分离式热管换热器的优化研究

摘要：伴随着我国经济的迅速发展，根据已经公开发表的统计数据，我国建筑能耗已经占据全部能源消费总量的四分之一之上，并将随着人民生活品质的改善而渐渐扩大到三分之一以上；建筑能耗巨大，且效率不高，损失严重，建筑能耗中，大约50%~60%用于空调制冷与采暖系统，20%~30%用于照明[1]。

2005年07月01日，《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005公布实施，其中明确提出了空调系统排风热回收的设计原则与实施方法。紧随其后，全国各地相继出台了适合本地区的节能设计标准，其中具体细化了空调系统热回收的准则。

工程实践中，空气调节系统如果使用传统的能量回收装置，需要设置较长的空气输送管道，将新风、排风汇聚到同一专用地点进行热交换，带来诸如管道管径激增、机房面积增大，噪音升高及投资加大等一系列问题。热管是热传输性能极佳的元件，其中，分离式热管结构简单、高效节能、性能可靠、布置灵活且汽液同向流动，并可实现远距离传送。因此，分离式热管倍受瞩目。空气调节系统中，热回收装置统多处于常温状态，故空调用热管为常温热管。

实验结果表明，充注不同工质的条件下，分离式热管换热器上升管与下降管的温度分布曲线，其变化趋势一致。基于实验研究的成果之上，本文提出了强化分离式热管传热性能的方法。

关键词：空气调节；节能；热回收；分离式热管；传热性能

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

引言

近年来，分离式热管因具有其的独特的性能而备受我国学者的关注，进而对分离式热管进行了广泛的基础理论和工程应用研究；如：中船重工711研究所，探讨了分离式热虹吸管组的传热特性；华东船舶工业学院设计了模型，并用实验研究方法讨论了的分离式热管换热器的传热性能；东北大学开展了大量的理论研究和实验探索，讨论了分离式热管充液量的与其传热性能的关系；哈尔滨工业大学[2,3].则创造性的把分离式热管应用到采暖系统，实验结果表明，与传统的热水采暖系统相比，同样性能良好，这些成果为分离式热管的进一步研究指明了方向，为其产品化打下坚实基础。

当前，各个科研院所与厂矿企业对分离式热管的研究多在工业领域，所用的热管温度通常较高，其适宜的工作温度一般都大于200℃；空气调节系统所用的热管大多数在常温下工作，而现有的研究成果与商业产品大多针对于工业领域，而对空调系统所用的常温热管的研究则较少，大多数既有的研究结论通常不适用于常温热管；适用于空调系统的分离式热管工作环境温度不同，采用的工质与换热器材质也不同。为此，本文对常温下分离式热管换热器的换热特性进行研究。

本文采用理论分析与实验研究相结合的方法，对空调用分离式热管换热器进行优化研究。本文的主要研究内容如下：

1. 分离式热管换热器入口送风温度和送风速度对换热效果的影响；

2. 确定分离式热管换热器的最优充液率范围；

3. 分离式热管换热器的温度分布特性。

分离式热管的工作原理概述

分离式热管是热管的一个改进产品，所谓“分离式”是相对于“整体式”而言。传统的热管蒸发段和冷凝段在一根管子的两端，而分离式热管的蒸发段与冷凝段则是分开布置的，蒸汽上升管与液体下降管把二者连接起来，在重力的作用下自然循环，如图1所示；一定质量的工质被充入分离式热管内，运行时，工质首先沉降

在蒸发段，当热流体流经蒸发段时，工质受热蒸发而变成蒸汽，蒸汽压力不断升高，蒸汽经由蒸汽上升管到达冷凝段，进而分配至各冷凝管，蒸汽在冷凝段被冷流体冷却，冷凝放热而凝结成液体，在重力的作用下，从下降管回到蒸发段。周而复始，实现热量的不间断传递。

图1 分离式热管的结构示意图

分离式热管的蒸发段一定要低于冷凝段，液体下降管与蒸汽上升管之间存在密度剪刀差，分离式热管的运转动力即为该密度差形成的压差；此压差与冷凝段和蒸发段的高差关系紧密，可克服蒸汽流动与液体流动阻力损失，并维持系统的正常运转而不需要额外增加动力。

2实验装置及结论与分析

2.1 实验装置的设计

实验台如图2，由分离式热管换热器、压缩式制冷系统、电气控制系统及数据采集装置组成。

图2 实验台示意图

处理过程如下：离心风机启动后，新风(状态A)经过分离式热管换热器蒸发段后，温度被冷却到状态B，热管蒸发段内的工质被加热到对应温度下的的饱和状态，之后产生沸腾，管内保持恒温蒸发，液体工质变为蒸汽；被热管蒸发段降温后的空气流过压缩制冷循环的蒸发器，空气再次被冷却，同时被除湿，空气温度进一步降为状态C，低温空气作为热管冷凝器的冷源，冷却热管冷凝器内的工质，维持热管的正常运行；低温空气继续向前流动，经过热管冷凝器之后，空气被加热，热管冷凝器内的饱和制冷剂蒸汽被冷却，冷凝成液体，空气变成状态D；随后，空气流经压缩制冷循环的冷凝器，被再次加热后变成状态E，最终送入室内。

2.2 实验装置的构成

2.2.1分离式热管换热器

分离式热管换热器的管排中心间距35mm，管间中心间距40mm，蒸发段与冷凝段均为双排，管排与水平面垂直，风向水平；蒸发段和冷凝段长度均为930mm，宽度720mm，每排由12对Ф16×1mm的紫铜管构成，紫铜管外套0.116mm的薄铝片作为翅片，翅片间距2.0mm；冷凝段与蒸发段的高差为20mm，蒸汽上升管和液体下降管长度均为220mm。

2.2.2离心风机

离心风机用来驱使空气流动，使空气掠过分离式热管换热器，完成换热；风机额定风量为5000m3/h，额定功率1.1kW，全压500Pa。

2.2.3压缩制冷循环

压缩制冷循环选用4HP柔性涡旋压缩机，制冷量为11.5kW；制冷循环将空气过冷，为分离式热管换热器提供循环所必须的冷空气，并且将空气冷却除湿。

2.2.4 测量与数据收集装置

采用热电偶测定温度，热电偶均经过校准，温度收集装置为安捷伦数据采集仪(Agilent BenchLink Data Logger)；由于断面存在温度梯度，若仅取少量测点，则很难反映整个断面的截面温度，故分别在每个断面布置若干测点，然后取其平均值；采用温湿度仪(Datalogging 9651 Humidity Meter)测量温度、相对湿度及风速；各个测量设备都经过标定，误差的影响都在可接受的区域之内。

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2.3实验结论与分析

2.3.1 空气处理过程

空气处理过程如图3，设空调蒸发器入口温度为30℃，经过制冷循环蒸发器冷却除湿后温度降为15℃；当采用分离式热管换热器蒸发段进行预冷后，空气温降为5℃，则制冷循环蒸发器入口(分离式热管换热器出口) 为25℃；由于压缩制冷循环系统并未改变，那么制冷循环蒸发器入口温度降为25℃，出口温度10℃，分

离式热管换热器冷凝段出口温度为15℃，制冷循环冷凝器的出口温度为35℃。

图3 空气处理过程焓湿图

图3中，空气状态点A，B，C，D，E对应的是图3-2中的点。A-B-C-D-E表示空气在分离式热管换热器与制冷循环的共同作用下的冷却除湿过程；A-D’ 表示空气直接被制冷循环蒸发器冷却除湿的过程；A-B-C-D-E处理过程如下：空气由状态A经过分离式热管蒸发器冷却至状态点B，然后经制冷循环蒸发器进一步冷却并除湿至状态C，而后经分离式热管换热器冷凝段加热至状态D，最后经制冷循环冷凝器再热至状态E，送入室内。