（土木工程专业论文）新型平板式热管通风换气机的研究.pdf

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： 日期：砷牟坶世 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) 签名：雄导师签名：烨日期：蝉 1 0 摘要 摘要 人们对室内空气品质的要求越来越高，为了给人们提供一个健康舒适的生 活环境，必然要增加新风量。与此同时，也带来了很高的新风能耗。因此需要在 空调系统中安装热回收装置来实现节能的目的。目前热管用于空调热回收系统中 的理论和研究日趋成熟，但利用热管换热器进行空调热回收的研究主要是针对大 型集中空调系统，将热管的两端分别安装在空调机组的新风段与排风段，来实现 换热节能的效果。而直接将热管换热器用于住宅房间进行通风换热的研究相对较 少。 本文针对普通住宅房间，设计了一台小型平板式热管通风换气机，该换热 器由1 6 根平板热管构成，具有结构紧凑、体积小巧的特点。在此基础之上本文 搭建了通风换热性能测试实验台，该实验台可以通过控制风量和空气温度来模拟 冬夏季工况，对该热管换热器换热性能进行测试。首先分别研究了在不同风量和 不同新风进口温度下工质、真空度、充液量、换热面积对该热管换热器换热效率 的影响，经研究分析得到了该热管换热器的最优条件，即工质：r 1 4 1 b ；真空度： 1 1 0 。p a ；充液量：1 3 ( 1 1 3 i l 也) ；换热面积：双层换热器( 3 2 m 2 ) 。为得到该 换热器的换热性能和应用效果，本文又进一步对该条件下的热管换热器进行了实 验研究与分析。实验结果表明，利用该热管换热器在进行住宅房间的通风换气时， 热回收效率高，压力损失小，节能效果显著，具有极高的应用价值。 本文的研究结果将有助于扩展热管换热器的应用范围，将节能工作落实于 家用住宅，并为今后热管换热器的研制提供实验依据。 关键词平板热管换热器；换热效率；影响因素；通风换气；节能 北京工业大学工学硕 学位论文 a b s t r a c t r e c e n tp e o p l e sc o n c e mo fi n d o o ra i rq u a l 毋h 嬲伊e a t l yd e e p e n e d ni sb e l i e v e d n l a ti n c r e a s e d 毹s ha i rv e m i l a t i o ni sh e l p f u li i lt 1 1 eh e a l t l lo fp e o p l e b u ti i l c 陀觞e d v e n t i l a t i o nr a t e s 心j a l l yl e a dt 0l l i g h e n e r j g yc o i l s u m p t i o ni na j i 屯o n d i t i o i l i i 唱 t h e r e f o r e ，as i g i l i f i c a n tp a r to fe n e r g ys a v i n g sc a nb ea c l l i e v e di fh e a tr e c o v e 巧 t e c l l i l 0 1 0 百e s s u c h 弱h e a tp i p eh e a te x c h a n g e r sa r ei i l c o 驴m t e di n t 0t h ea i r c o n d i t i o i l i n gs y s t e m si i l t l l eb l l i l d i n g an 眦b e ro fs t u d i e so nn l eh e a tp i p eh e a t e x c h a l l g e r sh a v eb e 朗c 硎e do 此b u tm o s tp 印e r sp u b l i s h e ds 0f 缸a r ef o c u s e d0 nt 1 1 e l 叫驴一s c a l ea i r - c o n d i t i o i l i n gs y s t c m s u c h 嬲f o rc o o l i i l g0 rh e a t i n gt l l e 雠s ha i ri n 敏i v a i l c eb yu s i n gn l ee n e 毽yo fr e t u ma i r t h e r ei sal a c ko ft h ea p p l i c a t i o no f u s i n g h e a tp i p eh e a te x c h a l l g e r 向rh e a tr e c o v e 巧d i r e c t l yw m l ev e n t i i a t i o n a p l a t eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e rl 粥b e e i ld e s i 朗e d 锄dc o l l s t m c t e df o rh e a t r e c o v e 巧i i l l i sp a p e r t h ep l 绷eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e ri sc o n s t i t l l t e db y16p l a t e h e a tp i p e s 1 1 1 ea d v a i l _ k 喀e s o f l eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e ra r es m a l la n dl l i g h c o m p a c n l e s s a ne x p e r i m e n t ms y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d 觚dc o n s t n l c t e df o r m v e s t i g a t i n g 血ep e r f o m a n c eo f t l l eh e a tp i p eh e a te x c h 锄g e rf o rh e a tr e c o v e 阱b y c o n t r o l l i l l gt l l ea i rt e m p e r a t u r e 锄dm ea i rv o l 啪e 均t e ，t l l es y s t e mc a ns i m u l a t et ：h e s u l m n e r 肌dw i n t e rc o n d i t i o n a tf i r s t ，t l l ee 丘- e c to f v e r a lp 猢e t e r so nt h e e 丘e c t i v e n e s so ft h eh e a tp i p eh e a te x c h 锄g e r 谢t l ld i 任- e r e n ti i l l e t 舶s ha i rt e i n p e 咖陬e a n dd i 任i e r e n ta i rv o l 啪er a t ew 硒i l l v e s t i g a t e d t h ep a r a m e t e r sw e r ew o r k i n gn u i d ， v a c l l u m ，w o f l ( i n gn u i df i l l i n gr a t i o 觚dl l e a te x c l 姗g e ra r e a t h ee x p e r i m e m 甜r e s u l t s s h o wt l l a tt 1 1 em i l l i m u me a e c t i v e i l e s so ft 量l eh e a tp i p eh e a te x c h a l l g e rt o o kp l a c ea t ： w o r k j n gn u i dw a sr 1 4 1 b ，v a c 啷w 嬲l 1 0 j 耽w o 凼n gf l u i df i l l i n gr a t i ow 嬲 1 3 ( 1 13 m l ) ，a n dt h ed o u b l el a y e rh e a tp i p eh e a te x c h a n g e r ( 3 2 ) s o m ee x p e r i i n e n t s w e r ec a 仃i e do u tu i l d e rs u c hc o 疵i i t i o n t h ce x p 幽e n t a lr e s u l t ss h o wm a tm eh e a t p i p eh e a te x c h 觚g e rc o u l dg a i l lal l i 曲e 伍c i e n c yo fh e a tr e c o v e r ) r 诵n ll o wp r e s s u r e 1 0 s s 髓ee n e 穆yc o i l s e n ，撕0 ne 仃- e c t0 ft h j sh e a tp i p eh e a te x c h 锄g e ri sp f o m j m i n t t h er e s u l t so ft h i sp a p e rw o u l dc o n d u c et 0t h ee x t e n d i i 坞o f l er 龃g eo ft h e 印p l i c a t i o no ft i l eh e a tp i p eh e a te x c h a n g 盯 锄dt l l a t 谢l ls u p p l ya b 弱i sf o rm e d e s i 驴 o f l eh e a tp i p eh e a te x c h a n g e l k q 唧o r d s ：p l a t eh e a tp i p eh e a te x c h a l l g e r ；e 任e c t i v e i l e s s ；i n n u e n c ef k t o r ；v e n t i l a t i o n ； 蹄i v ee n e 玛y 目录 目录 摘要i a b s t i 矾c t ii 第1 章绪论。1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 热管换热器简介2 1 3 国内外研究现状。4 1 3 1 热管技术在空调中的应用现状4 1 3 2 热管换热器效率的影响因素8 1 4 本课题研究内容1 0 第2 章实验系统及实验过程1 1 2 1 实验装置1 1 2 1 1 平板热管1 1 2 1 2 热管换热器。1 1 2 1 3 实验台的搭建1 2 2 2 实验参数测量l3 2 2 1 参数测量13 2 2 2 热电阻的标定1 7 2 3 实验方法及过程1 9 2 4 实验数据处理2 0 2 5 本章小结2 l 第3 章平板热管换热器换热性能实验研究2 3 3 1 工质对热管换热器换热性能的影响2 3 3 1 1 纯工质对热管换热器换热性能的影响。2 3 3 1 2 混合工质对热管换热器换热性能的影响_ 2 4 3 1 3 纯工质与混合工质对换热效率影响的比较2 5 3 2 真空度对热管换热器换热性能的影响2 6 3 2 1r 1 1 3 作为工质的情况2 6 3 2 2r 1 4 1 b 作为工质的情况2 7 3 3 充液量对热管换热器换热性能的影响2 8 3 3 1r 1 1 3 作为工质的情况2 9 3 3 2r 1 4 1 b 作为工质的情况3 0 3 4 换热器面积对热管换热器换热性能的影响3 1 3 4 1r 1 13 作为工质的情况31 3 4 2r 1 4 1 b 作为工质的情况3 2 3 5 冬季工况下热管换热器换热性能3 3 3 6 本章小结3 4 第4 章最优条件下热管换热器换热性能实验研究3 7 4 1 夏季工况下热管换热器的换热性能3 7 4 1 1 热管换热器换热效率3 7 4 1 2 热管换热器两侧温差变化3 8 4 1 3 新风能耗3 9 4 1 4 热管换热器的能耗4 0 北京工业大学工学硕上学位论文 4 2 冬季工况下热管换热器的换热性能4 2 4 2 1 热管换热器换热效率4 2 4 2 2 热管换热器两侧温差变化4 3 4 2 3 新风能耗4 4 4 4 4 热管换热器能耗4 5 4 3 热管换热器的压力损失4 6 4 4 换热器样机4 7 4 5 本章小结4 8 结论4 9 l 本文研究的结论4 9 2 展望5 0 参考文献5 1 攻读硕士期间发表的学术论文5 7 蜀谢一5 9 广二鲨一 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 能源是发展国民经济的重要物质基础，是人类赖以生存的必要条件。能源开 发与利用程度是反映人类进步、文明的一个重要标志。能源的生产、建设与消费， 又将直接制约着国民经济的向前发展和人民物质文化生活水平的提高。因此，能 源问题己成为当今世界普遍关注的重大问题，也是人类生存面临的四大问题之 一。我国人均拥有能源资源低于世界平均水平，降低能源消耗，提高能源利用效 率已经成为我国实现可持续发展的必要手段。在我国总能耗中建筑能耗所占比重 越来越大，我国建筑能耗目前已经超过一次能源消费总量的四分之一，达到了 2 7 左右，随着我国经济和住宅的发展、人民生活水平的提高，这个比例还会进 一步上升。并且到2 0 0 0 年底，达到建筑节能设计标准的建筑累计仅占全部城乡建 筑总面积的0 5 ，占城市既有采暖居住建筑面积的9 ，绝大部分新建建筑仍是 高能耗建筑i l j 。在建筑总能耗中，采暖和空调能耗占到了5 0 以上。由于空调系 统能耗所占比例较大，也就同时具备了较大的节能潜力。 另一方面，新风负荷占空调总负荷的2 0 3 0 。而为满足人们舒适度，提 高室内空气品质，新风量就会有所增加，必然使空调系统的能耗增多，加剧我国 能源匾乏与高需要之间的矛盾。面对节能和高品质室内环境的双重要求，各种热 回收装置在空调系统中得到了广泛的应用。 所谓热回收装置，就是将新风、排风进行热交换，回收排风的能量，减少新 风冷、热负荷的设备。若热回收装置的回收效率以6 0 计，则节约的能量可以达 到建筑总能耗的2 4 一7 。2 1 2 j 。尤其在北方寒冷地区，由于室内外温差大，新风 加热量较大，如果设置热回收装置，节能效果会更加明显。所以通过热回收装置， 回收排风所带走的热( 冷) 量，减少新风能耗，是余热利用，节约能源的有效措施， 有利于实现国家的可持续发展政策。并且能量回收技术，在美国能源部推广的最 佳节能技术中，位居第二1 3 1 。除此之外，人们对居住环境的要求也越来越高，更 注重生活环境的舒适与环保。所以空调系统的节能、环保及舒适的研究是必然的 发展趋势。 国家也颁布了一些与热回收装置相关的法规。如公共建筑节能设计标准， 该规范中对排风热回收装置的应用作了详尽的说明，并要求：“排风热回收装置 ( 全热和显热) 的额定热回收效率不应低于6 0 ”州。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 i n 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 一5 0 ”【5 】。旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准中也明文规赳6 j ： 北京t 业大学_ t 学硕士学位论文 “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 。 1 2 热管换热器简介 目前市场上热回收器的种类比较多，综合其分为两大类，即全热换热器和显 热换热器。常用的显热换热器有板式换热器和热管式换热器。板式换热器由光滑 的板装配而成，一般采用叉流结构形式，如图1 1 所示。新风与回风逆向流动， 靠新风与回风的温差进行热量的交换【7 1 。板式换热器结构简单，运行安全、可靠， 无传动设备，设备费用较低。但是设备体积大，须占用较大建筑空间，接管位置 固定，缺乏灵活性，传热效率较低，阻力大p j 。 图1 1 板式换热器 f i g u 鹏1 - lp l a 土eh e a le x c h 觚g e r 秭 秭 热管是一种借助工质的相变进行热传递的换热元件，如图1 2 所示为热管原 理图。其中图1 - 2 ( a ) 为有吸液芯的热管，图1 - 2 ( b ) 为重力热管。其热量转移 的过程包含以下六个相互关联的主要过程： 一 ( 1 ) 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯( 重力热管无吸液 芯) 传递到( 液汽) 分界面； ( 2 ) 液体在蒸发段内的( 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界面上凝结； ( 5 ) 热量从( 汽液) 分界面通过吸液芯、液体和管壁传给冷源； ( 6 ) 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段( 重力热 2 热管具有传热效率高、热流密度可变性、具有热二极管与热开关性能、优良 的等温性、环境适应性强等特点。按照热管管内工作温度区分，热管可分为低温 热管( - 2 7 3 o ) 、常温热管( o 2 5 0 ) 、中温热管( 2 5 叫5 0 ) 、高温热管 ( 4 5 0 1 0 0 0 ) 等。按照工作液体回流动力可分为：有芯热管、两相闭式热虹吸 管( 重力热管) 、重力辅助热管、旋转热管等【8 】。因为热管技术卓越的传热性能 在废热、余热、太阳能、地热能等低品位能源的回收与利用上得到广泛的应用， 使之成为实现采暖空调低能耗、高效率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实 技术基础之一。在实现人与自然的和谐相处和可持续发展方面，具有广阔的发展 前景【9 j 。 l 热铃壳2 热管芯3 蒸气4 液体 ( a ) 冷凝段 _ 绝热段 蒸发段 - 一 ( b ) 图1 - 2 热管原理 f i g u r el - 2s c h e m a t i cd i a g 舢o f h e a tp i p e 热管换热器是把若干支热管按一定的方式组装成一体，置于冷热源之间，实 现冷、热源之间的热传递。同其他换热器相比，具有传热性能好、紧凑性高、结 3 北京工业大学工学硕上学位论文 构简单、流阻小、冷、热气体两侧的传热面积可以自由布置等优越性【l o 】。利用热 管换热器进行空调热回收时，具备以下优势： ( 1 ) 新排风两者间不会发生交叉污染； ( 2 ) 结构简单、体积小、重量轻、可控性强； ( 2 ) 冷热流之间温差较小时，也能得到一定的回收效率； ( 3 ) 流动阻力较低，降低了风机能耗，热回收效率高； ( 4 ) 无运行、维护费用。 这些优良的特点决定了热管换热器在空调热回收方面更具有应用潜力。 1 3 国内外研究现状 热管是于1 9 6 4 年在美国由g m v e r 等人发明的高效换热元件。1 9 6 9 年前苏联 和日本的有关杂志均发表了热管应用研究方面的文章，在日本的文章中描述了带 翅片热管束的空气加热器。同时t l 珊e r 和b i e l l e n 提出了用可变热导热管来实现 恒温控制【9 1 。起初，热管主要应用于空间技术，随着科学技术水平的不断提高， 热管研究和应用的领域也不断拓宽，废热、余热回收，新能源的开发，微型电子 器件及元件的散热等等，都将促进热管技术的进一步发展。在热回收方面，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，1 9 8 0 年以后，各国的热管换热器研制工作迅 猛展开，回转式、分离式等新的结构形式相继出现瞵j 。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，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。国内自1 9 9 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。 1 3 1 热管技术在空调中的应用现状 1 3 1 1 在汽车空调中的应用 现在，大多数公交车都拥有了空调设备，热管换热器也在公交车上得到了应 用。pt w o r s l l i n 咖n 等【1 1 1 将热管应用于汽车空调中，采用两根热管，一根缠绕 在冷却盘管上，将进入盘管的空气的热量传给盘管内的冷空气，与没有加装热管 的相同的盘管相比，冷却盘管可从预冷空气中冷凝出更多的水，同时热管的另一 端用来预热空气，降低它的相对湿度，另一根热管放在新风和排风之间，用于吸 4 第l 苹绪论 收排风的冷量来冷却新风： f e n gy 觚g 等【1 2 】也将热管用于大型的公共汽车中，并进行实验研究该换热气 的性能。实验证明利用热管换热器回收排风的热量效果显著，且热管换热器附加 给发动机的压力是极小的。 尹文国等【1 3 1 介绍了利用汽车尾气的分离式热管换热器装置的结构设计，研究 不同充液率时的热管壁温状况、充液率与热管传输功率的关系，得到了最佳充液 率在4 0 一5 5 之间。 1 3 1 2 在冰蓄冷系统中的应用 蓄冷空调技术是移峰填谷的方法之一，有利于提高电网负荷率和电网的安全 经济运行。将热管技术应用于蓄冷空调系统是提高蓄冷系统性能的有效方法。热 管将蓄冷容器中水的显热带走传给制冷机蒸发器中的工质，制冷工质在蒸发器内 变为高温高压的过热蒸汽，经压缩机压缩并经冷凝器冷凝后再循环。利用热管的 等温性将使蒸发器的结构简单，而且个别热管的损坏不影响系统的工作【1 4 1 。 胡家喜等【1 5 】论述了热管在冰蓄冷中应用的原理与特点，扩展了热管的应用范 围，分析了热管式冰蓄冷系统的动态特征，并建立的物理模型，为热管式冰蓄冷 系统的设计提供了理论依据。 方贵银等【1 6 】对分离式热管冰蓄冷空调系统建立了实验装置，并针对其性能进 行了实验研究，结果表明该系统再蓄冷过程中，系统的制冷量能够维持稳定，并 且能效比高于常规的蓄冷空调系统，稳定在2 0 3 8 之间，系统的蓄冷率可达到 5 5 。 1 3 1 3 在房间除湿中的应用 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耗功基本不变，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。 y a th y a u 【1 7 j 以一个8 排的重力型热管为对象，研究了进口空气的干球温度、 相对湿度以及风速对热管换热器换热效率的影响。实验结果表明在湿量较大的空 调系统中应当安装热管热回收系统加强除湿能力。 p m e e n a 等i 堪】设计了一个带检查阀的热管空气预热器，这个系统可以通过回 收热量来减少相对湿度。s o n gl i n 等【1 9 】通过c f d 对热管换热器的除湿过程进行 了模拟，由此可以得到热管换热器的除湿性能，并且有助于热管换热器翅片的优 化设计。 5 北京工业大学工学坝l 学位论文 文献【2 0 】在制冷量为1 7 6k 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( 0 1 3 4k 咖i n ) ，同时可减少操作费用和高峰 负荷。 鱼剑琳等【2 1 】提出将重力式热管换热器应用于房间空调器中，可以保证空调器 的制冷量和功耗基本不变，而除湿量却显著地增加，同时空调器的送风温湿度适 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个问题。 游泳馆内湿量很大，用潜热回收排气会增加除湿负荷，因此游泳馆以显热回 收为主。而排风中的有害物质回收时不宜交换，所以热管换热器非常适合作为游 泳馆能量回收装置。梁勇等瞄1 就介绍了热管回收空调通风系统在游泳馆的应用。 研究表明热管回收空调系统具有回收率高，达到了6 1 3 ，经济实用，避免交叉 污染等优点。 1 3 1 4 在太阳能空调技术中的应用 利用太阳能作为能源的空调系统，太阳辐射越强，人们越需要空调的时候， 太阳能空调的制冷能力就越强。在我国，以热管技术为主要技术基础之一的太阳 能热水器产业迅速发展，将热管用于太阳能空气集热。上海交通大学制冷与低温 工程研究所在1 9 9 8 年首次提出了一种太阳能供热与制冷联合循环的复合机装 置，巧妙而自然地实现了白天产的热水供应夜间使用，而夜间的蓄冷供白天使用， 把太阳能的热利用与冷利用有机地结合起来，提高了太阳能的利用效率p 】。北京 工业大学暖通实验室也利用热管研制了一个多孔材料太阳能空气集热装置。近年 来有很多学者对太阳能热管吸收式空调进行研究，如文献 1 4 ，2 3 2 4 中分别对该 系统的制造、设计和性能作了分析，并且介绍了山东省乳山市建成的一套太阳能 吸收式空调及供热综合系统，该系统运行效果良好。 1 3 1 5 在空调系统热回收中的应用 空调系统热回收一直是暖通空调节能研究的课题之一，在空调系统中，空调 回风的一部分排出室外，这部分回风携带的热( 冷) 量就白白浪费，同时送入房 间的新风必须经过加热( 冷却处理) ，需要消耗能量，所以将热回收装置安装在 空调系统中，回收排风所带走的热量( 冷量) ，再传递给新风，对空调系统节能 具有重要的意义。 文献【2 5 】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， 6 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 廿m r 【2 睨8 j 一直致力于研究空调系统的热回收问题。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 l 埘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 l l u r 【2 9 啦】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。 m o s t a 白a a b de 1 一b a k y 等p 3 j 对用于空调系统预冷新风的热管换热器进行了 研究，将回风温度控制在2 6 ，在新回风风量比分别为l ，1 5 ，2 3 ，以及新风 温度为3 2 4 0 的情况下，对热管换热器的性能进行了测试。结果表明当新风温 度为4 0 时，热管换热器的效率达到了8 5 。新回风比对蒸发段效率的影响较 大。 j w w 抽等瞄4 】以一个办公建筑为例子，研究了热管换热器在中央空调系统 中的热回收应用，研究结果表明热回收系统可以节约制冷和再热的能量，节约的 制冷能量为2 3 5 之5 7 ，占总能量的3 8 1 q 0 9 。 文献 3 5 3 6 】建立了一个用于房间热回收系统的热管数学模型，并通过理论分 析优化热管换热器的性能。 文献【3 7 】指出：如果空调系统新风量按送风量的3 0 考虑，采用分体热虹吸 热管冷热回收装置，可使空调系统节能7 以上。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冷回收 时间可达1 5 0 0 h 以上。经按气象参数计算，三年内可收回设备初投资费用。 潘阳等人1 3 8 。3 9 l 对热管式空调通风换热器进行了研究和探讨，介绍了热管式空 调通风换热器的基本工作原理，在进行热管式空调通风换热器的热力计算和设计 计算的基础上，对几种常用的不同型式的热管式通风换热器进行了结构及性能讨 论。 敖永安等人l 4 0 】介绍了一种热管换热器在大型集中空调系统中的应用方法，并 对该系统的理论和实际耗能量与一二次回风系统进行比较。结果显示该系统的节 能量有所提高，比通常使用的普通系统节能率约提高2 5 。3 0 ，并且该热管换 热器可减少维修。 季阿敏与孟庆海】对在直流式空调系统和一次回风系统中采用热管换热器 进行了对比，分析了增加热管换热器后空调系统的节能情况，热管换热器在这两 个系统中完全节约了再热量，并且也节省了部分冷量，系统节能效果显著。 7 北京1 二业大学t 学硕七学位论文 陈振乾、施明恒【4 2 1 阐述了一种新型的热毛细动力循环热管在空调热回收系统 中的应用，同样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。 王金恒等【4 3 】在s p f 实验动物设施中，采用全新风的净化空调系统，安装了 重力式低温热管换热器回收排风中热( 冷) 量来预热( 冷) 新风，达到了回收能 量的目的。 庄琛等【1 0 】在分析了宾馆空调特点的基础上，强调了对宾馆进行排风能量回收 的重要性。分别对用于宾馆排风能量回收的热管换热器和转轮全热交换器进行了 节能和经济性计算机比较。从整体效果来看，热管换热器由于其出投资少，无运 行维护费用，回收年限短，结构紧凑，卫生可靠等优势，在宾馆排风能量回收中 大力推广是完全可行的。 1 3 2 热管换热器效率的影响因素 对于热回收装置的性能，有2 个重要参数，效率和压降，也即是节能和节能 的代价，因此对于热回收装置的研究主要就是针对这两个方面的研究。对于热管 换热器，影响它换热效率的因素有很多，除了热管几何特征、材料、换热面积、 风量、温差，还有真空度、充液量、蒸发段长度、工质等。 杨昭、吴志光m 】对热管热回收装置在空调系统中的应用进行了研究。讨论 了不同的热空气流量比，迎面风速和管排数对换热效率的影响。结果表明为提高 热管热回收装置的热交换效率，需采用翅片式热管，增加管排数，迎面风速限制 在2 3 1 1 1 s 的范围内。 刘风田、黄祥奎【3 7 】针对空调用分体热虹吸热管冷热回收装置进行了研究， 实验中充液高度为4 0 ，实测表明，从热管底部算起，充液高度超过蒸发段的 6 0 时就出现管壁过热。这是由于冷热流体温差小，热流密度亦小，不能形成剧 烈沸腾，管内气体工质携带的液体量不足以湿润全部蒸发段管内壁所致。因此， 认为对于空调系统排风能量回收的热管换热器，其充液高度应在8 0 左右为宜。 ( 热管换热器工质的充液高度是指静止时蒸发段内液柱高度与蒸发段高度的百 分比，也称作充液量。) 唐志伟等【4 5 】对具有短管束的小型分离式热管的传热特性进行试验研究，对6 种不同的充液率进行了试验，结果说明小型分离式热管最佳充液率按蒸发段总容 量计为4 8 巧3 ，按管束总容量计为2 0 q o 。 李时娟等】提出了一种新型的铝薄片叠合毛细芯，对这种结构的一种毛细 芯制成的平板热管进行了实验测试。李时娟等【4 7 】还运用多孔毛细芯结构的平板热 管在冷凝段不发生堵塞的情况下的流动和传热模型，研究了热管的结构参数对其 8 第1 荦绪论 传热能力的影响。 刘娣等【4 8 】设计了一个分离式热管回收样机，探讨了充液率( 在冷态条件下 蒸发段内的工作液淹没高度与蒸发段的有效加热高度之比) 对热管传热效果的影 响以及最佳运行工况下的充液率。充液率分别为6 0 、8 0 、1 0 0 ，由实验结 果推断出对空调系统排风能量回收的热管换热器，其充液率宜取8 0 左右。 罗勇等【4 9 】在实验的基础上，就小型热管散热器的工质、充液量进行了研究。 在同一真空度下，分别灌注了丙酮、液氨和i 也2 三种工质，实验结果表明液氨 最好，丙酮最差，r 2 2 居中。在工质均为液氨、真空度相同的情况下，作者对不 同灌注量( 灌注量是以其液位高度占液盒高度的百分数为度量参数) 的四只热管 进行了测量，灌注量分别为7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 ，结果表明灌装量为9 0 时效果最佳。 岂兴明等1 5 0 j 以丙酮、乙醇和水为工质，对小型平板热管在充液率为2 0 9 0 的传热性能进行了试验研究。得出了该平板热管以乙醇为工质的传热性能最好， 并得到最佳充液率为5 0 。 11 对于重力热虹吸管，i m _ u 均【5 1 1 得到了的最佳充液率为：y = 三 。h a r a d a 53 等【5 2 】提出：y 7 = 0 2 5 o 3 0 为合适。f e l d i i l a 【5 3 1 得出最佳充液量为热虹吸管总容积 的1 8 之o 。 s h n o i e b a g h b 锄和g r m 旬i d e i a l l 【2 5 】设计了一个热管换热器，该换热器用 于医院手术室的热回收，他们对三种不同的工质进行了研究，分别为水、甲醇、 丙酮，分析结果表明甲醇适合作为该换热气的工作液体。“等1 5 4 】，p a r k 、l e e 【5 5 1 ， 和s l l i r a i s h l 5 6 】也针对不同的工质对两相闭式重力低温热管进行了研究。 s h n o i e l j 研究了进口热量( 1 0 0 9 0 0 w ) 、充液量( 3 0 一9 0 ) 、蒸发段长 度与内径之比( 7 4 5 ，9 8 ，1 1 8 ) 对热管换热器的影响。在蒸发段长度与内径比 为1 1 8 时，充液率为6 0 时，效率达到最高。蒸发段与内径之比为7 4 5 和9 8 时，对应的最高效率的充液量分别为9 0 和3 0 。文献【5 8 5 9 】设计了重力型热 管的模型，并对蒸发段与内径比和充液量等因素对热管的影响进行研究。 h h a g e n s 等唧l 以r 1 3 4 a 为工质，针对两种充液率( 1 9 、5 9 ) 对热管换 热器进行了实验研究，结果显示热管换热器可以代替水冷式换热器。 可以看出对于热管换热器的影响因素的研究，充液量和工质的研究比较多， 但充液量大部分都是针对分离式热管换热器，并且研究结果差异较大，因此对于 通风空调工程应用并不具有广泛意义。而工质主要是针对高温热管的研究，缺乏 对于低温热管的研究。 9 北京t 业大学工学硕七学位论文 1 4 本课题研究内容 随着节能与新风量的矛盾日益突出，人们越来越关注热回收装置在空调系统 中的应用研究，而热管换热器的优良特性使其得到了广泛的应用，热管用于空调 热回收系统中的理论和研究日趋成熟，但目前利用热管换热器进行空调热回收的 研究主要是针对大型集中空调系统，将热管的两端分别安装在空调机组的新风段 与排风段，来实现换热节能的效果。直接将热管换热器用于住宅房间进行通风换 热的研究相对较少。如果能开发出高效的小型热管式通风换气机，并推广应用于 普通房间通风换气时的余热回收，将能在满足住宅房间人们舒适度的情况下同时 达到节能的要求。目前用于空调系统热回收的热管换热器大部分都为圆管热管换 热器，为了达到一定的效率值，热管换热器的体积就不可能太小，必然所占空间 就会很大。所以本文针对普通住宅房间，设计了一台小型平板式热管通风换气机， 该换热器具有结构紧凑，体积小巧，热回收效率高的特点。本文具体研究内容如 下： ( 1 ) 设计热管换热器，搭建热管换热器实验台，标定热电阻，为实验测温 作准备。 ( 2 ) 模拟夏季工况，在不同风量下，研究工质对热管换热器换热效率的影 响。 ( 3 ) 选取r 1 4 1 b 和r 1 1 3 为工质，针对不同风量，研究不同因素对热管换 热器换热性能的影响，分别测试： 1 ) 夏季工况下，真空度对热管换热器换热效率的影响； 2 ) 夏季工况下，换热面积对热管换热器换热效率的影响； 3 ) 夏季工况下，充液量对热管换热器换热效率的影响； 4 ) 冬季工况下，测试热管换热器的换热效率。 ( 4 ) 在最优条件下，研究热管换热器换热性能，比较换热器节约与消耗的 能量，以及换热器的压降，探讨该换热器的应用效果。 ( 5 ) 本文研究结论及展望。 l o 第2 章实验系统及实验过程 第2 章实验系统及实验过程 本文设计了一种新型的平板式热管换热器，该换热器采用重力型热管，用隔 板将换热器分为蒸发段和冷凝段，中间为绝热段。夏季，室外新风( 热风) 通过 蒸发段，室内排风( 冷风) 经过冷凝段，新风与排风换热，达到降低新风温度， 热量回收利用的目的。同样冬季，室外新风( 冷风) 经过冷凝段，室内排风( 热 风) 经过蒸发段与新风换热以预热新风。 2 1 实验装置 2 1 1 平板热管 图2 - l 所示为平板重力热管，选择铝作为制作材料。该热管尺寸为 3 4 0 3 2 2 i 姗。热管分为冷凝段、绝热段以及蒸发段三个部分，长度分别为： 1 4 0 n u n 、6 0 m m 、1 4 0 m m 。图2 1 右侧所示为该热管剖面图，热管内部分为1 1 个 槽道，用以强化热管换热性能。 2 1 2 热管换热器 图2 1 平板热管示意图 f i g u 他2 一ls c h 锄面co fp l a t eh e a tp i p e 如图2 2 ( 左图) 所示为加工后的热管换热器实物图，该换热器由1 6 根平板 热管制成，每根热管通过两段通道串联起来，使所有热管单元形成一个相连的整 体，每两根热管间间距为l l i 姗左右，热管换热器尺寸为：3 4 0 2 2 0 3 2 1 1 1 l i l 。在 热管与热管之间有很多铝制翅片与之相连，以增加换热面积，翅片间距离为 一，li山丫ll印一lil山丫i一 。糊 糕 糊 北京t 业大学。r 学石贞七学位论文 1 5 删 i l 左右，翅片和热管本身的换热面积之和是1 6 m 2 。为了测试换热面积对该 换热器性能的影响，本实验还制作了一个双层换热器( 图2 2 中图) ，即将两个 单层换热器焊接在一起，如图2 2 右图所示焊接点。该双层热管换热器尺寸为： 3 4 0 2 2 0 6 4 n u n ，总的换热面积为3 2 m 2 。 2 1 3 实验台的搭建 f i g u r e2 2h e a tp i p eh e a te x c h 锄g e r 实验台如图2 3 所示，由热管换热器、风道、翅片换热器、恒温水浴、调速 风机和直流电源构成，各装置型号列于表2 1 中。风道为o 5 咖的钢板制成， 左右四个