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热管在空调热回收中的应用 ＊ 张 杰 张利红 郭建宁 吕向阳 河北工程大学城建学院, 河北 邯郸 056038 摘要 空调系统的排风中存在大量低位热能。 热管传热系数高, 结构简单, 是空调系统低位热能回收的有效手段。 介 绍了热管的结构特点、种类和原理, 对目前常见的空调热回收装置进行了对比 , 论述了国内外热管技术的研究现状及 其在空调热回收方面的应用。 证明热管在降低能耗、减少热污染和环境保护方面有明显的优势, 具有良好的经济和社 会效益。 同时也简述了当前的热管技术中存在一些问题和未来的发展方向。 关键词 热管; 热回收; 空调系统 APPLICATION OF HEAT PIPE TO HEAT RECOVERY IN AIR-CONDITIONING SYSTEM Zhang Jie Zhang Lihong Guo Jianning Lǜ Xiangyang College of Urban Construction, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China Abstract A great deal of lower level energy exists in exhaust air of an air -conditioning system. A heat pipe with high diathermanous coefficient and simple structure is an efficient instrument to recover lower level energy in air -conditioning systems.The structure, category and principle of the heat pipewere introduced, and a comparision among the familiar heat recovery instrumentsused now was also done. The general situations of heat pipe research at home and abroad and the application of heat pipe in air -conditioning system were discussed.It has been proved that heat pipe has obvious advantages of decreasing energy consumption, reducing heat pollution and protecting environment and it has good economic and social benefits, too.Meanwhile, the problems of present heat pipe technique and the future direction of development were summarized. Keywords heat pipe; heat recovery; air -conditioning system ＊河北省自然科学基金项目 E2008000733 。 能源问题是当今世界关注的重大问题,其中在总 能源消耗中 ,建筑能耗占了相当大的比重。近年来, 随着空调的普及使用 ,空调的耗能已受到越来越多学 者的关注, 据统计, 冬夏两个季节通风空调系统的能 耗占整个建筑能耗的 50以上 [ 1] 。因而研究如何对 空调系统进行节能具有十分重要的意义 ,其中将热管 技术用于空调系统中进行热回收是一种有效的节能 方法 。 1 常用的空调热回收装置及其比较 目前在大多数空调系统中 ,已经开始使用各种换 热器回收热量, 如 板翅式、转轮式 、 盘管式、喷雾式、 热管等 。常用的空调热回收装置分两大类 [ 2 -3] , 即显 热回收装置和全热回收装置。显热回收装置有中间 热媒式换热器, 板式显热换热器 , 热管式换热器。全 热回收装置有转轮式换热器、板翅式换热器 、 热泵式 换热器。 选择合适的热回收装置需要根据当地气候条件、 经济状况、工程的实际情况 、 排风中有害气体等多种 因素综合考虑。通过比较 ,热管式换热器以其热回收 效率高 ,运行不需额外动力 ,不易发生排风对新风的 交叉污染, 可以同时满足冬夏季换热要求 ,有效利用 空调系统排风中的低位热能, 具有高效、节能 、 投资少 和减少环境污染等优良特性 [ 4- 6] , 决定了其在空调热 回收方面更具有应用潜力 。 2 热管的结构、特点、工作原理和分类 热管由壳体 、 吸液芯和工作介质 工质 组成。管 壳体是能承受一定内压的封闭管件, 通常由金属制 成,诸如铜管,不锈钢管或钢管 ,紧贴管内壁装有一层 由多孔性物质构成的吸液芯 多为极细的铜丝, 中间 形成细孔, 起毛细泵作用 ,如同蜡烛燃烧时的烛芯的 作用一样 ,使冷凝液能从冷端传向热端 ,供蒸发传热 用。管内抽成合适的负压 , 充入适量的工作液 工作 72 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 液可根据热管使用温度范围的不同来选择 ,使吸液 芯毛细多孔材料中充满液体后密封。管一端为蒸发 段 加热段 ,另一端为冷凝段 冷却段 , 两段中间可 布置绝热端,这根据应用需要选择与否 。热管的结构 见图 1。 1蒸发段; 2冷凝段; 3绝热段; 4冷凝回收液; 5毛细吸液芯; 6管壳; 7蒸汽。 图 1 热管结构示意 热管以其结构简单, 体积小, 重量轻, 可控制性 强,维修方便费用低, 卓越的传热效率 ,导热性能好, 优良的等温性能 ,热流密度的可变性、 方向的可逆性, 低阻力,可在失重的状态下工作等优良特点开始在各 个领域内得到飞速发展 [ 7] 。 热管的工作原理可概述为以下三个环节 1 在 加热段,毛细芯中的液体从外界热源获得蒸发潜热而 汽化; 2 由于加热段与冷却段之间的压差 ,蒸汽流向 冷却段放出冷凝潜热凝结成液体; 3 冷凝液在吸液芯 的毛细 作用下返 回加热段 继续蒸发吸 热, 如此 循环 [ 8] 。 热管的分类主要有以下几种 1按结构形式可 分为普通热管、分离式热管、 平板热管、毛细泵回路热 管等; 2按工作温度可分为低温热管、常温热管、中 温热管、 高温热管等 ; 3按管壳材料和工作介质可分 为铜-水热管、低碳钢 -水热管、铝 -氨热管等 ; 4 按热管的功能可分为传热热管 、 热二极管、 热开关管、 仿真热管等 [ 9] ; 5 按凝结液的回流方式不同可分为 吸液芯热管、 两相闭式热虹吸管 或称重力热管 、重 力辅助热管、 旋转热管等 [ 10] 。 3 热管换热器 HPHX 的类型及其应用形式 由热管组成的热管换热器作为一种高效换热器, 按照热流体和冷流体的状态 , 可分为气 -气式、气 - 液式、液-液式 、 液 -气式 。从热管换热器结构形式 来看 ,热管换热器又可分为整体式 、 分离式、 回转式和 组合式 [ 11] 。 目前在空调系统中的应用主要有以下几种形式 热管式通风换热器 吸液芯式热管通风器 、 重力式热 管通风换热器 、 热管式空调系统和分离式热管换热 器 空调用分体热虹吸热管换热器、含热毛细动力循 环式热回收空调系统 。 4 热管技术的研究现状 空调系统热回收一直是暖通空调工程界研究的 课题之一, 近年来热管技术用于空调热回收系统中的 研究更是突飞猛进。在国内, 随着我国空调用户的不 断增加 ,热管的研究工作也在不断地深入 ,应用也在 不断扩大, 如在我国南方气候炎热而相对湿度较大的 一些城市, 在空调系统中使用了热管换热器 ,除湿量 显著增加, 总能耗和高峰负荷减少。 在国外 ,热管技术的研究较多, 已经渗透到各个 领域 , 在空调中的应用研究也比较宽广 。Yau Y H [ 12-14] 主要针对高热度和湿度的气候条件下建筑环 境中湿度的控制问题进行研究 ,并在马来西亚吉隆坡 的一间手术室内组装了一套实验模型 。在空调系统 中用 8 排热虹吸热管换热器进行实验研究 ,调查热管 换热器的焓比率是怎样受进口空气状况, 即干球温 度,相对湿度,空气速率三个主要因素的影响 ,以及热 管安装位置对回收效果的影响 。结果表明,可以忽略 HPHX 翅片上形成冷凝水的不利影响, HPHX 被安装 在倾斜位置和在典型的垂直布置下使用可以收到同 样的效果, 依据结果强烈建议热带气候下 ,HVAC 系 统中使用热管换热器以提高除湿,而且进一步的研究 表明, 在热带地区 HVAC 系统中 ,使用 HPHX 作为控 制湿度的方法来维持房间的舒适性 ASHRAE 要求 是一种有效的节约能源的方式 。Chen Yuming [ 15] 等人 研究了微型环状热管的稳定态和瞬变性能 , Kaya T [ 16] 等人研究了环形热管的短期运行数值模拟。提 出了一个数值模型来模拟环形热管 LHP 的瞬间性 能特征。测试是在普通和真空环境下完成的 ,令人满 意的模拟出了热管单元的整个动态行为 ,利用实验也 重现了初期的墙壁过热现象。该模型可以用来分析 LHP 的动态行为。E. Azad [ 17] 等研究了热管回收系统 不同排列的影响。文章进行了多级热管回收系统的 理论研究, 揭示了热管回收系统蒸发器和冷凝器在流 向上的热性能和温度曲线图。 5 热管换热器在空调热回收中的应用 众所周知, 在空调系统中用传统的方法加热除湿 浪费了大量的能源, 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 , 若能将需排掉的热 冷 量转移向需热 冷 的地方 , 即热能回收 ,就能有 效地利用能源 [ 18] 。而使用热管换热器在使得空调的 73 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 送风温湿度适宜 ,达到人们舒适性要求的同时亦减少 了空调系统的能耗。热管空调系统流程见图 2。 图 2 热管空调系统流程 热管两端分别安装在空调机组的新风段与排风 机组的排风段内 ,表冷器用于补充夏季工况下热管换 热器供冷量的不足, 加热器用于空调冷却除湿后的辅 助再热,以及补充冬季工况下热管换热器供热量的不 足,旁通新风回路用于调节热回收量和控制冬季排风 机组结霜, 为使该装置在冬夏两季都方便使用 ,热管 的安装坡向应可转换调节 [ 19] 。 夏季工况下 ,由房间排出的空气先经过热管的蒸 发段预冷后 ,小部分作为排风排走, 大部分与室外新 风混合由热管的冷凝段升温, 然后再经过表冷器进一 步冷却去湿到要求的送风状态送入室内 [ 20] , 提高空 调系统的制冷和去湿能力 。冬季工况下 ,新风先经过 热管冷凝段预热后 ,再进入空调器处理送风 ,排风经 过热管蒸发段放热后再排出, 回收了排风中热能, 达 到节能的目的, 减少了空调负荷 [ 21] 。 6 热管技术发展中存在的问题 目前 ,热管技术的研究正逐渐从理论研究向应用 技术领域及新产品开发方向转移。然而 , 热管价格 偏高、应用技术含量低 、缺少对高温和低温热管的研 究 [ 22] , 尤其在热管材料, 灰尘沉积, 设计和运行参数 等方面仍然存在一些问题 , 限制热管技术的使用发 展。相容性 即管壳材料与工质的化学相容性 、 积灰 结垢和低温腐蚀是热管中普遍存在的问题 。基于当 前的材料科学, 热管工作介质导致热管中存在着化学 反应和电化学反应 ,不可避免的造成了金属的腐蚀, 影响了热管的使用寿命 [ 23] , 而且化学反应中生成的 气体能影响热管的传热效果, 使热管失效。另外热管 性能受废气中灰尘的影响较为明显 ,灰尘主要附着在 热管低温区,因为此区域灰尘与管壁的吸引力较大, 而且由于温度较低, 当空气湿度较大时灰尘更易粘结 形成粘结性积灰 ,增加对热管的腐蚀 。又因为目前多 采用在热管表面设外翅片以增加热管的传热效能 ,这 导致热管灰尘沉积的问题更加严重 ,为防止灰尘沉积 设计了多种形式的翅片, 但是防尘效果不明显。再 者,热管的设计和运行参数如热管数量和长度, 管壁 厚度 ,翅片结构 ,流体速度 ,热管进出口温度等都是影 响热管工作效率的因素, 但是由于材料和实验环境不 同,不能形成统一的标准 ,限制了热管的发展和应用, 这也是当前亟待解决的问题之一。 尽管热管技术的研究中仍存在一些不成熟的地 方,但毋庸置疑有其显著的优点, 而且随着材料技术 的发展和进一步实验的开展, 定能使它向高尖端技术 方向发展, 尤其以它具有很高的传热系数 ,在空调系 统的热回收和热控制方面有广阔的前景 。 7 结语 我国存在着丰富的余热资源,热管技术的研究将 有助于我国节能工作的进一步推进 。通过对热管技 术在空调系统中的应用分析, 证明了它可以在降低能 耗、 减少热污染和环境保护等方面取得良好的经济效 益和社会效益。热管换热器用于空调系统热回收 ,节 能效果明显, 在空调系统中的潜力有待于进一步发 掘。热管技术与空调技术结合 ,可以实现能源的“开 源节流” ,节约能源消耗, 提高能源利用效率 ,给社会 带来巨大的综合效益 。 参考文献 [ 1] 钱以明. 高层建筑空调与节能[ M] . 上海 同济大学出版社, 1990. 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