热管换热器热回收的应用综述

1、毕业设计(论文)文献翻译学生姓名： 季天宇 学 号： P3501120509 所在学院： 能源科学与工程学院 专 业： 热能与动力工程 设计(论文)题目：12000Nm3/h气-气热管换热器的设计指导教师： 许 辉 2016年3月10日热管换热器余热回收的应用综述W. Srimuang, P. Amatachaya摘 要用热管回收废热是一种公认的可以节约能源与防止全球变暖的有效手段。本文将对用于余热回收的热管换热器，特别是对传统热管、两相闭式热虹吸管和振荡热管换热器的节能和增强效率的问题进行总结。相关的论文被分为三大类，并且对实验研究进行了总结。分析这些研究报告的目的是为未来的工作打下基础。最

2、后，总结出传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）换热器的效率参数。本文也提供了用于热回收系统中的热管热交换器的设计的最佳方案。关键词：热管 回收 效率 气-气目录1. 引言2. 热管换热器的类型3. 热管在热回收方面的应用4. 气-气热管换热器及试验台5. 气-气热管换热器效率的影响因素6. 结论参考文献1.引言利用热管回收废热是一个对于节约能源与防止全球变暖的极佳手段。热管换热器作为一种高效的气-气热回收装置广泛地应用于商业与工业生产中。热管换热器之所以能成为最佳的选择，是因为废气与供给空气之间不会有交叉泄漏。它拥有许多优势，比如有较高的换热效率，结构紧凑，没有

3、可动部件，较轻的重量，相对经济，空气侧较小的压降，热流体与冷流体完全分离，安全可靠。热管换热器被广泛应用于各个行业（能源工程，化学工程，冶金工程）的废热回收系统。热管换热器最重要的一个功能是从锅炉的废热中回收热量。图1显示的是传统锅炉与加装了热管换热器的锅炉的比较。在传统锅炉中（图1a），废气被直接排放到空气中，不仅浪费能源，而且还会污染环境。使用热管换热器（图1b）不仅减少了能源消耗，而且保护了环境。无论如何，对于使用热管进行热回收，特别是关于节约能源和环境效益的研究都是有必要的。 对于传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）换热器的应用进行综述。本文的结论也提供

4、了关于热管换热器的设计和此领域未来的研究的一些建议。图1 用于预热的热回收装置2.热管换热器的类型 热管换热器也被作为利用汽化潜热以较小的温差在长距离间传递热量的热传递设备。它是由一根充满了适当的工作液体的封闭的管子构成。热管分为三类：传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）。在实际过程中，当热量进入蒸发器，平衡被打破并在稍高的压力下产生蒸气和温度。增加的压力使蒸汽流向管子的冷凝段，冷凝段稍低的温度使蒸汽冷凝并且释放汽化潜热。冷凝后的液体通过传统热管吸液芯的毛细作用或者两相闭式热虹吸管的重力作用返回蒸发段。符号说明 内径（m） 外径（m） 充液率 壁厚（mm） 管长

5、（m） 导热系数（W） 温度（） 速度（m/s）下标说明a绝热c冷凝段e蒸发段in进口out出口 两相闭式热虹吸管在本质上是热管，但是没有吸液芯结构。传统热管与两相闭式热虹吸管的不同在于两相闭式热虹吸管使用重力将热量从冷源下方的热源进行传递的。结果导致，蒸发段位于冷凝段下方。工作液体在冷凝段蒸发、冷凝，并且在重力的影响下回流到蒸发段。如果能够利用重力，两相闭式热虹吸管是最佳的选择，因为传统热管的吸液芯会对冷凝液体的流动产生一个额外的阻力。图2展示了传统热管与两相闭式热虹吸管的主要区别1。 振荡热管或脉动热管（PHPs）是热管技术最新的发展之一。工作液体在传统热管中通过毛细作用以逆流的形式在热源

6、与冷源之间不断循环。与传统热管不同的是，工作液体在振荡热管中在其轴向方向振动。脉动热管的基本传热机制是与相变（蒸发和冷凝）有关的振荡运动现象。振荡热管是由一根连续的毛细管弯曲而成。毛细管的直径要足够小以允许液体和蒸汽能够共存。振荡热管的基本原理是当弯曲的毛细管的一段受到高温影响时，内部的工作液体蒸发并提升蒸汽压力，这将导致蒸发区产生气泡。这会将液柱推向低温端（冷凝器）。低温端的冷凝将会进一步增加两段的压差。由于相互连接的管子，液滴和气泡在管子里往冷凝器的运动这使他们向着高温端（蒸发器）运动。从而，使热量从加热部分传递到冷却部分。振荡热管的优势在于不需要吸液芯来传递液体。也不需要泵提供动能，所以

7、振荡热管的传热是被动的。事实上，它不需要热源吸收的热量以外的能源。但是，振荡热管的整体阻力一般要大于传统热管，振荡热管能够适应更大的流量。热管换热器是自成一体，自我维护的被动能源回收装置。利用蒸汽液体流动使它有非常大的传热系数。管子中液滴的蒸发和气泡的形成使液滴和气泡在振荡热管中保持振荡。驱动力是由核沸腾和工作液体的冷凝提供的。热管换热器能够将热量从高温段转移到低温段。振荡热管有几点优势：成本较低，热传递性能出色，热响应速度快，可操作性高以及操作灵活。振荡热管分为三类（图3）图3a为闭环振荡热管（CLOHP），取名闭环振荡热管是因为它由长的封闭的环形毛细管构成。工作流体在管子纵轴线方向的振荡导

8、致热量传递。图3b为带止回阀的闭环振荡热管（CLOHP/CVs）。它由一根在末端以接合的方式形成封闭环形的毛细管构成。带止回阀的闭环振荡热管在闭环上合并了一个或多个可控方向的单程止回阀，这样就可以让工作液体只向指定的方向流动。图3c为封闭式振荡热管（CEOHP），它由一根长的毛细管构成，毛细管两段都封闭。这样，热传递仅仅通过快速的振荡和脉动压力波扰动发生。图2 传统热管（CHP）和两相闭式热虹吸管（TPCT）图3 振荡热管的类型3.热管在热回收方面的应用 最近，研究人员对于使用热管回收热量越来越感兴趣。也有论文开始分析热管的应用、设计、结构和热力性能。Noie-Baghban和Majideia

9、n2介绍了用于手术室废热回收的传统热管。该热管是为低温源（1555）设计的。研究发现常规热管的效率是0.16，虽然它取决于热管的直径和翅片间隙。但是该值还是太小，因为该热管是为低温工况设计的。Abd El-Baky和Mohamed3为了冷却新风将传统热管应用于空调系统的新风和回风之间的热回收上。测试回风与新风的质量流率之比（1,1.5和2.3）来验证热传递和新空气温度的变化。在测试过程中，新空气的进口温度控制在32-40之间，而回风进口温度约为26且保持不变。Martinez等人4为空调设计了一种由两根传统热管和间接蒸发换热器构成的混合能源回收系统。混合能量的能量表征回收系统与实验设计技术同时

10、进行。一个主要结论被应用于空调的由两根传统热管和间接蒸发换热器构成的混合能源回收系统的安装，能回收回风的部分热量，从而提高能源效率以及减少对环境的影响。表1传统热管，两相闭式热虹吸管和振荡热管的几何特征。热管管数工作流体/充液率翅片吸液芯作者CHP材料:铜:15mm:3mm:300mm,:600mm,:300mm8材料:甲醇无100孔不锈钢Noie-Baghban and Majideian 2CHP材料:铜:12.7mm:50cm:20cm,:10cm,:20cm25材料:R11,R123类型:连续翅片材料:铝厚度:0.5mm100孔黄铜Abd El-Baky and Mohamed 3CH

11、P材料: -:12.7mm:2.1mm:62cm12材料:3.04克氨无350孔不锈钢Martinez et al. 41类TPCT材料:铜OD:15.88mm:1.22mm:300mm,:150mm,:300mm24材料:水充液率:蒸发段60%类型:连续翅片材料:铜(蒸发段)铝(冷凝段)间隔:每米472片厚度:0.162mm无Lukitobudi et al. 52类TPCT材料:钢:26.27mm:7.65mm:300mm,:150mm,:300mm10材料:水充液率:蒸发段60%类型:螺旋形翅片材料:钢间隔:每米315片厚度:0.8mm直径:52.7mm无3类TPCT材料:铜:15.88

12、mm:1.22mm:300mm,:150mm,:300mm24材料:水充液率:蒸发段60%无无TPCT材料:钢:20mm:1.5mm:150mm,:5mm,:150mm50材料:水充液率:蒸发段35%类型:板式翅片材料:钢间隔:每米315片厚度:1.5mm高度:8mm无Yang et al. 61类TPCT材料: 铜:0.127m:1.5mm:0.45m7材料:甲醇充液率: 类型:板式翅片材料:铜数量:共计70片厚度:0.45mm高度:0.048m无Riffat and Gan 72类TPCT材料: 铜:0.127m:1.5mm:0.45m3材料:甲醇充液率: 类型:柱形翅片材料:铜数量:共计

13、300片厚度:0.45mm直径:0.7mm无3类TPCT材料: 铜:18mm:365m6材料:甲醇充液率: 类型:百叶窗翅片材料:铝数量:共计96片间隔:2mm高度:60mmTPCT材料: 铜:15mm:660mm,:300mm,:300mm24材料:R22充液率:蒸发段60%类型:板式翅片材料:铝间隔:每米32片厚度:0.164mm高度:140mmWu et al. 8CEOHP:2mm:190mm,:190mm:600mm1材料:水充液率:蒸发段50%Rittidech et al. 9CLOHP/CVs:2mm:190mm,:8mm:190mm,:358mm1材料:R134a充液率:蒸发

14、段50%Meena et al. 10 在两相闭式热虹吸管的应用方面，Lukitobudi等人5的设计，他们制造并测试了一台用于面包店的中温两相闭式热虹吸管换热器。该换热器十分高效（65%），但是作者声明运行过程中超载的压力可能会对换热器造成损伤。杨峰等人6研究了一种可能的应用使用两相闭式热虹吸管换热器回收大型客车发动机产生的废热为乘客供暖。Riffat和Gan7探讨了自然通风建筑的两相闭式热虹吸管换热器效率。在他们的研究中，他们在两个测试室测试了三种两相闭式热虹吸管换热器的热回收部件。第一种两相闭式热虹吸管换热器由七对翅片的热管组成，第二种有螺旋状的翅片，第三种是由两排交错的两相闭式热虹吸管

15、构成。使用计算热力学模拟来求解部件的压力损失特性。根据实验结果，空气的流速显著地影响了两相闭式热虹吸管热回收部件的效率。对于相同的速度，换热器的效率在16%到17%之间，并且将翅片从一排变为两排能够提高效率。根据计算热力学模拟的结果，当速度为1m/s时，2排平行安装的6根热管的预测压力损失系数为3.3，而交错安装的为4.2，7个小平板的换热器为3.7。研究建议对于自然通风的底层建筑，除去风的影响后，风速的设计平均值应小于1m/s。吴晓平等人8研究了两相闭式热虹吸管换热器在空调系统中的湿度控制。这种类型的换热器对于取代传统再热器有很大的优势，只需要少量或无需外部能源能够节约能源并增强冷却盘管的冷

16、却能力。图4 用于热回收的传统热管换热器 对于振荡热管换热器，Rittidech等人9使用封闭式振荡热管空气预热器对空气进行烘干。该方法需连接冷凝段和新空气段，并且蒸发段要与热源连接。封闭式振荡热管空气预热器需要一台适当的烘干机。对热传输速率与效率进行测量并与预测值比较。研究发现在干燥系统中的空气预热环节使用封闭式振荡热管换热器能够节约能源。一个与之类似的研究，Meena等人10设计了一种带止回阀的闭环振荡热管用于在干燥系统中减少相对湿度。研究展示了在空气预热时使用带止回阀的闭环振荡热管能够减少相对湿度并且节约能源。图5 面包店用于热回收的两相闭式热虹吸管换热器图6 封闭式振荡热管预热器图7

17、带止回阀的闭环振荡热管预热器4. 气-气热管换热器及试验台 表1总结了传统热管2-4，两相闭式热虹吸管5-8，振荡热管9,10的几个特点。以之前的研究为基础，以传统热管，两相闭式热虹吸管，振荡热管为基础设计了不同形式的热回收装置(图4-7)。每一篇论文都描述了细节部分。文献2中的试验台（图8a）一根传统热管被垂直的安装在两个锌制箱体内，两侧的风扇在蒸发段和冷凝段提供0.103m3/s的气流。通过空气测速仪测量两侧的气流速度均为2.3m/s。通过三个箱体底部的电加热器（总功率为1500W）来加热空气。空气在蒸发段获得这部分热量后被排放到空气中。在另一个实验中3（图8b）实验区由两个通过风扇与水平

18、的传统热管连接的0.3m×0.22m的管道构成。为了安装传统热管换热器在两个管道的一边开一个0.3m×0.3m的方形孔。新风管道安装了一个送风机来为传统热管换热器的蒸发侧提供空气。冷的回风与热的新风管道用玻璃棉（50mm厚）进行热绝缘，将热损失降到最小。使用皮托静压管测量两侧管道内的气流速度。新风的流量控制在0.4kg/s，但是回风的流量一直在变化，0.4,0.6和0.933kg/s。图9是文献4中实验装置的示意图，整个系统由以下部分组成：（1）参数可变的空气处理单元，用它来模拟室外空气（温度，湿度和风速）；（2）维持提供空气参数的房间；（3）空气分配管道；（4）热管换热器

19、；（5）间接蒸发式换热器；（6）由一台气-气热泵保持舒适参数的房间（1.2m×1.2m×1.5m）；（7）获取监控数据的电脑（硬件和软件）。文献5中的试验台被用来测试两相闭式热虹吸管的效率（图10），一个电加热器在上部冷凝段加热空气，热空气逆流回蒸发段。风扇由一个可调速的发动机带动，表面风速可以在1和5m/s之间调节。进入蒸发段的热量可以在4和20kW之间调节，取决于实际加热部件的数目。使用热电偶（K型）监控温度的变化。通过电脑数据记录系统处理这些数据。图11为文献6中的实验装置，由呈边长20mm的正三角形交错的热管构成。在换热器中有九行大约50根热管。换热器外壳的尺寸为2

20、10mm×305mm×350mm。填充了工作液体水的钢管外径为20mm，管子的厚度为1.5mm，长为310mm，蒸发段长150mm，冷凝段末尾的预制装配长度为5mm。在冷凝段，外部有金属环形翅片。翅片的厚度和高度分别为1.5和8mm。每个翅片之间的间隔为8mm。为了与耐热性匹配，在蒸发段使用光管。为了检测换热器是否符合要求，测量换热器的性能就尤为重要。换热器的热流体进口管道与总线的出口通过消声器连接。用一台100mm水柱压头，400m3/h体积流量，120W的送风机驱动换热器里的空气。环境温度为8。控制室和进气道的尺寸分别为1840mm×2300mm×1

21、620mm和1810mm×2300mm×7040mm。发动机是一个6缸汽油发动机，最大转速是3000rpm，气缸容积为5.42升。在另一个研究中，Riffat和Gan7评估了两相闭式热虹吸管热回收装置在自然通风建筑中工作的性能。在测试室中测量三种热管单元的效率。测试室由胶合板构成并用聚氨酯层进行隔热处理。测试室内部空间为1.169m×1.133m总高度为2.335m。它被水平分割为两个空间。在隔板的中间有一个开口（0.215m×0.215m）可以使两边的空气自由流动。测试室的内部空间为3.09m3。进气和排气的管道与一面垂直的墙相连。管道也是由胶合板制成

22、。文献8中的试验台（图12），通过蒸发段进入热管换热器的空气是经过电加热和由电锅炉产生蒸汽加湿的。经过预冷的空气离开热管换热器的蒸发段，然后经过一个冷却盘管进一步冷却，最后返回热管换热器的冷凝段。气流呈逆流配置。一个可变速的风扇将空气送入管道，较低部分的管道是一个边长25cm的正方形，在返回部分则变为直径25.4cm的圆形管道。最后一个实验是文献9，描述在干燥过程中封闭式振荡热管的预热作用（图13）。管道与热气流方向对齐排布。冷凝段与新空气段向连接，并且蒸发段与热源相连接。封闭式振荡热管空气预热器需要一台适当的烘干机。原型管道，包括了纤维绝缘，有一个200mm×200mm的横截面。从

23、燃烧器来的热空气通过封闭式振荡热管预热。在文献10的实验中（图14），热空气通过带止回阀的闭环振荡热管预热。通过记录蒸发段和冷凝段进出口的温度来计算换热速率和效率。 这些研究为设计者和研究者选择适合的实验装置来调查热管换热器的在热回收系统中的性能提供了很多帮助。图8用于传统热管换热器热力性能测试的试验台2,3图9水平传统热管热力性能测试示意图4图10用于测试两相闭式热虹吸管换热效率的试验台5图11通过回收废气余热给乘客供暖的示意图6图12用于增强制冷能力的试验台85.气-气热管换热器效率的影响因素 本节的重点是测量热管换热器在热回收方面的效率。表2比较了之前提到的论文2-10中的各个有关效率的

24、参数。通过考察这些基于气-气热管换热器效率的参数，我们得出结论，热管换热器的效率取决于以下四个因素：（1）蒸发段的进口温度影响了换热器整体的效率。在文献2,6,9,10（图15）中有详细描述。换热器效率随着进口温度的增加而提高。（2）蒸发段和冷凝段中冷热空气的流速。随着冷热空气流速的增加，换热器效率降低（图16）。文献3,5,7,8,10中有详细描述。（3）在几何排布方面，将热管整齐排布或者交错排布以及热管的直径都会影响效率。文献5,7（图17）中有详细描述。（4）工作流体的种类影响热管换热器的效率。文献2,9中有详细描述。如果将工作流体从水换成R123，换热器的效率将提高。因为R123有更小

25、的潜热（图15a）。图 13烘干机中用于节约能源的封闭式振荡热管空气预热器9表2传统热管，两相闭式热虹吸管和振荡热管换热器研究参数的对比类型控制参数可变参数效率作者CHP-冷空气，-热空气，-吸液芯类型-热输入率，20400W0.16Noie-Baghban and Majideian 2CHP-返回冷空气温度，-冷空气，-质量流率，12.330.26Abd El-Baky and Mohamed 3CHP-热管几何形状-主气流，50160m3/h-主空气温度，2545-主空气相对湿度(%）,3060-水流，100300L/h-二次空气再循环率(%）,257582.5Martinez et a

26、l. 4TPCT-冷空气，-充液率-工作流体-冷热空气速度，-热管材质-翅片材质和类型0.180.63Lukitobudi et al. 5TPCT-冷空气速度-充液率，蒸发段35%-废气温度，0.28Yang et al. 6TPCT-工作流体-不同的热管直径和翅片-空气流速，0.01450.1887m3/s0.220.64Riffat and Gan 7TPCT-工作流体-充液率-空气表面速度，Wu et al. 8TPCT-冷空气，-充液率-工作流体-冷热空气速度，-热管材质-翅片材质和类型0.180.63Lukitobudi et al. 5TPCT-冷空气速度-充液率，蒸发段35%-

27、废气温度，0.28Yang et al. 6TPCT-工作流体-不同的热管直径和翅片-空气流速，0.0145-0.1887m3/s0.220.64Riffat and Gan 7TPCT-工作流体-充液率-空气表面速度，Wu et al. 8CLOHP-热气体，-充液率-工作流体-热气体，=60,70或800.380.54Rittidech et al. 9CLOHP/CVs-热管内径-热管总长-热空气，=0.5,0.75或1m/s-热空气，=50，60或700.290.76Meena et al. 10图14在干燥系统中减少相对湿度的试验台10图15进口温度对蒸发器效率的影响9,10图16空

28、气流经蒸发段速度的影响5图17热管数量和翅片形状对效率的影响76.结论 本文介绍了用于热回收的热管换热器的应用。用于热回收的热管包括了一个高效的气-气热回收装置，减少了商业和工业上的热量损失，确保能够节约能源并保护环境。它既不需要外部能源也不需要冷却水和润滑系统。它将会是最佳选的择，因为废气与供气之间几乎不存在交叉泄漏。热管换热器具有许多优势，比如有较高的换热效率，结构紧凑，没有可动部件，较轻的重量，相对经济，空气侧较小的压降，热流体与冷流体完全分离，安全可靠。为了支持以后的研究，达到提高热力性能的目的，提出以下几点建议：（1）改变热管的表面或直径；（2）增加流体在蒸发段和冷凝段停留的时间；（

29、3）增加适合的管道使流体能够自由往返与蒸发段和冷凝段；（4）考虑工作流体的类型，质量和体积充液率；（5）让工作流体快速起泡；（6）在闭环振荡热管中让工作流体朝一个方向流动。参考文献1Reay D, Kew P. Heat pipes: theory, design and applications. fifth ed. Butterworth-Heinenmann; 2006.2Noie-Baghban S, Majideian G. Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger (HPHE) for surgery rooms in h

30、ospitals. Applied Thermal Engineering 2000;20:127182.3Abd El-Baky MA, Mohamed MM. Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning. Applied Thermal Engineering 2007;27:795801.4Martinez FJR, Plasencia MAA, Gomez EV, Diez FV, Martin RH. Design and experimental study of mixed energy recovery system, heat pipe and indirect evaporative equipment for air conditioning. Energy and Buildings 2003;35:102130.5Lukitobudi AR,