（制冷及低温工程专业论文）建筑物能量回收用热虹吸管换热器的应用研究.pdf

摘要 摘要 热虹吸管换热器作为一种高效换热器，有许多优点，可用于诸如医院、游泳 馆等要求避免新、排风交叉感染的特殊场所，具有良好的应用前景。但就目前而 言，热虹吸管换热器在空调系统中的应用还处于推广阶段，有很多地方还未完善， 有待于进一步的解决。本课题研究主要完成了应用于空调系统的热虹吸管换热器 的设计、校核以及样机的开发研制，并对相关参数对热虹吸管换热器能量回收性 能的影响做了模拟和试验研究分析。 在分析空调系统能量回收的特殊要求之后，本文研究的应用于空调系统的换 熟器采用了铜一氟利昂倾斜式热虹吸管换热器。它可以根据空调系统室外新风的 季节性变化，调节热虹吸管换热器的冷、热段位置，实现全年工况的能量回收。 在参阅相关资料文献的基础上，结合热虹吸管换热器的传热模型，采用常规平均 温差法( 己把) 进行设计计算，采用能效一传热单元数法( 占一们v ) 进行校 核计算，开发研制了热虹吸管换热器样机，并对其进行了压力降和热虹吸管携带 极限的校核计算分析。 为了研究热虹吸管换热器各参数对其能量回收性能的影响，在定义了能量回 收效率韫度效率e 的基础上，针对铜一氟利昂热虹吸管换热器，在空调系统 新风温度、管排数、迎面风速以及冷、热段长度比等方面进行了模拟计算；对铜 一氟利昂热虹吸管换热器样机，在新风温度、充注率、倾斜角度、管排数以及迎 面风速等方面做了试验研究，得到了不同工况下热虹吸管换热器的温度效率和回 收的热量。比较分析表明，模拟计算的模型能够较好地反映热虹吸管换热器的能 量回收性能。同时试验分析也表明，为获得较理想的总体能量回收效果，空调系 统的新风温度应尽量高些，热虹吸管换热器的工质充注率应保持在2 0 4 0 的 范围内，并根据相应的工质充注率选取合适的倾斜角度，热虹吸管换热器的管排 数应以不少于6 排为宜，迎面风速应在2 6 i i l s 3 2 m s 的范围内。 本课题所做的工作为应用于空调系统的热虹吸管换热器做了一系列较为完 整的理论分析和试验研究，为今后应用于空调系统的热虹吸管换热器的大规模推 广应用带来了极大的方便，同时也为今后相关方面的研究探索提供了方法借鉴和 i 北京工业大学工学硕士学位论文 经验积累，为相关产品的开发研制以及从事相关设计的工程人员提供了工程依 据。 关键词热虹吸管；换热器； 能量回收 a b s l 限a c t a b s t r a c t a sal d n do fh i g he 伍c i e i l c yh c a te x c h a n g 盯也黜o s y l h h e a te x c l l a i l g 盯h 勰a l o to f a d v a n t a g e s nh a sab r i g h tp r o s p c c cf - 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m a l l yg e t sd i 丘b r e mt 黜p c 瑚t u r ee 伍c i e n c ya n dh e a t q u a n t i 够n 缸d i c a t 锱l h a ts i i i m l a t i o nc a l c l l l a t i m o d c l 锄m a t c ht h 锄o s y p h o nh e a t 麟c h a n g e rw d lt h l o 曲c o m p a r i s o n 舭d 吣i s i l lo r d e rt 0g e tb e t t e rh e a tr e c o v 叫 m 北京工业大学工学硕士学位论文 e m c i e n c y 把s tr c 锄l 乜i n d i c a t e 也砒丘e s ha i rt 锄p c r a m r eo fa i r 啪n d i t i 伽_ i 芏l gs y s t c i i l s h o u l db eh i 曲f h a tr c 衔g e m n t c h a r g i n g 姐t cs h o u l db ek e p t2 0p e r c e n tt o4 0p e r c e i l t ， 1 1 1 a tt 1 1 ep r o p e ri n d i n a t i o na n 羽es h o u l d b ec h o s a c c o r d i n gl of e l e v 锄tc h a r g i n gr a t e m a tt l l en 1 1 i 】曲e ro f p i p er o wo f t l l e 咖o s 咖h c a t 既c h 锄g 盯s h o l l l db en o tl 铭sl h a n6 ， t l l a t f a c i i l ga i r v e l o c 时s h o u l d b e 贼n a i n e d 2 6 n 泊t o3 2 m s i nt h i sp a p e ri n t e 孕置t c dm e 0 儆i c a l 砌y s i s 粕dt 嚣t 托s r c ha d o n ef b r t 1 1 e n n o s y p h o nh e a te x c h a n g e ri nb u i l d i n g s 出c o n d i t i o n j n gs y s t 眦，w l l i c h i s c o n v e l l i e l l tt op o p u l a r i z et l i e 咖o s y p h 0 i lh e a tc x c h 锄g e rf o rh e a tr e c o v e f yi nb u i l d i i l g m e a i l w l l i l et l l ej o bi nt h i s p a p e fp r o v i d c sr e s e a r c h 懿p 谢乩c 岛m e m o d sa i l d e n 垂n 硎n gr e f 幻c e 南r 百n e e f s 嬲dt 耐l l l i d 锄si nr d e 啪f i d 出 1 yw o r d s t h e 肋o s y p h o n ；h e a t 懿c h 托g h e a t 嗽刖e r y 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 q 。热虹吸管携带极限 岛无因次管径 ，工质的汽化潜热 岛匏和液体的密度 成- 饱和蒸汽密度 盯工质的表面张力系数 q 单根热虹吸管的传热量 也熟虹吸管的传热热阻 厶熟流体温度 t 拎流体温度 足，民热虹吸管外表面与冷、热 流体的对流换热热阻 ，管壁径向导热热阻 ，咒管内蒸发、凝结热阻 丸熟流体侧的对流换热系数 4 蒸发段的总表面积 j 0 管壁导热系数 f 蒸发段长度 磊管外径 磊管内径 k 管壁与内部介质对流换热系数 厶蒸发段内部面积 k 冷却端内部对流换热系数 v 以冷却段内部面积 r 管壁导热系数 之冷却段长度 髓冷流体侧的对流换热系数 4 冷却段的总表面积 9 整个换热器的传热量 彬热气体在标准状况下的流量 昨( 拿气体在标准状况下的流量 f ? 热气体温度 薯热气体需要降低到的最低温度 矸冷气体的进口温度 矿热气流放出的热量 拎气流吸收的热量 ，卜一散热损失率 冷气流出口温度 a f m 对数平均温差 标准状况下热流体的体积流量 w 标准状况下的迎面风速 以加热侧的迎风面积 矿加热侧的迎风面宽度 厶加热侧的热管长度 k 迎风面管子的根数 母j 虫风面的管子中心距 北京工业大学工学硕士学位论文 卿管束最小流通截面 4 加热侧总传热面积 g ，一流体最大质量流速 r 。，雷诺数 对流换热系数 刁，翅片效率 ，翅片高 町翅片间距 翅片厚度 办，0 翅片的外直径、外半径 单位长度翅片片数 ，管长 以，管外直径、半径 丸翅片材料的导热系数 钟单位长度翅片间管表面积 名单位长度翅片表面积 彳单位长度管外总表面积 k 管外有效换热系数 o 管壁导热热阻 辑垢热阻 知管内蒸发传热系数 品管内冷凝传热系数 屯管壁厚度 乃管壁材料导热系数 占，枵垢层厚度 0 污堀导热系数 l 0 总传热系数 n 热虹吸管的总根数 4 加热段管外总表面积 m 换热器纵深方向排数 e 眢气流方向长度 墨翅片管纵向间距 朋7 矿流体流动净自由容积 d 0 容积当量直径 砰雷诺数 摩擦系数 0 平均管壁温度 卸6 、卸流体通过换热器的压力 降 重力换算系数 心壁温下的流体黏度 占换热器的能效 d 流体热容流量 质量流量 k 流体热容流量比 仉乙传热单元数 m “热流体质量流量 c 热流体定压比热容 x 水当量 u 6 ，u 。热侧和冷侧的传热系数 ，热侧和冷侧的传热面积 ，f f 热侧和冷侧的流体温度 0 工质的蒸汽温度 v i 物理量名称及符号表 ，熟侧和冷侧的热导弘温度效率 击+ 击一热热阻 矿一f c 冷、热侧的流体温度差 q x 排热虹吸管传输的热量 f i 新风进口处空气平均温度 新风出口处空气平均温度 排风进口处空气平均温度 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 人己经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得托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。 躲且车嗍上业 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： 导师签名：芝函期：j 业 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 1 1 1 能源问题 能源蠲题已成为当今世界普遍关注的重大祸题也是人类生存面临的四大同 题之一我国人均拥有能源资源低于世界平均水平，已将能源问题列为经济建设 的战略重点。在总能源消耗中，建筑能耗占了比较大的比重。2 0 0 1 年，我国建 筑能耗已占全国能源消耗的l ，4 左右，跃居能耗首位，建筑节能对可持续发展的 意义越来越重要f ”。而空调耗能又占了建筑能耗的很大比例。据统计，冬夏两个 季节，空调建筑的空调能耗占整个建筑能耗的5 5 6 0 ，如上海地区建筑能耗 组成中，空调能耗所占比例为：饭店4 6 1 ，商场4 0 5 ，写字楼4 9 7 ，医院3 0 3 【2 】。 建筑排热回收，不仅节约建筑能源消耗，而且消除了对环境的“热”污染，具 有节能与环保的双重意义。空调是一项综合性的技术，包括建筑物本身和空调系 统、设备豹节能。其中，采用热回收装置，将新风，捧风进行热交换，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节能方法。一般，新风负 荷占空调总负荷的2 0 3 0 ，则新风能耗占建筑总能耗的l o 1 5 。如能在 新、排风问设置热回收装置，进行合理的热平衡后，新风的耗能被排风带走，排 到室外。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，同时排风中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，仍可以节省送风总加热量 能耗的3 5 4 0 吼由此可见，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 量或供热量，是余热利用、节约能源的有效措施。 1 1 2 舒适性要求 目前，由于建筑物室内装修、现代办公用品和空调的普及，以及节能建筑结 l 北京工业大学工学硕士学位论文 构密封性能的强化，在空调系统设计中，系统新风量往往不足或被取消，导致了 室内空气品质( h l d o o ra i rq u a l i t y ，简称i a q ) 下降，引起所谓的病态建筑物综 合症( s i c kb u i l d i n gs y i i t h 器i s ，简称s b s ) ，表现为头痛、疲劳、胸闷等不适特 征，而人员在离开建筑物后，这些病症会逐渐消失。这个问题的出现，导致了探 索与热舒适性、室内空气品质及节能这三大主题相适应或兼容的新系统和新设备 的研究，是现代社会的追切要求1 4 】。 通常，可接受的室内质量的新风量是以温、湿度按典型的2 4 和5 0 r h ( 相 对湿度) 为前提条件，通过调整并控制室内气象参数( 温度、湿度、风速) ，提 供符合空气品质要求的新风量给空调房间，从而达到改善n q 的目的。但不容 忽视的是增加新风量虽可改善队q ，同时却会造成系统运行能耗的明显上升，使 得系统运行费用增加。如何妥善处理增大新风量以提高i a q 和控制系统运行费 用两者之间的关系，是空调设计者的迫切任务。 热管换热技术具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等普 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【4 一。 1 2 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【“s 】：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、板式显热换热器和热管式换热器。全热 回收装置既能回收显热，又能回收潜热，此类装置有转轮式换热器、板翅式换热 器和热泵式换热器 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，从面达到花较少的投资，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1 一l 【9 l 。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。 2 第l 章绪论 表l l 各种热回收装置比较表 伽l el lc 鲫p a r i s o no f h e a tr e l ：o v e l ye q i l i p n l e n 协 能量回收系 效设备维护辅助占用 交叉 自身接管灵抗冻 统 窒 费保养设备空间污染能耗活性能力 转轮式换热 高高中无 大有少差差 器 板式显热换 低低 中 无大 无无 差 由 热器 板翅式全热 高中中无大 有无 差中 交换器 盘管热环式 低 低 难 有 中 无多好中 换热器 熟泵式换热 中高难有大无 多 好好 器 - 熟管换热器 由 由 易 无 小 无无 中 好 1 乏。空调系统热管换热器的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状及进展 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，造价商，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，己研制出相应的转轮式换热器、板肋式换热 器和盘管式换熟器等，并在空调工程中得到广泛应用【3 1 。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i ”1 2 1 。 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。目前，国外热管换热器已经商品化，开始按系 3 北京工业大学工学硕士学位论文 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【煳，到1 9 7 9 年为止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 t b a n k ，产品有四个系歹 j 【1 4 1 ；而日本昭和铝公司制造的热管换热器称为1 h e r i n o c o n ，按不同用途，产品分为三个系列f 旧。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 1 6 1 。 文献【1 7 】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l o o w 相近。换 热效率为o 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 叫1 5 ) ，而且空气的迎 面速度也偏大。 m a n u 一直致力于研究空调系统的热回收问题c 1 8 硼。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 甜n l r 使用b 矾w e a t h e fd 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肘同即能收回。另外，m a t l l 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碡卜2 4 1 ，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，熟管换熟器可使进风 温度降低7 5 左右，若使用间接蒸发冷却，则同样条件下可侵迸风温度降低l l 左右。 1 3 2 国内研究及应用现状 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。国 内自1 9 7 7 年开始热管换热器的研制，进展较快。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。如潘阳等人研究的热管式空调通风换热器【2 1 、热管式空调换气换热器f 2 6 】 等。同时，热管的应用也在不断升温，如上海市民用建筑设计院和航天部五院 5 0 l 设计部共同研制的氨铝低温热管换热器f 2 刀，该装置用于上海游泳馆的空调 正 第l 章绪论 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。 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l o 2 0 【2 s 】。 文献【4 】在不同冷热空气流量比m 、热管换熟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 姗、壁厚1 i 眦的铜管， 采用铝质翅片，翅片闯距2 3 m m ，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 n 体 3 o 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。 c 峡3 r 一 ，聃黜 ”y 。 热c 警3 图l 一1 热管式空调换气换热器 f i g 1 一lh c a t p i p e h e a t 勃【c h a n 咿j n a i r 吣d i d o n j n gs y g t 鼬 文献【2 6 】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1 一l 。 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“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【2 9 】提出来一种用于空调系统热回收的流程图，如图l 一2 所示。文献【3 0 】 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。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 赫随 图l 一2 热管式空调系统流程图 f i g 1 - 2a i 蝴d i i i 咖i n gs y s t 鼬、聃mh e a tp i p eh e a ta d h a n g 汀 文献【3 1 1 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l o 支热管时，其外部尺寸为4 4 0 m m x 2 6 2 m m x 9 9 n u n 。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 m m 2 6 2 m m 5 衄l 。在 较大的风量下，从加热的角度看节约能源5 7 “，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 。 文献【3 2 】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 。 文献 3 3 】对1 7 5 m 、2 m 、2 5 m 、3 m 四种长度的热虹吸管在近室温条件下的 传热性能进行了试验研究，认为单根热虹吸管的传热量在3 0 w 4 5 w 之间，最 佳工质充注率为2 5 4 0 ，倾斜角度在1 5 。2 0 。范围内为置，热管长度不宜过 长，以2 m 2 5 m 左右为宣，迎面风速与热虹吸管传热性能呈现相反趋势。 1 4 本文研究的目的和意义 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环境中或某些 工业工艺过程中。热管换热器应用于空调系统中的研究较少，而且以试验研究为 主，没有关于应用于空调系统热管换热器的较完善的理论。 针对这些问题，本文研究的用于大型空调系统能量回收的热管换热器采用倾 6 第1 覃绪论 斜式热虹吸管，并设计机械传动机构，实现热管换热器倾斜角度的自动调节，以 适应不同的工况条件，获得较高的能量回收效率。结构简单方便，易于实现全年 工况下的空调系统能量回收。 本文根据空调系统能量回收的特殊性，将整个热管换热器看成一块热阻很 小的间壁，建立了热管换热器的传热模型，采用常规间壁式换热器的设计方法， 通过平均温差法和能效一传热单元数法，对近室温条件下用于能量回收的热管换 热器进行了热力设计计算和校核计算，构造了用于大型空调系统能量回收的热管 换热器样机。在建立了热管换热器能量回收性能模拟测试台的基础上，通过模拟 计算和试验研究的方法，分析了夏季工况下热管换热器能量回收效率随工质充注 率的变化规律，探讨了迎面风速、倾角、管排数以及空调系统新风温度等参数对 热管换热器能量回收效率的影响，研究了迎面风速与热管换热器回收热量的关 系，并得到了工质充注率、倾角、迎面风速、管排数等参数之间的最佳匹配方案。 经过本文的研究，不仅为今后用于大型空调系统能量回收的热管换热器的研 究奠定了理论基础，方便了对该类热管换热器的设计、校核，而且通过试验研究 为工程应用提供了相关参数的优化匹配方案，必将加快该热管换热器推广应用的 进程，具有重大的经济和社会效益。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章热管及热管换热器 为了进行热管换热器的设计计算以及样机的研发、试验研究，对相关参数对 热管换热器能量回收性能的影响做出合理、准确的分析，了解、掌握和分析热管 及热管换热器的结构、工作原理和传热模型等有关知识至关重要。 2 1 热管 2 1 1 热管的结构和工作原理 q蒸汽液体 q f ii i 图2 1 热管工作原理示意图 f i g 2 一lp 血i d p i eo f h e a tp i p e 热管的基本工作原理如图2 一l 所示。典型的热管由管壳、吸液芯和盖端组 成，管壳通常由金属制成，两端焊有端盖，管壳内壁装有一层由多孔性物质构成 的吸液芯，将管内抽成1 3 ( 1 0 。1 0 r 4 ) p a 的负压后充以适量的工作液体，使 紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。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。 热管的工作原理是在管的一端加热，毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压 差下流向另一端放出热量凝结成液体；液态工质在管芯毛细力的作用下又返回蒸 发段，继续蒸发吸热。如此循环，把热量源源不断地从加热段传递到冷却段。由 于是相交传热，因此热管的内部热阻很小，能以较小的温差获得较大的传热率嗍。 利用热管原理可以做成各种形式的热管元件和热交换设备，以满足不同场合 8 第2 章热管及热管换热器 的需要。 凝结液的回流除了依靠吸液芯毛细抽吸力之外，还有重力、重力加毛细抽吸 力、离心力、渗透压力等，据此将热管分为以下类型： a 吸液芯热管：依靠毛细抽吸力( 表面张力) 回流工作液，它在宇航事业 的应用中非常成功。 b 两相闭式热虹吸管( 或称重力热管) ：依靠重力回流工作液，壳体内壁不 装设吸液芯层。凝结液从凝结段回流到蒸发段不是依靠吸液芯所产生的毛细力， 而是依靠凝结液自身的重力。它在地面的各种应用中一般被优先考虑采用。 c 重力辅助热管：依靠毛细抽吸力加上重力回流工作液，同样也要求凝结 段置于蒸发段的上方。 d 旋转热管：依靠离心力回流工作液，通常用在转动设备上。 除此之外尚有依靠极化电流体动力学力、渗透压力等回流冷凝液的热管，它 们一般在特殊场合下才得到应用【3 5 3 日。 i 2 1 2 两相闭式热虹吸管的结构和工作原理 液膜 蒸汽 液锄 、 i 。_ 一 l 、 一一 图2 2 熟虹吸管工作原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo f t h s y p h 帆 两相闭式热虹吸管( t w o p h a 辩c l o s 酣皿锄o s y p h o n ) 又称重力热管，简 称热虹吸管，其工作原理及结构如图2 2 所示与普通热管一样，利用工质的 蒸发和冷凝来传递热量，且不需要外加动力实现自行循环。但与普通热管不同的 是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛 细力，而是靠冷凝液自身的重力，因此热虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发 9 冷凝段 绝热段 蒸发段 ir斗ljl。_1丑 北京工业大学工学硕士学位论文 段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。 由于热虹吸管内没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管相比，不仅结构 简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、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，其应用领域也与日俱增，已在各行各业的 热能综合利用和余热回收技术中，发挥了巨大的作用。 2 1 3 热管的传热极限 热管的传热能力很大。如果用一支铜水热管和相同外形的实心紫铜棒比较 传热能力，我们将发现热管的传热能力大大超过该良导热体。为便于比较，取热 管和紫铜棒两者的长度三= l m ，外直径而= 2 0 n l m ，周围绝热。对两者的传热量 q = l k w ，紫铜的导热系数如按38 0 、w ( m ) 取值计算，得到紫铜棒的温差 为：一f 2 = 笔2 8 3 7 6 6 实际上这是不可能测量出来的，因为早已经超过了 紫铜的熔化温度，但却说明热阻之大! 对于这支铜一水热管，测量得到的蒸汽温差( 一如) 仅为1 左右，其当量 导热系数= j 尚= 3 1 8 3 0 9 8 9 、w ( m ) o 如此，等2 8 3 7 6 6 倍。 热管利用了工质的相交传热，这是最强的换热方式，以汽化潜热的方式所传 输的热量一般要比以显热方式所传递的热量大几个数量级。紫铜棒则是典型的金 属导热过程，主要依靠体内自由电子运动传递热量。 l 口 翻 壤 j k 皤 操作墨虞t 图2 3 热管的传热极限p m f i g 2 - 3h 铭t 缸彻s 幻m n j to f h tp i p e 热管的传热能力虽然很大，但也不可能无限地加大热负荷。事实上有许多因 1 0 第2 章热管及热管换热器 素制约着热管的工作能力。换而言之，热管的传热存在着一系列的传热极限，限 制热管传热的物理现象为毛细力、声速、携带、沸腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸 汽压力及冷凝等。这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工 作温度等有关，限制热管传热量的类型是由该热管在某工作温度下各传热极限的 最小值所决定的。如果以热管的工作温度为分析依据，则可得到如图2 3 所示 的热管最大传热极限示意图跚。 1 连续流动极限 对于一般热管来说，管内蒸汽流动通常是连续的。然而，随热管尺寸的减小， 管内蒸汽可能失去连续流动特性。在非连续蒸汽流动下热管的传热能力将受到很 大限制，沿热管长度方向将存在着很大的温度梯度，因此，热管可能会失去其作 为高效传热设备的优势。对于小型热管和微型热管尤其是这样，因为它们的容积 都非常小 2 冷冻启动极限 从冷冻状态启动过程中，蒸发段来的蒸汽可能在绝热段或冷凝段再次冷冻， 这将耗尽蒸发段来的工作介质，导致蒸发段干涸，热管无法正常启动工作。在室 温下，低温或中温热管管内工质通常为液态，而高温热管管内工质通常为固态。 因此，冷冻启动极限在高温熟管的操作中经常通到。 3 粘性极限 当蒸汽的压力由于粘性力的作用在热管冷凝段的末端降为零时，如液态金属 热管，在这种条件下，热管传热能力将受到限制，热管的工作温度低于正常工作 温度范围时将遇到这种极限，它又被称为蒸汽压力极限。 4 声速极限 热管管内蒸汽流动，由于惯性力的作用，在蒸发段出口处蒸汽速度可能达到 声速或超声速，出现阻塞现象，这时的最大传热量被称为声速极限。声速极限在 低温或大热流密度下( 液体金属热管低温启动) ，容易出现。一般热管正常运行 时，声速极限不常出现。 5 携带极限 当热管中的蒸汽速度足够高对，液汽交界面存在的剪切力可能将吸液芯表面 液体撕裂将其带入蒸汽流。这种现象减少了冷凝回流液，限制了热管的传热能力。 6 毛细极限 1 1 - 北京工业大学工学硕士学位论文 热管中工质循环靠毛细吸液芯结构与工作液体产生的毛细压头维持，由于毛 细结构为循环提供的毛细压头是有限的，这将使热管的最大传热量受到限制，这 种限制通常称为毛细极限或流体动力极限。 7 冷凝极限 热管最大传热能力可能受到冷凝段冷却能力的限制，不凝性气体的存在将降 低冷凝段的冷却效率。 8 沸腾极限 如果径向热流或管壁温度变得非常高，吸液芯中工质的沸腾可能阻碍工作液 体的循环，限制传热能力，此极限称为沸腾极限。 2 1 4 两相闭式热虹吸管的传热极限 由于两相闭式热虹吸管的结构特征，其传热极限主要有携带极限、干涸极限 和沸腾干涸极限。携带极限涉及到逆向流动的蒸汽和液体界面的剪切力，干涸极 限与一定热流密度下的最小充液量有关，沸腾极限则类似于池沸腾的蒸汽全部覆 盖管壁的临界热流密度。这些传热极限都将导致管壁温度升高而过热，严重时将 烧毁热虹吸管。携带极限是对蒸汽段轴向热流密度的限制，干涸极限和沸腾极限 是对蒸发段径向热流密度的限制。当充液量较小时，一般首先发生干涸极限；在 充液量较大且蒸发段径向热流密度较大而轴向热流密度较小的情况下，将首先发 生沸腾极限，而当充液量较大且径向热流密度较小而轴向热流密度较大时，则首 先发生携带极限。通常热虹吸管均有较大的充液量，所以对于细长管，即在热虹 吸管蒸发段的长径比很大时，首先要考虑携带极限p ”。 1 携带极限 携带极限也叫做液阻极限，易出现于充液量较大，轴向热流密度亦较大的情 况，它是由热虹吸管内逆向流动的蒸汽回流的液体在界面上相互作用引起的，其 机理与普通热管的携带机理一致。随着汽一液间相对速度的增大，汽液晃面上大 黏滞剪切力阻碍着回流液体从冷凝段回到蒸发段，高速的蒸汽流将携带着回流液 体到底冷凝段，使蒸发段干涸，管壁温度飞升。当热流体状况稳定时，管内的液 体被阻止回流到蒸发段，就是达到了热虹吸管的携带传热极限。热虹吸管的工作 主要受到携带极限的限制，其计算公式【醒】： 1 2 第2 章热管及热管换热器 q 二= j 五 ( o 5 0 酉) 2 孚r ( 岛删一岛”，) 4 扣i j f 两( 2 一1 ) 式中岛一因次阮岛= 吐乒( 警) r 熟管中工质的汽化潜热，l 【j 1 ( 9 3 舟饱和液体的密度，k g 时； 成饱和蒸汽密度，k g ，m 3 ； d 热管中工质的表面张力系数，n 纽 2 干涸极限 当热虹吸管的充液量很少，蒸发段的径向热流密度相对较小时，在蒸发段的 底部可能出现于涸传热极限，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展， 壁面温度持续上升，这就是干涸极限。 3 沸腾极限 在充液量较大、径向热流密度很大的情况下易发生沸腾传热极限，又称之为 烧毁传热极限。随着径向热流密度的增大，蒸发段液池内开始产生核态沸腾。热 流密度进一步增大，液池内沸腾越来越激烈，当达到临界热流密度时，汽泡聚合 连成一片贴近管壁而形成蒸汽膜，蒸汽膜将液体与壁面隔绝开来，导致壁面温度 突然增高，这种现象类似于池沸腾中的膜沸腾状态，即认为是达到了沸腾极限。 2 1 5 充液量与倾角对两相闭式热虹吸管传热的影响 影响两相闭式热虹吸管传熟性能的因素有很多，例如热虹吸管的儿何尺寸、 倾角、充液量、工质的物理性质参数和管内的蒸汽温度等。其中充液量和倾角为 最主要的因素。这也是热虹吸管与有芯热管的不同之处。目前，关于充液量与倾 角对热虹吸管传热影响的研究都偏重于实验研究，从实验中得到关系曲线，并对 从实验中观察到的流动结构做出分析解释。用纯理论分析的方法还很少能够得到 符合实际的结论。这里介绍一些主要的观点与结论。 2 1 5 1 充液量对热虹吸管传热的影晌 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 s t r 锐t s o v 以经典的n m s e l t 竖壁膜状冷凝理论解为基础，建立模型，计算出含 有最低限度概念的充液量，得到热虹吸管充液量与热流量之间的关系式【3 9 1 。 g = 阻制 警卜 t z 一苟 由该公式可知热虹吸管充液量