以把实际的分离式热管简化成如图3 1 所示的 简单循环回路。这既便于建立模型又不会使研究结果与实际偏差很大。 如图3 1 所示，蒸发段加入一恒定的热流q 。，从冷凝段释放出一恒定的热流 q 。，热管的其他各部分都充分绝热，不计散热损失。故有 吼。q c2 吼 假设： ( 1 1 热管各横截面上的工质处于热力学平衡状态； 佗1 管内工质为一维稳定流动； ( 3 ) 热管工作处于稳定状况。 则，工质流动应满足如下方程： 币d p = 0 ( 3 一i ) q 6 q a z = 0 ( 3 2 ) 乎d g e o ( i ) ( 3 3 ) 式中：p 一工质压力； q 一单位长度上热流密度； e 一某一截面处工质质量； e g o ) - - 分离式热管内工质总量。 这就是单支分离式热管工质流动及传热过程的整体数学模型。根据这个模 型，在稳态工作条件下，工质完成一个循环过程后，加入到热管的热量应等于热 管所释放的热量，压力、温度等参数的变化为零，而工质在各截面的质量流量为 一常数。 1 海海事大学硕_ l 学位论文 图3 2 微元段分析 i + l q i 微元段分析：从图3 1 中任取一微元段分析，如图3 2 所示。设进入微元的质 量流量为m 。微元段的入口各参数为：焓h ( i ) ，压力p ( i ) ，温度t ( i ) ，干度x ( i ) ， 出口参数相应以h ( i + 1 ) ，p ( i + 1 ) ，t ( i + 1 ) ，x ( i + 1 ) 表示。微元段与外界的热交换 量，则根据能量方程有： h ( i + o 一 ( f ) + 百d q ( 3 - 4 ) 砷+ 1 ) 一等学 ( 3 - 5 ) 式中，下标1 表示饱和液体的参数，“g ”表示饱和蒸汽的参数( 下文相同) 。 由动量方程可得： p ( f + 1 ) 一e ( i ) -