（制冷及低温工程专业论文）热管式热回收机组理论和实验研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的快速发展，建筑能耗不断增加，能源问题日益突出，如何减少 建筑能源消耗越来越引起人们的重视。建筑空调系统节能的途径有很多，其中一种 重要的方法就是采用热回收装置。因此，本文针对空调系统的节能研发了热管式热 回收机组，并对其散热性能进行了理论分析和实验研究。 本文首先回顾了热管换热技术的发展过程以及目前国际、国内进展情况，论述 了热管的工作原理和特性。再从理论上分析了热管的传热机理，讨论了热管的各种 传热极限。然后建立了热管性能测试系统，测试了热流量对热管蒸发段、冷凝段的 传热影响；蒸发段长度对冷凝段的传热影响；以及热管的毛细极限。这对热管式热 回收机组的设计和性能实验有重要的理论指导意义。 根据实际应用的条件和常规的设计方法，设计出适合的水平热管换热器，在此 基础上研发了热管式热回收机组，并委托厂家加工。根据实验要求，设计、建立了 热管式热回收机组的性能测试系统。首先对热管式机组进行稳定性实验，然后对所 设计的热管式热回收机组进行不同工况下的性能实验，比较了在充液率、风量、室 内外温度等实验工况发生改变的情况下热管式热回收机组的热回收效果。有关的实 验数据可作为热管式热回收机组产品开发设计的依据。 希望本论文对热管式热回收机组所进行的理论和实验研究，能对今后的研究和 应用提供一定的参考，促进热管技术在空调热回收中应用。 关键词：热管，热回收 上海海事大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n a ，b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n w i l lc o n t i n u et oi n c r e a s e ，w h i c hm a k e se n e r g yi s s u e sm o r ep r o m i n e n t m o r ea n d m o r ep e o p l eh a v ep a i da t t e n t i o nt oh o wt or e d u c eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h e r ea r eal o to fw a y so fs a v i n ge n e r g y ，a n do n ei m p o r t a n tw a yi st ou s eh e a t r e c o v e r yu n i t t h e r e f o r e ，t h ep a p e rf o c u s e so nd e v e l o p i n g h e a tp i p eh e a t r e c o v e r yu n i t sf o re n e r g y s a v i n g o fa i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s ，a n dd o i n gt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fl t st h e n t l a lp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf i r s t l yr e v i e w sd e v e l o p m e n tp r o c e s so fh e a tp i p et r a n s f e r t e c h n o l o g ya sw e l la st h ec u r r e n td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o n 。a n d d i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e d s t i c so fh e a tp i p e t h e nt h i sp a p e r a n a l y z e st r a n s f e rm e c h a n i s ma n dk i n d so ft r a n s f e rl i m i t so fh e a tp i p ei nt h e o r y ， a n dat e s t i n gs y s t e mo fh e a tp i p ei se s t a b l i s h e dt ot e s th e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e o fe v a p o r a t o ra n dc o n d e n s a t i o nw i t ht h ev a d e t yo ft h et h e r m a lf l u xa n dt h e c a p i l l a r yl i m i t a t i o n ，w h i c hc a nd i r e c tt h ed e s i g no fh e a tp i p eh e a tr e c o v e r yu n i ta n d t h ee x p e r i m e n to fp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o na n dt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，t h e h o d z o n t a lh e a tp i p ee x c h a n g e ri sd e s i g n e da n do nt h eb a s i so n e sd e v e l o pt h e h e a tp i p eh e a tr e c o v e r yu n i ta n da s kt h em a n u f a c t u r e rt op r e c e s s a c c o r d i n gt o e x p e r i m e n t a lr e q u i r m e n t s ，at e s t i n gs y s t e mo fh e a tp i p eh e a tr e c o v e r yu n i t i s e s t a b l i s h e d f i r s t l yt h es t a b i l 耐e x p e r i m e n to nh e a tp i p eh e a tr e c o v e r yu n i t i s d o n e t h e nd i f f e r e n tc o n d i t i o n sh a v eb e e nc r e a t e d d i f f e r e n te f f i c i e n c yo fh e a t r e c o v e r yh a sb e e ns h o w e dw h i l ed i f f e r e n tq u a n t i t yo fl i q u i df i l l e dc h a r g er a t i o ， d i f f e r e n ta i rv o l u m ea n dd i f f e r e n ti n d o o rt e m p e r a t u r e t h ed a t ac a nb ea p p l i e di n t od e v e l o p i n gn e wp r o d u c t s 1 h o p et h a tt h et h e o r e t i ca 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 fh e a tp i p eh e a t r e c o v e r yu n i ti nt h ep a p e rw i l lg i v es o m eh e l pf o rt h ef u t u r ei n v e s t i g a t i o n sa n d a p p l i c a t i o n sa n db ed e a d i c a t e dt oa c c e l e r a t i n g t h ea p p l i c a t i o no fh e a tp i p e t e c h n o l o g yi nh e a tr e c o v e r yo fa j 卜c o n d i t i o n j n gs y s t e m s l ig u o q i 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 l i 上海海事大学硕士学位论文 k e y w o r d s - h e a tp i p e ，h e a tr e c o v e r y l i t 上海海事大学硕士学位论文 论文独创性说明 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何致谢外，不包含其他人或其他机构已经发表 或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所作的贡献均己在论 文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：麦( 霾盔 日期：豇田正颦 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 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：冬鞫曩 导师签名口期： 回6 - 1 2 上海海事大学硕士学位论文 1 1 空调系统的能量回收现状 第一章绪论 随着我国经济和社会的不断发展，对能源的需求不断增加。能源的供需矛盾越 来越突出，严重制约了我国国民经济的发展。而且在研究中发现我国在能源利用上 的一个亟待问题就是：能源利用率很低，我国能源利用率大概为3 0 左右，远低于 发达国家。因此节能潜力巨大。在我国总能源消耗中，建筑能耗占了比较大的比重， 而空调能耗又占了建筑能耗的很大比例。据统计，冬夏两个季节，空调建筑的能耗 又占整个建筑能耗的5 0 以上。 空调是一项综合性的技术，包括建筑物本身和空调系统、设备的节能。而且空调 系统耗能特点之一是系统同时存在供热( 冷) 和排热( 冷) 的处理过程，如果能将需 排掉的热( 冷) 量移向需( 冷) 的地方即采用热回收装置，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方法。 一般，新风负荷占空调总负荷的2 0 5 0 ，则新风能耗占建筑能耗的1 0 1 5 。如果在新排风间设置热回收装置，进行合理的热平衡后，新风的能耗被排风带 走，排到室外。若热回收装置的回收效率以6 0 计算，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，可以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。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 。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，宜选用全热或湿回收装置，其额定热回收效率应不低于6 0 。” 1 1 1 常用的热回收装置 在空调热回收系统中，目前较为常用的有转轮式换热器、板式换热器、盘管热环 式换热器、热泵和热管换热器。 ( 1 ) 转轮式换热器 转轮式换热器是一种全热换热，由转轮、传动机构、外壳、风机与再生用电加热 上海海事大学硕士学位论文 器组成，其原理是在旋转过程中使排风与新风逆向流经转轮并各自释放或吸收热量， 其优点是热回收效率较高，可达7 0 8 0 ，管理维护简单，在多数情况下不失为一 种较理想的除湿设备，但缺点是体积较大占用了较多的建筑空间，使用期间应考虑出 现凝结水、结冰带来的不良后果，以及集中的新风与排风要求给系统布置造成的不便。 图1 1 转轮式换热器工作原理图 ( 2 ) 板式换热器 板式换热器分平板式显热换热和板翅式全热换热器两种，是较为理想的排气能量 回收装置，其优点为结构简单，新、排风互不接触，无交叉污染，无转动部件，运行 可靠，使用寿命长。其缺点是通过气流受到露点温度的限制，凝结水、结冰现象使其 寿命下降。 遣风 寰内i 寰多卜 l棒风 风 图1 2 板翅式换热器工作原理图 ( 3 ) 盘管热环式换热器 盘管热环式换热器是一种空气+ 液体热交换器，由布置在新风、排风管道上的两 个热交换器、泵、膨胀箱、排空阀和管道组成，使用一台小功率泵作为系统的循环动 力，管道内的传热液体采用稀乙烯，乙二醇溶液或水，传热液体将排风中的热量再传 递给新风，该装置优点是新风、排风管道布鬣灵活。缺点是需增加泵的配置和控制， 对管道的密封要求极高。 ( 4 ) 热泵 热泵是一种可有效利用低温热能的节能设备，它能回收大量潜能，热效率高，但 上海海事大学硕士学位论文 其本身能耗大，设备投资造价较高。 ( 5 ) 热管换热器 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的高效传热元件，它可以将大量热 量通过其很小的截面积长距离地传输而无需外加动力。热管以其构思巧妙，传输温差 小适用温度范围广，可调控管内热流密度等众多优良特性，在能量回收和余热利用方 面已显示出其独特的作用，在暖通空调实际应用过程中，通常采用不锈钢或铜作为热 管壳体，甲醇、丙酮、水等作为工作介质，而毛细吸液芯则通过计算来选取。热管换 热器属于冷热流体互不接触的表面式换热，它具有的占地小、无转动部件、运行安全 可靠、换热效率高等优良特性，为工程选用创造了便利条件。 图1 - 3 热管换热器工作原理图 1 1 2 热回收装置的比较 选择合适的热回收装置需要结合当地气候条件、经济状况、工程的实际情况、排 风中有害气体的情况等多种因素，进行技术经济方面的综合比较。 表卜1 热回收装置的比较 能量回收系统效辜设备费维护保养 辅助殴鲁占用空间交叉污染自身能耗接管灵活性抗冻能力 转轮换热嚣高高 中 无大有少 差差 板式显热换热嚣低低中无大无无差 由 板式全热换热器高 中 击 无大有无 差中 盘管热环式换热器 低低难有中无多好 由 热泵 中高难有丈无多好好 热管换热嚣 由凼 易无小无无中好 从表1 - ! 中可看出，通过各项指标的比较，热管换热器具有优良的特性，这为在实 际工程应用带来了方便。1 1 】 1 2 热管换热技术的发展 1 2 1 热管技术的发展 上海海事大学硕士学位论文 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【2 j 。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 s a l a m o s 国家实验室的g m g r o v e d 3 1 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 l 4 1 首次提出了较完整的热管理论。1 9 6 6 年，k a t z o f f t 5 】发明了有干道的热管， 千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 6 1 。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 a 提出了用可变熟导热管来实现恒温控制。g m 一7 】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删。1 9 8 0 年，美国q i x ) t 公司生产了热管废热锅 炉，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1 9 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【1 0 1 。毛细泵回路c p l ( 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 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、公司及厂矿都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，重点开发了容易在工业中推广使用的碳钢 水热管换热器i l l l 。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，先后开发了热管气气换热器、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 2 1 。 1 2 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 4 上海海事大学硕士学位论文 来回收废热，并将其用于工业以节约能源。 目前世界上热管换热器的应用研究已经在以下方面取得了结果，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 大功率电子原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 应的换热器设备。 ( 1 ) 回收工业排气的余热 工业排气的温度往往高达上百度，若不加以利用而排放到大气中，不仅白浪费 了大量的能量，而且造成环境污染。将热管换热器用于工业排气的余热回收中，可 以从排气中回收余热，使之加热空气作为助燃空气使用加热空气作为烘房的热 源加热水，用作锅炉给水，或水产生蒸汽供其他方面使用加热排气本身，避免 腐蚀排烟设备。 ( 2 ) 电子原件和仪器的散热 在许多场合电子器件需要集中放置在一个密闭的壳体内，以防止外径环境中的 灰尘、腐蚀性气体、雨水等对电子器件的侵害。密封壳体中的电子器件、元件所散 发的热量必须及时散失到壳体外部去，以保持一个稳定的环境温度。在发热量比较 大的仪器仪表的密封柜内，往往在壳体内部安装中型风扇，使发热元件产生的热气 体在壳体内部循环，传递给小型热管换热器的蒸发段。热量通过热管传递到壳体外 部的冷凝段，并通过风扇散失到环境中去。 ( 3 ) 在自然能源方面的利用 太阳能热管换热设备有：热管式太阳能热水器，是一种高效太阳能热水器， 在国外应经普及，而国内有许多科技工作者进行了大量研究，并取得了成果，也使 我国成为世界上最大的太阳能产销国；太阳能热管散热器，它能与制冷系统联合 循环，从而巧秒而自然地实现了白天产的热水供夜间使用，而夜间的蓄冷可供白天 使用，提高太阳能的利用效率。 利用地热的热管换热设备：在许多有地热源的地方，可以利用热管换热器将地 热传送到地面上来加以利用。这较之将地下热水抽到地面上来换热的方法更为简 单，还可以省掉泵送地下热水的水泵及输送地下热水的管道系统及其他辅助设备。 利用风力的热管换热设备：大型电站透平背压蒸汽的冷凝一般采用水冷，但在缺水 地区用水受到限制，则考虑采用风冷。然而采用风冷必须有高效的换热设备，否则 难以实现。热管风冷器是一种高效节能的蒸发冷凝设备，非常适用于该环境。 ( 4 1 在化学工程方面的应用 化学反应往往有热效应相伴随的，对于放热反应，需要及时移走热量，而对于 吸热反应，则需要及时供给热量才能维持化学反应的正常进行。利用热管式或热管 换热器移走化学反应或供给反应热，可以把化学反应控制在理想的温度范围内进 上海海事大学硕士学位论文 行，从而可以得到高质量的产品，提高产量。典型的应用主要有：使用热管换热的 放热化学反应器；使用热管传热的吸热化学反应器掣捌。 1 3 热管换热技术在空调领域中的应用 空调系统热回收一直是暖通空调工程界研究的课题之一。在空调系统中，大部 分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间，而其余的回风则排出室外。这 部分回风携带的热( 冷) 量就白白浪费了，同时送风进入空调房间时必须经过加热 ( 冷却) 处理，需要消耗相当多的能量，因而研究如何将空调系统的回风热( 冷) 量回 收，再用于空调系统，对空调系统节能将具有重要的意义。另外，如军火工业的火 工品车间、生物药剂厂、医院手术室等，必须使用直流式空调系统，这种系统不仅 用电量大，造价高，而且排风消耗能量相对一般空调而言更多，节能更为重要。在 空调热回收系统中，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。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 研究所进行了分离式热虹吸管组换热特性的研究 【1 4 l ；东北大学进行了分离式热管元件充液量理论分析和实验研究i 甥；重庆大学进行 了分离式热管的流动和传热研究【l q ；南京工业大学进行了分离式热管凝结换热和传 热极限的研究川1 1 7 l ；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 1 1 8 】；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。1 1 9 1 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。热管也用在住宅空调节能上，在基本不改变空调器现有配置的基础上，加上 热管换热装置，组成熟管空调器组合系统，冬季可回收排风热能，减少空调器负荷， 达到节能的目的，而在夏季可提高空调系统制冷能力和去湿能力，完全或部分取消 再热负荷，提高舒适度。这一课题的研究在国内外可谓方兴未艾，研究者们在不同 的条件下大多得出了令人鼓舞的结果。w h 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1 2 0 i 。m c f a r l a n d 等人指出：对于标准 为温度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除湿能力提高 6 上海海事大学硕士学位论文 6 2 ，再热负荷减2 0 ，系统潜能效率提高9 0 ；进一步，考虑空调器标准使用寿 命可达1 0 a 以上，热管一空调器组合系统每年运行1 0 0 0 h ，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 y b 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 2 1 l ；上海市民用建筑设计院和航天部五院共同研制的氨铝低温热管换热器， 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 ，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。田j 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。还有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【捌； 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间即能收回。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 0 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 。0 c 左 右。1 2 4 l 1 4 本课题主要的研究内容 在查阅大量国内外文献的基础上，了解国内外热管换热技术目前在空调余热回收 的研究方向和已有的成果。从国内外研究状况可见，虽然在热管换热技术在空调余热 回收已有应用，但是对于热管换热技术的工作机理、结构变化( 蒸发段和冷凝段的比 例、不同的肋片结构等) 以及各种工况下的换热性能都没有进行深入的理论和实验研 究。在论文中针对热管换热技术的这一研究和发展现状，从应用服务的角度出发，为 产品设计提供可借鉴的理论和实验数据，研发了热管式热回收机组。本论文将从以 下几个主要方面做深入研究： 一、根据文献资料，对热管传热进行理论研究，特别是对热管的传热过程和不同 工作极限进行理论研究，这对接下来的热管式热回收机组的设计有重要的理论指导意 义。 二、根据实验要求，设计出热管性能测试系统，对热管的传热过程和工作极限进 7 上海海事大学硕士学位论文 行了实验研究。 三、根据实际应用的条件，设计出热管式热回收机组，并委托厂家加工。 四、根据实验需要，设计和建立热管式热回收机组的性能测试系统。 五、对热管式热回收机组进行不同工况下的性能实验，测试在充液量、风量、室 内外温差等实验工况发生改变的情况下热管式热回收机组的热回收效果。 本课题将为热管换热器在空调余热回收方面应用提供理论依据和实验数据，设计 开发出综合性能优良的热管式热回收机组。 上海海事大学硕士学位论文 第二章热管换热技术理论研究 2 1 热管技术基础理论 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( 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。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 - i 是普通热管工作原理 及结构示意图。一 口 f p 图2 1 热管结构图 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汽分界面。 2 、介质在蒸发段内的液汽分界面上蒸发。 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晃面上凝结。 5 、热量从汽液分界面通过吸液芯、介质和管壁传给冷源。 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 1 1 热管的特性 ( 1 ) 高的导热性：热管的传热过程是利用工作介质的蒸发和冷凝的相变传热，由 于相变传热只需要很小的温差，并且传递的是潜热，一般潜热传递的热量要比显热 传递的热量大几个数量级，所以具有很高的导热性能，并且传热可以在很小的温差 下进行。 9 上海海事大学硕士学位论文 热管传热的另一个特点是它对管长的敏感性小。对于实心的金属棒导热，其轴 向的导热热阻r s 是与其长度l 成正比，如图2 2 所示，用通过原点的直线表示。而热 管的总热阻r l 随热管的长度l 的增加不会有太大的改变，在图2 2 上，它是一条近似 平行于横轴的直线。这两条直线的交点a 决定了热管的最小长度l m i n ，称为热管的 最低限度长度。当l l m i n 时，热管的热阻小于金属棒的热阻，且l 越大，采用热管就越有利。 1 - i 。 l 图2 2 金属棒和热管的热阻随长度的变化 ( 2 ) 优良的等温性：在热管正常工作时，热管内腔的蒸汽都是处于饱和状态，饱 和蒸汽的温度取决于蒸汽压力，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小， 根据热力学中的c l a u s u i s c l a p e y r o n 方程： d f 。i 勿 p r 7 ( 2 - - 1 ) 可知，由于压降d 口值很小，所以整根热管的温差d t 也很小，热管具有良好的等温性 能。 ( 3 ) 热流密度可变性：熟管可以在很大的范围内调整加热段和放热段的热流密度， 也就是说热管可以把分散的热流集中，也可以把集中的热流分散，它是通过改变蒸 发段或冷凝段的受热面积来实现的。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，或以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量， 这样可以改变热流密度。 现在分析一根没有绝热段的热管的传热情况，如图2 3 所示。由于热管正常稳 定工作时本身不会产生热量，也不消耗、积蓄热量，所以蒸发段吸收热量q 。等于冷 上海海事大学硕士学位论文 凝段放出热量q c ，即q e = q c = q 。设蒸发段、冷凝段与热源、冷源换热的外表面积为 a e 和& ，则蒸发段和冷凝段的热流密度q e 和q c 为： q 。= q d a c = q a t ；q c = q 出k = ( m k 所以，可以通过改变热管蒸发段和冷凝段的表面积来调整两个工作段的热流密度。 非非非非非 ( 1 ) a e = a c ( 2 ) a 詹 a c 图2 3 热管蒸发段和冷凝段表面积变化形式 ( 4 ) 热流方向可逆性：对有吸液芯的热管水平放置或处于零重力场下，任何一端 受热将成为蒸发段，另一端成为冷凝段，熟管内传热方向可以逆转。如图2 - 4 ( a ) , c o ) 即为水平放置的吸液芯热管，它可以用来回收空调的余热，室内空气通过热管a 侧 排到室外，室外新鲜空气通过b 侧热管流进室内。不管是冬天还是夏天，利用热管 的这个特性，都可以起到能量回收效果。这样，在保证室内空气新鲜的同时，可以 减少空调的耗能量，起到节能的作用。 - ilii iiiiilil ： a jiii li i il lli i i 室内 热管 进气 室外排气 t ililil 一 ， a l i lill l ii ii ii l 室内 热管 ( a ) 冬季 ( b ) 夏季 图2 4 空调热回收用热管的传热方向可逆性 ( 5 ) 恒温的特性：有一种可变导热管，它的冷凝段的热阻随加热量的增加而降低， 上海海事大学硕士学位论文 随加热量的减少而增加，这样可以使热管在加热量大幅度变化的情况下，蒸汽温度 变化不大，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性。 ( 6 ) 环境适应性：热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热管可做成电机的 转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等，热管也可做成分离式的以适应长距离或 冷热流体不能混合的情况下换热；热管既可用于地面，也可用于空问传热，热管能 适应的传热范围也很广。 2 1 2 热管传热的理论模型 在无内热源的稳定传热情况下，根据能量守恒定律，热流密度q 应该满足： v 虿- 0 ( 2 - - 2 ) 在热管的具体条件下，不计辐射，热流密度游对流和传导两部分组成，即： 孑- h p 霄, - k v t ( 2 3 ) 式中，h 为流体的比焓，p 为流体的密度，i f , 为流体的速度，k 为复合导热系数，v z 为温度梯度。 考虑一维情况，沿x 方向轴向热流密度为吼，故总的热流密度为： q ) 。丘g ，) 2 石，毋 ( 2 4 ) 0 式中，r 为热管管壁的外半径。热管工作时具有以下特征： 1 ) 轴向传热量很大； 2 ) 轴向和径向的温度梯度都很小； 3 ) 轴向传热的热量与对流相比可以忽略不计。 因此热管的轴向热流的传热方式主要是对流( 包括汽体、液体两倍分) 。所以： ，- q 。n 成。2 n r r d r + f h , p t w h 2 r d r ( 2 5 ) l v 仃) 一岛( t ) + h r g f ) ( 2 - - 6 ) 式中，为蒸汽的比焓，啊为液体的比焓，h 詹为液体的汽化潜热。 在热管的某一横截面上，蒸汽腔内的 o ，l 区间内蒸汽温度基本上是相等的， 而在吸液芯的液相区域 ，o 内，一般来讲具有温度梯度，因而啊叮) 不是常数， 可用一个平均的比焓茸束代替啊仃) ，代表轴向液流的比焓。 上海海事大学硕士学位论文 又 瑰。fp a x ，r ) w a x ，r ) 。2 口r d r ( 2 7 ) 0 o 嘲o ) 2 f p a x ，r ) w a x ，r ) 。2 a r r d r ( 2 8 ) 疏，o ) 一一嘲o ) ( 2 - - 9 ) 将式( 2 - - 5 ) ( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 4 ) 得： q o ) ；巩以+ ) + 旃f 以) ；嘎 + ) 一旃， ) 蝻，( 1 + 年马 ( 2 1 0 ) 矗丘 式中，啊为汽一液交界面处液体的比焓。 又因为 所以 h 一弓卜a t g l 剞s 警一希 式中，丁为吸液芯的径向温差，c 为液体的比热容。 在一般情况下，k c , 约为1 旷k ，所以式( 2 1 0 ) 中第二项可以略去。由此 可见，热管的轴向传热都是由蒸汽流到冷凝段放出潜热来完成的，即： q ) - h l s m ，( 2 - - 1 3 ) 考虑环境温度对热管传热的影响，设有一根与环境温度联系的热管，单位热管 长度上的热流量h 是管长x 、管外壁l 和轴向传热量q 的函数，即： hho，l，q)(2-14) 式中，弓- r 1 6 8 x1 0 r 4 m ，所以热管管径符合要求。 ( 3 ) 携带极限校核计算 热管工作时，蒸气与液体是逆向流动的。在其液交面上的液体，因受逆向蒸 气流剪切力的作用而产生波动。当蒸气流的速度足够高时，在波峰上产生的液滴被 刮起并由蒸气携带至冷凝端，造成蒸发端毛细芯干涸，热管停止工作。这种过程称 为携带极限。携带极限在很大程度上与吸液芯材料的表面毛细孔尺寸有关，还与工 质的表面张力有关。由于所设计的热管采用不锈钢吸液芯，携带极限的公式为： q 叫，拄老一c 2 4 3 0 9 x 1 0 3x 5 3 8 x 1 0 - 6 1 努岛觚刑 式中： “，广气液交面上毛细结构的水力半径，这里取2 为网眼透光尺寸，即2 b = o 1 4 r a m ( 4 ) 声速极限校核计算 一 声速极限是在热管蒸发段出口蒸气速度不能超过声速的限制。它常用来限制和 检查高温热管的工作状态。当蒸发段温度保持恒定。而冷凝段温度太低时，在热管 中就会出现这种情况，即蒸气密度下降，蒸气速度相应增加，一直到蒸发段出口速 度达到声速为止。此时，蒸气流动受到限制，质量流量不再增加，蒸气在蒸发段出 口呈现“壅塞”现象，就像在收敛喷管的喉道达到声速时的情况一样，从而破坏了 热管的正常工作。如果进一步降低冷凝端温度，则传热热流量不再增加。由于热流 量受阻塞流动条件的限制，热管沿轴向的温度变化很大，因而出现声速极限。 声速极限的公式为： 幺一o 4 7 和1 4 凡只- ( 0 4 7 4 x 2 4 3 0 9 x 1 0 sx 5 3 8 x l o 。4 0 4 2 x 0 0 3 x 1 0 4 = 6 9 5 8 w ( 5 ) 毛细极限校核计算 毛细极限是指热管内蒸气和流体流动等所需的压力降，不能超过毛细结构可能 达到的最大毛细压力差。如果热管内蒸气和液体流动所需的压力超过了最大的毛细 压力差，则说明在吸液芯内蒸发掉的液体比毛细送回的液体要来得快，此时液汽弯 月面就要一直向吸液芯内收缩，直到所有液体用尽为止。这使得蒸发段内的吸液芯 干涸，热管停止工作。通常把蒸发段发生干涸前热管达到的最大传热热流量称为毛 细极限。 因热管平放，0 = o ，故可按公式( 2 - - 4 0 ) 检查毛细极限，即 q 。- 2 n l k t 4 w 一2 x 3 7 2 1 。1 ，! ：! ! 兰! q ：兰竺：璺! 兰! q 二 o 0 5 0 5 = 5 8 w 上海海事大学硕士学位论文 3 1 4 热管性能实验研究 为了测试热管的性能，我们设计了热管性能测试系统。 热管性能试验系统主要是由加热、冷却和测量系统以及热管组成，测试系统见 图3 - 1 。 热电偶 图3 1 热管性能测试系统 热管蒸发段采用管式电炉加热，电炉通过可控硅调节功率大小，加热功率用 电流电压表测量，而且在电炉外面敷设保温层。冷凝段采用风冷，风冷强度可根据 实验要求调节。热管外壁面布置7 个直径为0 1 m m 铜康铜热电偶以测量热管壁面 温度，其中蒸发段均匀布置3 个，绝热段布置1 个，冷凝段均匀布置3 个。以上所 有热电偶引线全部接入微机，由微机通用数据采集处理系统记录显示和存储试验数 据。 1 蒸发段、冷凝段的性能实验 热管的蒸发段传热是圆筒壁热传导问题，已知外壁温度( 由热电偶测得) 和冷凝 段传热量，容易求得内壁温度。 圆筒壁的导热公式为： ( 警+ 裂心叱 ( 州) 式中：q e 为蒸发段传热量，w 九为不锈钢的导热系数，w ( m ) h 为吸液芯的导热系数，w ( m ) k 为冷凝段有效长度，m t 。为内壁温度，；k 为外壁温度， 上海海事大学硕士学位论文 d 0 为管子的外径，m ；d i 为管子的内径，r a 由式( 5 2 ) 得管内壁温度t n 。 t 。- t - 掣+ 裂心 同理可得，冷凝段的管内壁温度t n c 铲c 警+ 裂心 式中：o c 为蒸发段传热量，w 九为不锈钢的导热系数，w ( m ) h 为吸液芯的导热系数，w ( m ) l e 为冷凝段有效长度，m t n e 为内壁温度。；t 呲为外壁温度， ( ，咱) d o 为管子的外径，m ；d i 为管子的内径，m 根据所测定的壁温和加热功率数据，按下式计算平均沸腾换热系数( 和凝结 换热系数o d ： h 。- 幺f , ( f 。- t ，) j l 。一q c f , ( f ，- t 。) ( ) ( 瑚) 式中蒸发段热量q c 由可控硅控制；t 作温度t ，是测点3 、4 和5 三处测定值的 平均值；蒸发段温度t d c 是测点1 和2 两处测定值的平均值；冷凝段温度t d c 是测点 6 和7 两处测定值的平均值。 ( 1 ) 测点温度 表3 2 各个测点的温度分布情况 单位： 功率( w ) ，测点12 3 4567 1 03 3 03 2 83 1 73 1 33 0 62 9 82 9 6 1 5 3 4 13 3 53 2 63 2 03 1 23 0 1 2 9 8 2 0 3 4 93 4 23 3 53 2 63 1 73 0 43 0 0 2 5 3 5 73 5 。o3 4 33 3 33 2 33 0 83 0 3 3 03 6 83 6 13 5 o3 4 03 2 83 1 13 0 5 3 53 7 63 6 93 5 93 4 63 3 43 1 53 0 6 ( 2 ) 热流量对蒸发段换热系数的影响 表3 3 蒸发段换热系数随热流量的变化情况 i 热流量( w )1 01 52 02 53 0 3 5 l 换热系数 ，。2 l ( w h m 2 ) 7 8 l8 3 48 9 39 5