（热能工程专业论文）大型热虹吸管近室温条件下传热性能研究.pdf

摘要 摘要 热管作为一种高效的传热元件，有着诸多优点，但就目前而言，热管用于空 调系统能量回收利用的应用还处于推广阶段，本论文结合空调系统运行的环境， 研究应用于空调系统的倾斜式重力热管，它可以根据空调系统室外新风的季节变 化，通过调节热虹吸管的倾斜角度，实现全年的排风能量回收。 分析了空调系统排风能量回收的特点后，作者结合空调系统运行环境，建立 了该传热装置的数学模型，结果表明：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都有重要影响。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利影响，对于本 实验采用的1 7 5 m 、2 m 、2 5 m 、3 m 热虹吸管，最佳充液率在2 0 3 5 之间； 管长对传热也有影响，管长不改变热虹吸管蒸发段和冷凝段的换热系数，只增加 了热虹吸管的换热面积，增大换热量；迎面风速的大小，起到强化热虹吸管蒸发 段和冷凝段换热的目的。 经过理论分析和实验验证，所建立的数学模型比较真实地反映了符合所设计 的原型机的传热特性。解决好热虹吸管传热的关键在于减小蒸发段和冷凝段热 阻，本文所做工作为热虹吸管在空调系统能量回收应用提供了技术支持。 关键词：热虹吸管近室温传热性能研究 北京工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sak i n do fh i g l le f f i c i e n c yh e a te x c h a n g e r ，m eh e a tp i p eh a sm 姐ym 舐t s nh 觚 a b r i g l l tp m s p e c tf o ra p p l i c 硝o n h o w 洲；叩p l i c a t i o no ft h eh e a tp i p ea p p l i e di n 血e a i r - c o n d i 虹o i l i i 培s y s t 锄j u s tb e g i i l sa r l dt l l e r ea r es 廿nn a w sa b o u t si tw h i c ：hn e e dt ob e i n l p r o v c d i nt h i sp 印盯，a s s o c i 地gh e a tf b a t u r 。eo fa n c o n d i t i o i l i n gs ) 哑锄谢血 删n g 锄啊r 0 砌c n t ，a ni n c l 证e d 刚t yh e a tp i p ea s 也es 仇l c t i l r eo fm eh e a tp i p e h e a te x c h a i l g e ri i la i r _ c o n d i 矗o i l i n gs y s t 锄w i l lb es m d i e d t h ee v a p o 瑚岫o ns e c d o n a i l dm ec o n d c n s a t i o ns e c t i o no ft l l eh e a tp i p e sc a i lb e i lc h a i l g e da st h ct e m p e m t i 】r eo f 也eo u t d o o ra i rv a r i e s s ot 1 1 eh e a tp i p ec a nb eo p e r a t e dt l l r o u g ht h ew h 0 1 ey e a r _ a f t e ra i l a l y z i i l g 协ec h a r a c t e r i s t i c so fe i l e r g yr e c o v e r yi na i r - c o n d i t i o i l i i l gs ) 哦e m ， a s s o d a t i n gh e a tf e a m r eo fa i r _ c o n d m o m n gs y s t 锄、v i mr i l r m i i l ge n v i r o m n e n t b 腿e d o nm em e 釉o s y p h o n ，m a t l l e m a d cm o d e lo fm 锄o s y p h o nw a ss e tu p ，e f f b c ta n d p e r f o m l a n c ew e r ec h e c k e du pi n1 h ee x p 嘶m e n t ，c o m b i n gt h ec a l 砌a d n gr e s u l tw i m e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，m em e m o s y p h o nw a si m p r o v e do nt om a k ei te a b c t i v et h e r e s u nw a ss h o w l l ：仕l ei n d i n a t i o na i l 9 1 e ，t 1 1 e6 l l i n gr 撕o ，m el e i i g n lo fm e n o s y p h o n a n dh e a d o ns p e e do fw i n da r ev e r yi l n p o r t a n tf a c t o rt om eh e a t 廿a n s f 玩f o r 也e l e 胁o s y p h o no f1 7 5 m ，2 m ，2 5 m ，3 m ，m eo p t i m 眦f i l l i n gr a t i oi sb e 附e e l l2 0 3 5 ， i f m e 栅i n g 洲o i sm o r eo rl e s s ，i ti sb a da tm ep 幽衄a n c eo f h e a t 廿a i l s 缸1 1 1 e o p 缸u mi n d i n a t i o na n 9 1 ei sb e 柳e e n1 5 。 2 0 。， t h el e r 培血o f m e 衄o s ”h o nw i l l n o tc h a n g et h ep h s e - c h a l l g eh e a t 仃a n s f i 盯c o e 伍c i e n to f l ee v a p o 枷o ns e c t i o na n d t h ec o n d e n s a t i o n ，删c h 诵1 1e n l a r g eh e a t 位a n s 衙a r e ao ft h 锄1 0 s y p h o na i l di n c r c a s e 山eh e a te x c h a n g ec 印a c i 哆t h eh e a d o ns p e e do f w i n do i l l ys t r a n g e rm eh e a t 恤m s f c r o f 1 ee v a p o m t i o ns e c t i o na n dm ec o i l d e r i s a d o ns e c t i o n t h ee x p 谢m e ms h o w s 廿l a t 协em a 出e m a t i cm o d e lc l o s d y右t st ot h e t l l e r m o s y p h o i l m o r e o v e r ，也eo n ek e yt or e s o l v em em e n n o s y p h o ne 行e c tl i e si i l d e c r e a s i n gm em e n n o r e s i s t a i l c eo fe v a p o r a t i n gs e c t i o na 1 1 dc o n d e n s a t i o ns e c t i o n t h i s s t u d yc a np r o v i d ed i r c c t i o n sa n de x p 缸e c ei i l 也e 矗血盯er e s e a r c h 衄yw o i m s ： 也e m o s y p h o n ， 盯o u n dr o o m _ t e m p 咖h e a t 吣f e rc h 啦c t e r i s 血s 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： 霉熊仨 日期：字弦莎- t7 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) 躲瑶衅导师虢茧驻吼d 嘶 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着人民生活水平不断提高，建筑物的能耗( 以采暖和空调为主) 在我国总 能耗中所占比重将越来越大，据分析统计，近年来，我国建筑物耗能约占全社会总 能耗的2 5 左右“1 ，随着我国经济和住宅的发展、人民生活水平的提高，这种比例 还会进一步上升。目前，我国建筑物单位能耗甚高，我国多层住宅单位能耗为气候 条件相近的发达国家的2 5 倍。以我国空调能耗为例，空调住宅能耗约为一般住 宅能耗的6 7 倍，我国已经具各了年产2 0 0 0 万台家用空调的生产能力，国内空 调市场也已经突破了年销售量1 0 0 0 万台的门槛。我国住宅面积迅速增长，年增长 率1 0 亿廿，九五期间共计增加了5 5 亿m 2 ，2 0 2 0 年将达5 0 0 亿m 2 ，用能需求剧增。 北京市大型公共建筑物的用能状况，经过新中国成立5 0 多年来的建设，特别 是近几年基础设施建设的高速发展，北京城市面貌发生了巨大的变化，截止到 2 0 0 3 年，全市既有房屋建筑面积已达4 7 5 亿m 2 。其中3 8 3 亿m 2 为民用建筑， 民用建筑用能已占到全市终端能耗的3 0 咀上。北京市现有各类大型公共建筑约 5 0 0 幢。其中高档写字楼和商务楼1 5 0 幢，总建筑面积约11 3 0 万m 2 ；大中型商场 3 3 家，总建筑面积约1 0 0 万m 2 ：三星级以上的高级酒店2 3 9 家( 五星级2 6 家、四星 级5 6 家、三星级1 5 7 家) ，总建筑面积5 4 0 万m 2 。此外，作为国家的政治文化中心， 首都北京拥有中央各部委的办公大楼、各大医院医疗门诊大楼、电视台、博物馆、 体育馆等大型公共建筑约3 0 0 万辞。北京市大型公共建筑总建筑面积为20 7 0 万 2 。大型公共建筑由于其内部发热量大，冬季供热能耗不大，供暖季平均供热量仅 为1 0 3 0w 一，冬季供热总能耗为0 1 0 1 3g j ，供热能耗与普通居民住宅基 本相当。由此可看出北京市大型公共建筑节能潜力巨大。所以必须重视建筑物节 能以及实施建筑物的复合能量系统，提高供暖、空调等能量利用率“”1 。 热管换热技术具备优良的热传导性能“1 、二次问壁换热、热流密度可调节 等等普通换热技术所不具备的优越性能，因而在工业换热和回收节能等方面获得 广泛应用，并在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功实例。近年来，热管 广泛应用，并在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功实例。近年来，热管 北京工业大学硕士学位论文 换热技术在建筑节能方面的研究可谓方兴未艾，可以预期其推广应用将成必然之 势。 1 2 热管在建筑物余热回收利用中的应用优势 热管应用于建筑物余热回收利用技术由建筑物能流特点和热管技术的特点 决定。 1 、建筑能流分析1 尽管流入建筑的能源有多种，但经过不同途径的能量转换后，最终都将以废 气、废水、围护结构散热等形式排出。建筑物通风空调废热( 冷) 具有以下特点： 排出的空气状态参数接近室内空气的温、湿度，对于大型建筑物，排出的 废热( 冷) 相当于总负荷的3 0 9 6 4 0 。 排风中的废热( 冷) 与新风处理能源需求在时间上完全同步，如果通过热 交换方式回收排风中的废热( 冷) 则无须增设复杂的蓄热装置。 排风中的废热( 冷) 与新风处理所需能源品位比较接近。 利用废热引起的污染和对热交换设备可能引起的腐蚀影响不大，但在工 厂及医院手术室的通风空调排气等特殊情况需要考虑这个问题。 2 、热管技术在建筑节能中的适用性特征 用于建筑能源回收的热管属于近室温热管，相对于普通换热器具备以下优点： 效率高，节能效果显著。热管内部主要靠工质相变传热，热阻小，在小温差 传热方面具有很强的适应性，但传热能力受到传热极限等因素的制约。 热管的管壁温度可调性。可以独立改变蒸发段和冷凝段热流密度。 二次间壁换热。可以避免新风与回风的交叉污染。 环境适应性强。结构和位置布置可以非常灵活，适应各种复杂场合。 1 3 各类热回收装置的比较 热回收装置比较多，但归纳起来共两大类阳刊：即显热回收装置和全热回收 装置。显热回收装置有盘管热环式换热器，板式显热换热器，热管式换热器。全 第一章绪论 热回收装置既回收显热，又能回收潜热，此类装置有转轮式换热器、热泵式换热 器。 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，其结果见表卜1 “”。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。 表1 1 各种热回收装置比较表 1 i a b 1 1c 伽叩a r e n to fa 1 1h e a tr e d a i l i l e r 能量回收系效设备 维护 辅助 占用交叉 自身接管灵抗冻 统 益 费保养 设备 空间污染能耗活性能力 转轮式换热高高 由 无大有少差差 器 板式显热换低低中无大无无差中 热器 盘管热环式低 低难有中无 多 好 由 换热器 热泵式换热 d j 高 难 有大无多好好 器 热管换热器中 由 易 无 小无 无中 好 1 4 热管技术国内外研究现状 热管是1 9 6 4 年美国g r o v e r 等人发明的高效换热元件。起初，热管主要应用 于空间技术，随着能源日益紧张和能源价格不断上涨，能源工程迫切需要新的高 效的余热回收装置。由于由热管组装成的热管换热器具有高效、轻便、经济等优 点，因此受到各国的重视，使许多制造商感兴趣，一些生产热管换热器的制造厂 应运而生。近年来，热管换热器已在欧美和日本等国得到越来越广泛的应用。 目前，国外热管换热器已经商品化，开始按系列批量生产。例如，研制第一 台热管换热器的美国q d o t 公司就生产了各种t r u 系列产品“”，到1 9 7 9 年为止 1 北京工业大学硕士学位论文 已经生产了三千多台热管换热器，如果用于回收余热，约每年可节约五百万桶燃 油，美国休斯飞机公司生产的热管换热器称为“h e a tb a n k ”，产品有四个系列1 ； 而日本昭和铝公司制造的热管换热器称为t h e r m o c o i l ，按不同用途，产品分为 三个系列n “。 国内自1 9 7 7 年开始热管换热器的研制，进展较快。由于气一气热管换热器 在烟气的余热回收中具有显著的优越性，近年来，有关工厂与院校、研究所、制 造厂相互配合，先后开展了热管换热器的研究和试验工作，取得了许多成果。 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“”1 。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为8 0 0 w 的重力式热 管换热器，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1 0 0 w 相近，换热效率为0 1 6 ，显然偏低，究其 原因，此热管换热器设计比较简单，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乜”2 ”。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 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“”，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 l 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，如 潘阳等人研究的热管式空调通风换热器1 、热管式空调换气换热器。1 等。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， 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 ， 换热器效率为8 0 ，运行效果良好。 第一章绪论 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 3 ”。 1 5 将热管换热器用于建筑物余热回收利用的文献综述 1 5 1 用于房间除湿方面的应用 目前，现有房间空调器在潮湿气候地区使用时，因其除湿量不足，使得房间 内舒适性较差。实际上，房间的热负荷是由显热负荷和潜热负荷两部分组成。将 热管换热器用于空调系统中，可以保证空调器的制冷量和功耗基本不变，而除湿 量却显著增加，同时空调器的送风温度适宜，从而可以解决目前现有房间空调器 在潮湿地区使用时，因除湿量不足而造成房间内舒适性较差这一问题3 ”。 针对应用于空调系统的热管换热器的冬夏季冷、热源方向的变化问题，在该 热管换热器的中间挡板处设置一个旋转支架。随着季节的变化，调节热管的倾斜 角度，可以简单方便地实现热管换热器的全年工况运行“1 。 文献“”对进风温度对房间空调器的影响进行了实验分析。当冷凝器进风温 度、风量，蒸发器进风含湿量、风量等不变时，随着蒸发器进风温度的降低，除 湿量显著增加，而制冷量、耗功率变化不大；当冷凝器进风温度、风量，蒸发器 进风温度不变时，随着蒸发器风量的减少，除湿量增加，但不显著，同时制冷量 却减少较多。针对这样的情况，文中提出通过在空调器上加重力式热管换热器来 降低蒸发器进风温度，同时可使除湿量显著增加3 0 4 0 ，而制冷量和耗功率基 本不变，重力式热管换热器结构可与空调器的蒸发器结构相同，其所需换热面积 一般不会超过蒸发器换热面积的2 倍，热管的工作介质可与空调器用的制冷剂相 同，并且空调器的出风温度和相对湿度适中，增加了舒适感。另外，文中还提出 可在不改变房间空调器原有配置( 压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管) 的情况下， 只需适当增加室内侧风机压头，达到预期效果，且不会使空调器的总体积增加很 多，开拓了热管技术的应用范围。 文献“1 从理论上探讨了将热管换热器用于间接蒸发冷却和干燥除湿的可行 性。文中采用毛细泵回路( c p l ) 热管换热器，c p l 换热器的蒸发段和冷凝段分别作 北京工业大学硕士学位论文 为送风的冷却器和回风的加热器。间接蒸发冷却和干燥除湿的应用降低了送风的 干球温度和湿球温度；而c p l 热管换热器的应用，提高了空调系统的制冷能力， 达到了节能效果。 文献“”在制冷量为1 7 6 k w 、能效比为8 的空调系统中安装了热管换热器， 用于改善冷却和除湿效果。通过使用热管换热器，新风在进入冷却盘管之前被预 冷，从而可在冷却盘管中增加除湿量( o 1 3 4 k g m i n ) ，同时可减少操作费用和高 峰负荷。 w u 等人得到的结果为：系统制冷量提高2 0 3 2 7 ，在送风相对湿度 7 0 的 条件下，热管换热器可以替代再热器，在送风相对湿度7 0 的条件下，可能需要 辅助再热“”。 m c f a r l a n d 等人指出：对于标准为室内温度2 2 、相对湿度5 0 的房间空调 工况，热管一空调器组合系统在室外温度波动超过4 4 时，室内温度波动小于 o 3 ，相对湿度小于0 5 ，热管换热器效率接近1 0 0 ，除湿能力比普通系统提 高6 2 ，比旁通系统提高7 0 ，相应的辅助再热负荷分别减少2 0 和1 8 ，系统潜 在能效比( l a t e n te n e r g y e f f i c i e n c y ) 分别提高9 0 和8 7 ：进一步，考虑空调器 标准使用寿命可达1 0 年以上，热管一空调器组合系统每年运行1 0 0 0 h s ，则可计算 出系统附加的热管换热器投资回收年限( s i m p l ep a yb a c kp e r i o d ) 为4 年，因 而在经济上也是完全可行的”1 。 1 5 2 自然通风热( 冷) 回收 对于竖管通风的自然排风系统，目前大多没有采取热回收措施，因为安装常 规换热器后，有可能由于压力损失过大而导致通风失败。热管换热器具备优良的 传热性能和灵活的结构形式，能够在竖管风道自然排风系统得到有效利用。试验 表明，在风道风速o 5 m s ，热回收效率5 0 的情形下，其引起的压力损失约为1 p a 【3 口】 0 热管换热器应用在自然排风系统的能源回收时，其整体性能受管外翅片形 式、热管排列方式、管排数量、气流速度等多种因素的相互制约。随着风速的提 高，其热交换效率降低而阻力增大。对于风道自然排风系统，建议换热器风速不超 过1 m s ：平翅片、百叶窗式翅片比锥形、针形翅片换热效果好，而且压力损失小， 主要因为前者翅片与管壁接触更充分，而后者则导致气流扰动增强：对于管道风 6 一 第一章绪论 速0 5 m s 时，采用单排平翅片或百叶窗式翅片热管，热交换效率可达4 0 ，双排可 接近7 0 ，之后随着热管排数的增加，换热效率提高不大，但压力损失明显增大：热 管单元交错排列与矩形排列比较，热交换效率虽略有提高，但压力损失增加则更 加显著“”。 1 5 3 集中排风热( 冷) 回收 公共建筑规模大，换气量也大，比如医院手术室有时要求换气频率每小时4 0 次以上，而对大型建筑，排气所带走的能量约占总负荷的3 0 4 0 左右，能源回收 潜力大。 通过分离式热管换热器，可利用空调系统排风的能量预处理新风，若新风量 按3 0 计算，可使空调系统节能7 以上：随着冷、热气流温差的增大和新风比的增 加，节能效果将更加显著。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的“冷”回收的时间可达1 5 0 0 h 以上，按气象参数计算，3 年内可回收设备的初投资费用n “。 文献“”将分离式热管换热器用于回收空调排风中的冷热量，并做了实验研 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 m s ，整个装置回收率超过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。 文献m 1 研制了分体式热管热回收装置，热管设计采用了对板翅式换热器进 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 对传热效果最好。 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， 热管换热器只能回收显热，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“。 文献”提出来一种用于空调系统热回收的流程图，如图卜1 所示。文献“ 提出了一种带热力毛细动力循环的热管热回收系统。与传统一次回风再热式空调 系统比较，带热毛细动力循环热管热交换器回热的一次回风空调器系统可以减少 表冷器的冷量和节省再热器的再热量。空调送风状态是通过调节阀调节热管管路 中介质的流量进行调节的。 北京工业大学硕士学位论文 图卜l 热管管式空调系统流程图 f i g 1 lh o wc h a na sa i r - c o n d i t i o n i n gs ”t e mo f h e a tp i p e c 丈3 r 一一腑 宪d y c f ) 捕管7 图卜2 热管式空调换气换热器 f 嘻1 - 2h e a t e x c h a n g e r o 仆e a t p i p e i na i r 屯o n d 佑。血gs y s t 咖 文献啪提出了一种用于空调换气的热管式换热器系统，其原理见图卜2 。在 一年里，如果采暖和制冷分别按4 个月和3 个月计算，1 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。 文献“”研制了铝一氨重力热管式热回收换气装置。管材为整体挤压肋片管。 换热器采用1 0 支热管时，其外部尺寸为4 4 0 咖2 6 2 唧9 9 帆。在较大的风量下， 从加热的角度看节约能源7 9 ，从冷却的角度看节约能源5 5 ；在较小的风量下， 从加热的角度看节约能源7 4 7 9 ，从冷却的角度看节约能源4 8 5 3 。加 热和冷却效果的不同，主要是由于换热器进排气量有差异，而设计中二者相等。 采用5 支热管时，换热器外部尺寸为4 4 0 衄2 6 2 衄5 0 岫。在较大的风量下，从 加热的角度看节约能源5 7 6 4 ，从冷却的角度看节约能源4 6 5 0 ；在较 小的风量下，从加热的角度看节约能源6 0 6 6 ，从冷却的角度看节约能源 4 8 5 2 。 由上面实验数据可知，热管换热器的换热效率相当可观。如果将其用于家庭 一8 第一章绪论 换气，不仅可以提高室内空气品质，还可减少能耗，起到节约用电的效果。 文献“神中以应用在潍坊2 万吨粘胶短纤维的纺练车间空调通风为例，说明 低温热管能量回收装置的使用方法及其效益。该例中采用垂直布置的铝合金重力 热管设备，用以回收干燥机排出的废热。通过对实际运行结果的分析，可以看到， 热管能量回收装置节能效果明显，经济效益可观，且可在食品、医药、冶金、化 工、纺织、化纤等许多领域应用，值得大力推广。 文献“”研制了一种重力式热管换热器，通过半年多运行证明，可以使效率 从7 8 提高到8 9 5 ，设备投资可在两年内回收。该设备采用铜钢复合管，工质 采用蒸馏水。通过实验确定充液量占热管内腔空间的2 0 2 5 时，重力式热管 有较好的性能，针对该装置最后选定充液量为2 3 6 。 1 5 4 水平热管空调换气装置 上述热管节能换气装置有两点不足：一是虽然热管尺寸小，但与之配套的风 机尺寸较大；二是由于在空调工程中，夏季和冬季排风与新风之间要求的传热方 向不同，所以热管的两端蒸发段和冷凝段也需随季节的变化而交替切换。而 重力型热管在运行时，需要保持定的倾角。因此如果此装置在冬季和夏季都使 用的话，需要改动进排风相对热管的位置。 为此，水平热管空调换气装置被提了出来。其目的在为新风换气要求小的空 调单元提供一种体积小、结构紧凑、节能效果更好的新型通风换气装置。这种装 置如图卜3 所示，风机采用同轴双翼通风机，气流在流入和流出风机时，方向不 变。换热器采用水平热管，换热效果好而成本较层叠式或板式换热器低，并且没 有重力热管换热器需要的冬季和夏季换气的进排风换向问题。表1 1 是其部分实 验测试数据“。 表卜2 风量和风温测量 t 曲1 21 锄d e r a m r ea n dv o l u 珊af l o wo f a i r 贯流风叶侧离心风叶侧 通风量b 3 肛) 8 5 51 1 6 4 进风均温 2 6 1 23 9 8 5 出风均温， 3 2 3 63 4 9 6 北京工业大学硕士学位论文 薪风过 出a ；慝蓥畏磊1 进一 图卜3 水平热管空调换气装置 f i g 1 - 3 a i o n d i 石锄i n gs y s t e n lo f h o r i z o n t a lh e a tp i p e 由表卜l 可知，在小风量情况下，贯流风叶侧的温度效率为4 5 5 ，离心风 叶侧的温度效率为3 5 6 ，此装置可在改善室内空气品质的同时减少能耗，在家 庭换气方面应用潜力很大。 文献“1 在不同冷热空气流量比m 、热管换热器迎面风速和管排数条件下对研 制的热管换热器进行了试验测试。热管采用外径1 5 哪、壁厚l 姗的铜管，采用铝 质翅片、翅片间距2 3 衄，错排布置。结果分析认为：迎面风速增大，热管热回 收装置的温度效率随之减小；热管排数增加，则温度效率亦随之增大；热冷空气 流量比m 增大，热管热回收装置的温度效率亦随之增大。在实际工程应用中，考 虑到阻力损失、运行费用和初投资等因素，通常迎面风速限制在2 0 3 0 m s 的 范围内，采用4 、6 或8 管排数的热管换热器为佳，同时进口冷风段需设置过滤 装置，保证隔离段良好绝热以及热管的完全密封。 1 6 本文的研究思路与主要工作 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热管技术，对 于近室温条件下，热虹吸管的传热机理的研究较少，而且以试验研究为主，本文 研究应用于空调系统热管换热器单根倾斜式重力热管的热力性质，在热虹吸管中 间隔板处设置旋转支架，调节热虹吸管的倾斜角度，研究热虹吸管充灌率，系统 倾斜角，不同管长，迎面风速对传热的影响。 ( 1 ) 、从近室温条件的热虹吸管工作机理出发，建立热虹吸管内部传热热阻 的数学模型。 第章绪论 ( 2 ) 、根据热虹吸管内部传热的数学模型进行计算，分析各部分热阻在热 管传热中的影响。 ( 3 ) 、搭建试验台，进行热虹吸管单管性能试验。 ( 4 ) 、通过试验数据对前面所建立的数学模型进行验证，分析出近室温条件 下，影响热虹吸管传热性能的主要因素。 本章小结 本章首先分析了对热管在建筑物余热回收利用研究的背景和意义，建筑物本 身能流特点和热管用于建筑物余热回收利用的优势，对几种常见的热回收技术进 行了比较，通过综合比较得出将热虹吸管用于空调系统的余热回收利用是最合适 的办法，最后介绍了国内外热管技术用于建筑物余热回收利用上的理论和试验研 究，提出了本文的研究思路和主要工作。 第二章热管传热的理论分析 第二章热虹吸管传热的理论分析 热虹吸管又称重力热管，具有传热能力强，结构简单等特点，是最为常用的 理想热传导元件之一。本章主要介绍近室温下，热虹吸管的工作过程和工作原理， 并对近室温下热虹吸管各部分的传热情况进行理论分析。 2 1 热虹吸管传热的基本理论 2 1 1 工作原理 热虹吸管是一根密封的充注有工质的管子( 如图) ： 图2 1 重力热管 f i g 2 一lg r a v i t yl h e n n o s y p h o nm o d e l 包括蒸发段、绝热段和冷凝段。工作时管内流动着气液两相的常温工质( 低 于1 0 0 ) 。当管子的蒸发端被加热时，管内的液体吸收蒸发潜热而汽化。蒸汽 流到管子的冷凝端凝结并放出潜热。重新凝结的液体沿着管壁在重力作用下流回 管子的蒸发端。汽化潜热通常是非常大的，这样在管子的两端温差很小的情况下 就可以传递相当大数量的热量。蒸发端和冷凝端之间的蒸汽压降是非常小的，因 为沸腾一冷凝循环在本质上就是一个等温过程。只要设计合理，热源与蒸汽、 蒸汽与热沉之问以很小的温度损失传热。以汽化潜热方式传递的热量通常要比一 个具有相同温差的传统对流系统中以显热方式传递的热量大几个数量级。热虹吸 管的第二个特征是：相对较大数量的热可以在轻重量的结构中传输，这是因为热 北京工业大学硕士学位论文 虹吸管没有吸液芯，所以和普通热管相比，结构简单，制造方便，成本低廉，而 且传热性能优越，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。 2 1 2 热虹吸管内部的传热极限 热虹吸管内部是靠工质相变和连续工质循环实现热量传递的，它的传热能力 是有极限的，不是可以无限加大热负荷的，事实上有许多制约热虹吸管工作能力 的因素，有热虹吸管本身的，也有外部环境对其的影响。这些传热极限与热虹吸 管本身的尺寸、形状、工作介质、工作环境、工作温度等有关，一般认为热虹吸 管存在干涸、烧毁( 沸腾) 和携带三个传热极限。 、干涸传热极限 当热虹吸管的充液量很少，蒸发段的径向热流密度也相对较小时，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 散，壁温持续上升，这就是干涸极限。因此热虹吸管充液量不能低于最小充液量， 否则将发生干涸传热极限。 、沸腾传热极限 对热虹吸管而言，沸腾传热极限很容易出现在充液率大且蒸发段径向热流密 度也较大的情况下。在一定的热流密度下，液池中首先发生核态沸腾，随着径向 热流密度的增大，液池中沸腾过程更加强烈，当达到某一临界热流密度时，单个 气泡连成一片，在加热段壁面上形成蒸气膜，这层蒸汽膜将壁面与液体隔开。由 于蒸汽的导热系数很小，外界给壁面的热量仅有小部分传给液体，其余部分热量 储存在金属壁面中，使热虹吸管的传热能力下降，壁面温度忽然升高，这就达到 了重力热管的沸腾传热极限，又称烧毁极限。这个极限与大容器沸腾中的烧毁极 限有类似之处，在工程计算中常用大容器膜态沸腾公式估算。工程中被推荐的公 式有 厂- i - o m 妮忙l 去j 佩雨： ( 2 _ 1 ) 1 4 第二章热管传热的理论分析 式中a ，p ，气体和液体密度堙m 3 ； u ，液体运动粘度m 2 肛； 盯表面张力m 2 ； 、携带传热极限 重力热管携带传热极限的产生，是由于蒸气和液膜逆向流动在分界面上出现 切应力而引起的，随着轴向热流密度的增大，汽一液分界面上在切应力的作用下 发生携带现象。在携带发生初期热虹吸管尚能工作，随着携带的加剧，凝结段液 体量增多，径向传热热阻增加。当液体量增加到一定数量时，液体在重力作用下 克服了蒸气流的阻力又回落到蒸发段。当热流密度进一步增大到某一数值时，极 高的切应力阻碍并迫使回流液体停滞或逆向流动，此时所对应的热流量称之为携 带传热极限。热流量一旦达到携带传热极限，将导致蒸发段管壁局部或整体干涸， 管壁温度急剧升高使管壁过热或烧毁。 2 2 近室温条件下热虹吸管性能的计算 根据重力热管的装置结构图，可以建立该装置的物理和数学模型，图2 1 中 的主要部分为蒸发段和冷凝段，蒸发段进行的是沸腾换热，而冷凝段进行的是冷 凝换热。 冷凝段相变热阻r 3 彦 二二二兰三黎冷凝段壁面热疆。 q e 蒸发段 图2 2 重力热虹吸管装置结构图 f i g 2 - 2d i a g 舳o f i i l c l a 曲t i o n 刚t yt h 锄o s y p h o nm o d e l 2 2 1 物理模型 在物理模型之中，冷却介质经过过冷液体一饱和液体一饱和蒸汽饱和液体 北京工业大学硕士学位论文 一过冷液体的循环过程。该过程在循环回路上进行自然流动，流动循环的质量小。 由于冷凝段回来的过冷液体在蒸发段极短的时间内就转化为饱和液体，因而其流 动与传热过程可以忽略。因此在本文中主要考虑的是蒸发段的蒸发过程和冷凝段 的冷凝过程。 综上所述，可以建立物理模型如图2 2 。根据物理模型进行热量和热阻的计 算。 首先假设： 、流动与换热都是一维的； 、热虹吸管传热装置各部分截面上的工质都处于热力学平衡状态； 、热虹吸管传热装置处于稳定工作状态。 2 2 2 热量 在热量交换方面，进行热量交换的只有两部分，即蒸发段和冷凝段，那么蒸 发段吸收的热量必然等于冷凝段放出的热量。在这个条件下，热虹吸管传热装置 可以正常工作。 q = 包( 2 2 ) 2 3 充液率对传热陛能影响的分析 根据传热装置的设计，把充液率定义为：n = 充液量g 舟 在式中， 充液量可以给定，也可以由计算得到，蒸发段的内容积是设计参数。 充液量是影响热虹吸管传热效果的一个重要因素，也是设计和实验中重点考 察的一个参数。如果充液率过大，气体夹带液滴到达冷凝段，就将降低整个热虹 吸管的传热性能。如果充液率不足，则热虹吸管将出现干涸极限。因此，必须根 据工作状况提出合理的充液率，使热虹吸管处于最佳工作状况，充分发挥该装置 的传热效果。 以经典n 1 1 s s e l t 竖壁膜状冷凝理论为基础，s 骶l t s o v 得到热虹吸管充液量与 热流量之间的关系式如下： 一1 6 第二章热管传热的理论分析 g = ( 扣l 刊j 警降( 2 _ 3 ) ，一蒸发段长度；加 ，冷凝段长度m ，。绝热段长度埘； p ，液体密度堙矿； d ；热虹吸管内径m ： k 汽化潜热七，碚； ，液体动力粘度系数卢已； 口热流密度矿m 2 ； 由式( 2 3 ) 可清晰地看出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。由式( 2 3 ) 可计算出最佳充液量如图( 2 3 ) ： 1 0 1 02 03 04 05 06 07 0 输入q ( w ) 图2 - 3 最佳充液量随输入热量变化曲线图 f 远2 3o p d n l u mf i l l i n gm 鹊sw i 血卸u t i l l gp o w e r 可观察出，随着热虹吸管输入热量的增大，热虹吸管的最佳充液量也随之增 大，管长越长，所需要的最佳充液量也越大，如果实际充液量小于计算最佳充液 量，则热虹吸管的底部将出现干涸，发生干涸极限。又因为热虹吸管内部蒸汽与 液膜之间存在较大的剪切力，液膜有增厚的趋势，蒸汽腔内也常存在汽一液混合 8 6 4 2 暑)=吾链恹趟蜡被孟 北京工业大学硕士学位论文 物，而且热虹吸管内一般总有定高度的液池，即为了适应超过热流量的状况， 且液池内处于核态沸腾具有很高的换热系数，所以公式( 2 3 ) 计算所得到的充液 量是偏小的。 2 4 热虹吸管传热装置的理论模型 在热虹吸管传热装置的传热计算中，本文采用传热热阻的串联模型，当热 虹吸管达到稳态时，它的传热热阻包括以下几个换热熟阻： ( 1 ) 蒸发段壁面的导热热阻足 ( 2 ) 蒸发段液一汽相相变热阻尼 ( 3 ) 冷凝段汽一液相相变热阻足 ( 4 ) 冷凝段壁面的导热热阻r 这4 个热阻串联后就构成了热虹吸管传热装置的总热阻。即： 只= 尺l + 尺2 + b + r 4( 2 4 ) 在整个传热过程中，热流密度一定，求出各部分热阻后，就可以求出热虹吸 管传热的温度差。 2 4 1 蒸发段壁面的传热分析 对于铜管外壁面向内壁面的导热过程，可根据下式确定热阻 耻掣 ( 2 - 5 ) 式中： 乩，吐蒸发段管的外壁和内壁直径，m 五管壁材料的导热系数，吲匿) t 蒸发段管的长度，聊 2 4 2 蒸发段的相变传热分析 在正常运行过程中，热虹吸管蒸发段内包括了各种流体流动及传热现象，其 中有池沸腾传热、膜蒸发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。据实验观察，可将该热虹吸管的沸腾换热视为管 内自然对流的核态沸腾换热，假设热虹吸管管内的薄液膜均匀、轴对称，且蒸发 第二章热管传热的理论分析 段底部的液膜厚度为零，可以运用n u s s e l t 理论，得出局部和平均的n u s s e l t 数 的计算式如下： 丽：厶o 9 2 5 r e 旌( 2 6 ) 式中，正= l o 6 7 d d o6 i i l d d 0 5 2 0 姗 用以下关系式计算蒸发段的平均换热系数： z 筹” ， 式中，见是大气压力，吼为蒸发段的热流密度叫m 2 岛，岛液体和气体的密度，您。m s 。气体的动力粘度， 圮- j 五液体的导热系数，吲如- 足) 唐汽化潜热，k ，堙 液体的定压比热容，圳( 砖k ) g 重力加速度，j 2 由式可以得到蒸发段相变换热热阻为： r 2 _ 去 ( 2 一s ) 式中，f 蒸发段换热面积，m 2 2 4 3 冷凝段相变传热分析 工质在冷凝段管内冷凝，并且主要受重力控制，采用文献【4 8 】中的关联式 计算 北京工业大学硕士学位论文 铲端 i ， 其中 q = o 7 2 8 占；( 2 1 0 ) 。2 ( 确 式中风，p ，汽、液相密度，堙m 3 u 运动粘度，m 2 居 b ，m 蒸汽、壁面温度， x 干度 换热系数，叫( 优2 k ) 五导热系数，吲k ) d 管内径，肌 液相的定性温度为亿+ 乙) 2 ，汽相的定性温度为t ， 变换热热阻 坞2