| 作者：王曉杰 黃翔 武俊梅 1 引言 1942年，美國的一位汽車工程師就發(fā)明了熱管，20世紀60年代初，它被原子能協(xié)會與國家航天部門用于冷卻飛船與核反應(yīng)堆，20世紀70年代，熱管換熱器作為全新風系統(tǒng)中的熱能回收裝置而zui終在暖通行業(yè)中體現(xiàn)出其*性。熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特征：⑴很高的導(dǎo)熱性。⑵優(yōu)良的等溫性。⑶熱流密度可變性。⑷熱流方向的可遞性。⑸熱二極管及熱開關(guān)性能。⑹恒溫特性（可控熱管）。⑺環(huán)境的適應(yīng)性。與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管技術(shù)之所以能不斷受工程界歡迎，是因其具有如下的重要特點：⑴熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠、可長期連續(xù)運行。⑵熱管管壁的溫度可調(diào)性。⑶冷熱段結(jié)構(gòu)位置布置靈活。⑷熱管換熱設(shè)備效率高，節(jié)能*。 隨著科學(xué)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴寬，新能源的開發(fā)，電子裝置芯片冷卻，筆記本電腦CPU冷卻及大功率晶體管，可控硅元件，電路控制板的冷卻，化工，動力，冶金，玻璃，輕工，陶瓷，制冷空調(diào)等領(lǐng)域的傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將促進熱管技術(shù)的進一步發(fā)展。尤其是在制冷空調(diào)行業(yè), 由于冷熱流體間溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其*性，使之成為實現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗，率，冷熱源多樣性，走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)之一。 2 熱管技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用 2.1 熱管技術(shù)在空調(diào)熱回收上的應(yīng)用 空調(diào)系統(tǒng)的能量回收是進行空調(diào)節(jié)能的內(nèi)容之一。在商業(yè)建筑中，大部分空調(diào)回風經(jīng)冷卻和再熱后作為送風輸送到空調(diào)房間，而其它部分的回風則排出。同時，大量新鮮空氣經(jīng)處理后進入空調(diào)房間，由于新、回風需經(jīng)冷熱處理，排風帶走大量能源，因而，研究空調(diào)系統(tǒng)熱回收對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有極其重要的意義。目前，國內(nèi)用于回收排風能量的裝置以全熱交換器為主，已研制出相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪式換熱器，板翅式換熱器和盤管熱環(huán)式換熱器等。該類設(shè)備盡管回收效率高，但制造工藝復(fù)雜，造價高，且進、排風之間存在交叉污染，不適合于醫(yī)院及產(chǎn)生有害氣體的空調(diào)房間，若利用顯熱熱交換器，則進、排風溫差?。ㄒ话?t=10℃左右），勢必要加大換熱面積，同時也給風道連接帶來許多不便。熱管由于熱傳遞速度快，傳遞溫降小，結(jié)構(gòu)簡單和易控制等特點，因而將廣泛應(yīng)用與空調(diào)系統(tǒng)的熱回收和熱控制。熱管換熱器在空調(diào)節(jié)能方面的應(yīng)用已引起國外廣泛的關(guān)注，以排風量為35000m3/min的采暖用空氣預(yù)熱為例，排氣溫度由40℃降到22℃，新風溫度可由0℃預(yù)熱到8℃，其回收熱量為459.976kj/h。 2.2 熱管技術(shù)在房間空調(diào)器上的應(yīng)用 現(xiàn)有房間空調(diào)器在潮濕地區(qū)使用時,因其除濕量較小,相應(yīng)除去的潛熱負荷亦較小,而潮濕地區(qū)，潛熱負荷在總熱負荷中所占的比例較大。因此，房間內(nèi)的空調(diào)效果并不理想，不能很好地創(chuàng)造出室內(nèi)舒適環(huán)境，針對潮濕地區(qū)空調(diào)總熱負荷中潛熱負荷所占比例較大這一問題，文獻（3）中提出，在不改變房間空調(diào)器原有配置的壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器及毛細管的情況下，加上重力式熱管換熱器。這樣可以顯著地增加空調(diào)器的除濕量，并使空調(diào)器的出風濕度適宜，結(jié)果使空調(diào)器的除濕量增加30﹪ 40﹪。而空調(diào)器的制冷量和功耗基本不變,所需熱管換熱器換熱面積不超過蒸發(fā)器換熱面積的2倍。熱管換熱器在空調(diào)器上布置可行，且不會使空調(diào)器的總體積增加很多。 熱管 空調(diào)器組合系統(tǒng)在冬季用于回收排風熱量，減少空調(diào)器負荷,達到節(jié)能的目的。在夏季，可提高空調(diào)系統(tǒng)制冷能力和去濕能力，*或部分取消再熱負荷,節(jié)省系統(tǒng)能耗，達到提高舒適度的目的?？照{(diào)器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，熱管和蒸發(fā)器合為一體的換熱器可以很方便地應(yīng)用于窗式,柜式空調(diào)和除濕機中。從人體舒適度的角度來看，熱管空調(diào)能以更為舒適的送風來滿足人體舒適度的要求。 2.3熱管供暖系統(tǒng) 隨著建筑向多層化發(fā)展，這樣就給現(xiàn)有鋼制散熱器的承壓能力帶來問題，為了提高承壓能力，解決氧腐蝕,近年來，陸續(xù)出現(xiàn)了一些熱管散熱器形式，并成為散熱器開發(fā)的一個熱點。對比普通水熱媒散熱器，熱管散熱器有以下特點：⑴表面溫度均勻。⑵沒有普通散熱器容易出現(xiàn)氧化腐蝕。⑶所需熱媒量大為減少，可大為節(jié)省輸送動力消耗，簡化輸送管道系統(tǒng)。⑷不受水壓力制約，安裝方便靈活，維護工作量少。 此外，由于熱管本身所具有的眾多特點，如均溫性，熱流密度可以變化，熱二極管特性等，使其在太陽能的利用和地熱資源開發(fā)中具有極為廣泛的應(yīng)用前景。熱管型集熱器成為太陽能集熱的一種重要形式，由此發(fā)展的太陽能空調(diào)也具有廣闊的應(yīng)用前景。而熱管技術(shù)和地源熱泵相結(jié)合，可以使地源熱泵技術(shù)揚長避短,投資更省,效率更高，適應(yīng)性更強。 3 熱管及熱管換熱器的工作原理 典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，在抽成真空的管子里充以適當?shù)墓ぷ饕?，靠近管子?nèi)壁貼裝吸液芯，再將其兩端封死即成熱管。熱管既是蒸發(fā)器又是冷凝器，如圖1所示。從熱流吸熱的一端為蒸發(fā)段，工質(zhì)吸收潛熱后蒸發(fā)汽化，流動至冷流體一端即冷凝段放熱液化，并依靠毛細力作用流回蒸發(fā)段，自動完成循環(huán)，熱管換熱器就是由這些單根熱管集裝在一起，中間用隔板將蒸發(fā)段與冷凝段分開的裝置，熱管換熱器無需外部動力來促使工作流體循環(huán)，這是它的一個主要優(yōu)點。  圖1 熱管及熱管換熱器 4 新型熱管換熱器結(jié)構(gòu)及其工作原理 4.1結(jié)構(gòu) 熱管按結(jié)構(gòu)形式的不同,大致可分為三種不同的情形:整體式吸液芯熱管,整體式熱虹吸管（重力熱管）,分離式熱管。 整體式吸液芯熱管是熱管的一般形式,一般所講的熱管就是指這種熱管,凝液靠吸液芯的毛細作用回流,不依靠重力場的作用,在失重情況下也能工作,這就是其工作特點。 吸液芯熱管換熱器作為能量回收裝置可同時實現(xiàn)夏天回收冷量和冬天回收熱量。無需改變氣流方向和管道布置。 重力熱管的特點為:傳熱具有單向性,凝液靠重力回流,冷凝段必須置于蒸發(fā)段之上,由于它沒有吸液芯,結(jié)構(gòu)更加簡單,制造容易,而且工作性能不低于吸液芯熱管,空調(diào)通風的應(yīng)用熱能為低位熱能,所使用的熱管多為重力式低溫熱管。因此,熱管換熱器在作為熱回收系統(tǒng)或冷回收系統(tǒng)使用時,凡屬可能應(yīng)優(yōu)先采用重力式熱管換熱器。 分離式熱管用于空調(diào)系統(tǒng)排風的能量回收,巧妙的利用分離式熱管的特點,即可避免大流量氣體遷移導(dǎo)致的復(fù)雜管路設(shè)計,又能有效回收排風中的低品味能量,減少制冷/熱設(shè)備的制冷/熱量,從而達到節(jié)能的目的。同時,分離式熱管相互串通的管件較多,一旦某處出現(xiàn)泄露,就會導(dǎo)致整排組件或整個換熱器功能的喪失,這些都是設(shè)計和應(yīng)用上需認真對待的。 熱管換熱器是由許多單根熱管組成,熱管在運行時，一般把迎面風速限制在2-3m/s范圍內(nèi)，風速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風速過低會導(dǎo)致管外傳熱系數(shù)降低，管子傳熱性得不到發(fā)揮。空調(diào)用熱管換熱器屬于氣-氣熱管換熱器，為提高氣體的換熱系數(shù)往往采取在管外加翅片的方法，這樣就能大大提高換熱能力，從而減少所需熱管數(shù)目。表1給出了空調(diào)及工業(yè)中常用的規(guī)格參數(shù)可供設(shè)計參考。 表1 翅片管常用參數(shù)  本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)根據(jù)實際工作環(huán)境結(jié)合各方面如效率、占地面積、成本、維修、淋水裝置布置等各方面進行綜合考慮,以選出*布置方法。 4.2工作原理 間接蒸發(fā)冷卻是通過各類型的換熱器來實現(xiàn)的，主要類型有:⑴板式⑵管式。在這里,提出將熱管換熱器用于間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，形成熱管型間接蒸發(fā)冷卻器，并在熱管一端包覆吸水材料，加設(shè)噴淋裝置，這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器簡圖如圖2所示。 以夏季為例，夏季室內(nèi)溫度低于室外溫度，室外新風（一次空氣）流經(jīng)流道1即蒸發(fā)段，促使工作液蒸發(fā)，帶走汽化潛熱，室內(nèi)排氣（二次空氣）流經(jīng)流道2即冷凝段，蒸汽因蒸發(fā)段與冷凝段間的飽和壓力差使蒸汽流到冷凝段中，同時釋放潛熱，如此不斷循環(huán)，在室外新風側(cè)實現(xiàn)干冷效果。 在冷凝段，淋水裝置向熱管噴淋水，為提高蒸發(fā)速度，加強換熱效率，在熱管冷凝段包覆吸水材料，由此加大接觸面積。若采用具有較強的吸放濕能力及保濕性能好的吸水材料，就能使與水膜相鄰的飽和水蒸氣迅速排出,加快冷凝段的蒸發(fā)速率，更快地釋放熱能。因吸水材料具有的保濕性，就無需連續(xù)不斷地向熱管冷凝段噴淋水，這樣就大大減少了動力消耗。 冬季,室內(nèi)排風溫度大于室外新風,因此可利用室內(nèi)排風對室外新風進行預(yù)熱，因熱管（換熱器除重力式）具有可逆性,冬、夏季可用同一管道便可實現(xiàn)預(yù)熱和預(yù)冷,而無需修改管道,也無需改變氣流方向。 圖2熱管型間接蒸發(fā)冷卻器簡圖  5 性能對比 5.1熱管換熱器和其它形式的對比 熱管換熱器和管式換熱器比較如表2，熱管換熱器與其它回收換熱器的對比如表3,其中所用相對評比數(shù)RN,其值從0到5,*特性為5,zui差特性為0。 表2熱管換熱器與管式換熱器比較  表3熱管換熱器與其它換熱器的比較  由表可見, 熱管換熱器的zui后相對評比數(shù)RN比其它同類換熱器RN值都高,由此顯示了熱管換熱器的*性。 5.2 冷凝段有無淋水裝置的性能對比 熱管換熱器冷凝段若有淋水裝置就構(gòu)成了熱管間接蒸發(fā)冷卻器。 文獻（5）對此系統(tǒng)給出了詳細的結(jié)果。如表4，選取5排,11片/英寸的熱管,處理新風量為60000ft3/m（101520m3/h） 表4  由表可見,通過向熱管噴水,熱交換效率從58.7%提高到67.4%,制冷量從131881.5瓦提高到1161000瓦,額外增加了59.25噸對室外空氣進行干冷卻的能力。但水的處理、噴嘴的維護、熱管表面的無機物沉積是這類系統(tǒng)必須加以考慮的。 6 結(jié)論 ⑴熱管是一種靠自身內(nèi)部的傳熱工質(zhì)在一個高真空的封閉殼體內(nèi)不斷循環(huán)相變傳遞熱量的傳熱元件。本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器所消耗的能量僅為風機和循環(huán)水泵的能耗，與常規(guī)機械制冷相比，是一種無需輔助動力的空氣冷卻裝置，同時又是一種很好的節(jié)能裝置，通過使用這種裝置可實現(xiàn)冬天回收排風中的熱量來預(yù)熱新風，夏天回收排風中的冷量來預(yù)冷新風，是一種新型的換熱設(shè)備。 ⑵在冷凝段包覆吸放濕能力強的吸水材料，并加設(shè)淋水裝置，在夏季運行時能大大提高蒸發(fā)速度及換熱效率，提高對新風側(cè)的干冷卻效果。 ⑶因吸水材料具有保濕性，故無需進行連續(xù)不斷的淋水，只需對間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備中的包覆管間歇性供水。由此進一步降低能耗。 參考文獻 ⑴莊駿，張紅 熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2000年 ⑵秦叔經(jīng)，葉文邦等著 換熱器 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2003年 ⑶蔡衛(wèi)東 熱管技術(shù)研究進展及其在制冷空調(diào)行業(yè)中的應(yīng)用 制冷與空調(diào)2003 3：31-36 ⑷羅清海，湯廣發(fā)，龔光彩等 熱管技術(shù)在近室溫工況條件下節(jié)能應(yīng)用 建筑熱能通風空調(diào)2003 6 ：27-31 ⑸C.M Scofield熱管在干式蒸發(fā)冷卻中的應(yīng)用 ⑹黃翔，郭忠民，王敏 新型蒸發(fā)冷卻空調(diào)設(shè)計方案初探 西安制冷 2001 2：124-126 ⑺嵇伏耀，黃翔，狄育慧 具有潤濕表面的熱管型間接蒸發(fā)冷卻器熱質(zhì)交換過程分析 陜西建筑 2002 1：119-122 ⑻劉鳳田,黃祥奎 空調(diào)用分體熱虹吸熱管冷熱回收裝置的試驗研究 暖通空調(diào) 1994 4：25-27 ⑼丁良士,王建軍,姜明健 間接蒸發(fā)冷卻式板式換熱器熱工特性實驗研究 工程熱物理學(xué)報1997 1（18）：85-89 |
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