一種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器的初探

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1 引言

　　1942年，美國的一位汽車工程師就發(fā)明了熱管，20世紀60年代初，它被原子能協(xié)會與國家航天部門用于冷卻飛船與核反應(yīng)堆，20世紀70年代，熱管換熱器作為全新風(fēng)系統(tǒng)中的熱能回收裝置而最終在暖通行業(yè)中體現(xiàn)出其優(yōu)越性。熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的傳熱元件，具有以下基本特征：⑴很高的導(dǎo)熱性。⑵優(yōu)良的等溫性。⑶熱流密度可變性。⑷熱流方向的可遞性。⑸熱二極管及熱開關(guān)性能。⑹恒溫特性（可控?zé)峁埽?。⑺環(huán)境的適應(yīng)性。與常規(guī)換熱技術(shù)相比，熱管技術(shù)之所以能不斷受工程界歡迎，是因其具有如下的重要特點：⑴熱管換熱設(shè)備較常規(guī)設(shè)備更安全、可靠、可長期連續(xù)運行。⑵熱管管壁的溫度可調(diào)性。⑶冷熱段結(jié)構(gòu)位置布置靈活。⑷熱管換熱設(shè)備效率高，節(jié)能效果顯著。

　　隨著科學(xué)水平的不斷提高，熱管研究和應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴寬，新能源的開發(fā)，電子裝置芯片冷卻，筆記本電腦CPU冷卻及大功率晶體管，可控硅元件，電路控制板的冷卻，化工，動力，冶金，玻璃，輕工，陶瓷，制冷空調(diào)等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將促進熱管技術(shù)的進一步發(fā)展。尤其是在制冷空調(diào)行業(yè), 由于冷熱流體間溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，使之成為實現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗，高效率，冷熱源多樣性，走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)之一。

2 熱管技術(shù)在暖通空調(diào)中的應(yīng)用

2.1 熱管技術(shù)在空調(diào)熱回收上的應(yīng)用

　　空調(diào)系統(tǒng)的能量回收是進行空調(diào)節(jié)能的內(nèi)容之一。在商業(yè)建筑中，大部分空調(diào)回風(fēng)經(jīng)冷卻和再熱后作為送風(fēng)輸送到空調(diào)房間，而其它部分的回風(fēng)則排出。同時，大量新鮮空氣經(jīng)處理后進入空調(diào)房間，由于新、回風(fēng)需經(jīng)冷熱處理，排風(fēng)帶走大量能源，因而，研究空調(diào)系統(tǒng)熱回收對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能具有極其重要的意義。目前，國內(nèi)用于回收排風(fēng)能量的裝置以全熱交換器為主，已研制出相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪式換熱器，板翅式換熱器和盤管熱環(huán)式換熱器等。該類設(shè)備盡管回收效率高，但制造工藝復(fù)雜，造價高，且進、排風(fēng)之間存在交叉污染，不適合于醫(yī)院及產(chǎn)生有害氣體的空調(diào)房間，若利用顯熱熱交換器，則進、排風(fēng)溫差?。ㄒ话悝=10℃左右），勢必要加大換熱面積，同時也給風(fēng)道連接帶來許多不便。熱管由于熱傳遞速度快，傳遞溫降小，結(jié)構(gòu)簡單和易控制等特點，因而將廣泛應(yīng)用與空調(diào)系統(tǒng)的熱回收和熱控制。熱管換熱器在空調(diào)節(jié)能方面的應(yīng)用已引起國外廣泛的關(guān)注，以排風(fēng)量為35000m3/min的采暖用空氣預(yù)熱為例，排氣溫度由40℃降到22℃，新風(fēng)溫度可由0℃預(yù)熱到8℃，其回收熱量為459.976kj/h。

2.2 熱管技術(shù)在房間空調(diào)器上的應(yīng)用

　　現(xiàn)有房間空調(diào)器在潮濕地區(qū)使用時,因其除濕量較小,相應(yīng)除去的潛熱負荷亦較小,而潮濕地區(qū)，潛熱負荷在總熱負荷中所占的比例較大。因此，房間內(nèi)的空調(diào)效果并不理想，不能很好地創(chuàng)造出室內(nèi)舒適環(huán)境，針對潮濕地區(qū)空調(diào)總熱負荷中潛熱負荷所占比例較大這一問題，文獻(3)中提出，在不改變房間空調(diào)器原有配置的壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器及毛細管的情況下，加上重力式熱管換熱器。這樣可以顯著地增加空調(diào)器的除濕量，并使空調(diào)器的出風(fēng)濕度適宜，結(jié)果使空調(diào)器的除濕量增加30﹪—40﹪。而空調(diào)器的制冷量和功耗基本不變,所需熱管換熱器換熱面積不超過蒸發(fā)器換熱面積的2倍。熱管換熱器在空調(diào)器上布置可行，且不會使空調(diào)器的總體積增加很多。

　　熱管—空調(diào)器組合系統(tǒng)在冬季用于回收排風(fēng)熱量，減少空調(diào)器負荷,達到節(jié)能的目的。在夏季，可提高空調(diào)系統(tǒng)制冷能力和去濕能力，完全或部分取消再熱負荷,節(jié)省系統(tǒng)能耗，達到提高舒適度的目的?？照{(diào)器結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，熱管和蒸發(fā)器合為一體的換熱器可以很方便地應(yīng)用于窗式,柜式空調(diào)和除濕機中。從人體舒適度的角度來看，熱管空調(diào)能以更為舒適的送風(fēng)來滿足人體舒適度的要求。

2.3熱管供暖系統(tǒng)

　　隨著建筑向多層化發(fā)展，這樣就給現(xiàn)有鋼制散熱器的承壓能力帶來問題，為了提高承壓能力，解決氧腐蝕,近年來，陸續(xù)出現(xiàn)了一些熱管散熱器形式，并成為散熱器開發(fā)的一個熱點。對比普通水熱媒散熱器，熱管散熱器有以下特點：⑴表面溫度均勻。⑵沒有普通散熱器容易出現(xiàn)氧化腐蝕。⑶所需熱媒量大為減少，可大為節(jié)省輸送動力消耗，簡化輸送管道系統(tǒng)。⑷不受水壓力制約，安裝方便靈活，維護工作量少。

　　此外，由于熱管本身所具有的眾多特點，如均溫性，熱流密度可以變化，熱二極管特性等，使其在太陽能的利用和地?zé)豳Y源開發(fā)中具有極為廣泛的應(yīng)用前景。熱管型集熱器成為太陽能集熱的一種重要形式，由此發(fā)展的太陽能空調(diào)也具有廣闊的應(yīng)用前景。而熱管技術(shù)和地源熱泵相結(jié)合，可以使地源熱泵技術(shù)揚長避短,投資更省,效率更高，適應(yīng)性更強。

3 熱管及熱管換熱器的工作原理

　　典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，在抽成真空的管子里充以適當?shù)墓ぷ饕?，靠近管子?nèi)壁貼裝吸液芯，再將其兩端封死即成熱管。熱管既是蒸發(fā)器又是冷凝器，如圖1所示。從熱流吸熱的一端為蒸發(fā)段，工質(zhì)吸收潛熱后蒸發(fā)汽化，流動至冷流體一端即冷凝段放熱液化，并依靠毛細力作用流回蒸發(fā)段，自動完成循環(huán)，熱管換熱器就是由這些單根熱管集裝在一起，中間用隔板將蒸發(fā)段與冷凝段分開的裝置，熱管換熱器無需外部動力來促使工作流體循環(huán)，這是它的一個主要優(yōu)點。

圖1 熱管及熱管換熱器

4 新型熱管換熱器結(jié)構(gòu)及其工作原理

4.1結(jié)構(gòu)

　　熱管按結(jié)構(gòu)形式的不同,大致可分為三種不同的情形:整體式吸液芯熱管,整體式熱虹吸管(重力熱管),分離式熱管。

　　整體式吸液芯熱管是熱管的一般形式,一般所講的熱管就是指這種熱管,凝液靠吸液芯的毛細作用回流,不依靠重力場的作用,在失重情況下也能工作,這就是其工作特點。 吸液芯熱管換熱器作為能量回收裝置可同時實現(xiàn)夏天回收冷量和冬天回收熱量。無需改變氣流方向和管道布置。

　　重力熱管的特點為:傳熱具有單向性,凝液靠重力回流,冷凝段必須置于蒸發(fā)段之上,由于它沒有吸液芯,結(jié)構(gòu)更加簡單,制造容易,而且工作性能不低于吸液芯熱管,空調(diào)通風(fēng)的應(yīng)用熱能為低位熱能,所使用的熱管多為重力式低溫?zé)峁?。因?熱管換熱器在作為熱回收系統(tǒng)或冷回收系統(tǒng)使用時,凡屬可能應(yīng)優(yōu)先采用重力式熱管換熱器。

　　分離式熱管用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的能量回收,巧妙的利用分離式熱管的特點,即可避免大流量氣體遷移導(dǎo)致的復(fù)雜管路設(shè)計,又能有效回收排風(fēng)中的低品味能量,減少制冷/熱設(shè)備的制冷/熱量,從而達到節(jié)能的目的。同時,分離式熱管相互串通的管件較多,一旦某處出現(xiàn)泄露,就會導(dǎo)致整排組件或整個換熱器功能的喪失,這些都是設(shè)計和應(yīng)用上需認真對待的。

　　熱管換熱器是由許多單根熱管組成,熱管在運行時，一般把迎面風(fēng)速限制在2-3m/s范圍內(nèi)，風(fēng)速過高會導(dǎo)致壓力降過大和動力消耗增加，風(fēng)速過低會導(dǎo)致管外傳熱系數(shù)降低，管子傳熱性得不到發(fā)揮?？照{(diào)用熱管換熱器屬于氣-氣熱管換熱器，為提高氣體的換熱系數(shù)往往采取在管外加翅片的方法，這樣就能大大提高換熱能力，從而減少所需熱管數(shù)目。表1給出了空調(diào)及工業(yè)中常用的規(guī)格參數(shù)可供設(shè)計參考。

表1 翅片管常用參數(shù)

使用場合參數(shù)

參數(shù)

空調(diào)及一般工業(yè)

工業(yè)大型裝置

備注

管長/mm

610—4880

3000—6000

1-1.23為有色金屬煙氣側(cè),一般3-6

管子外徑/mm

8—25.4

32—51

壁厚/mm

1—1.2,1.65

2.5—6

翅片數(shù)/(片/mm)

8,11,14

3 或6

翅片高度/mm

12.5—14

15,25

翅片厚度/mm

0.17—1.58

1.27—2

管排數(shù)

3,4,5,6,7

6,7,12

管子排列方式

錯列(多)順列(少)

　　本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)根據(jù)實際工作環(huán)境結(jié)合各方面如效率、占地面積、成本、維修、淋水裝置布置等各方面進行綜合考慮,以選出最優(yōu)布置方法。

4.2工作原理

　　間接蒸發(fā)冷卻是通過各類型的換熱器來實現(xiàn)的，主要類型有:⑴板式⑵管式。在這里,提出將熱管換熱器用于間接蒸發(fā)冷卻技術(shù)，形成熱管型間接蒸發(fā)冷卻器，并在熱管一端包覆吸水材料，加設(shè)噴淋裝置，這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器簡圖如圖2所示。

　　以夏季為例，夏季室內(nèi)溫度低于室外溫度，室外新風(fēng)（一次空氣）流經(jīng)流道1即蒸發(fā)段，促使工作液蒸發(fā)，帶走汽化潛熱，室內(nèi)排氣（二次空氣）流經(jīng)流道2即冷凝段，蒸汽因蒸發(fā)段與冷凝段間的飽和壓力差使蒸汽流到冷凝段中，同時釋放潛熱，如此不斷循環(huán)，在室外新風(fēng)側(cè)實現(xiàn)干冷效果。

　　在冷凝段，淋水裝置向熱管噴淋水，為提高蒸發(fā)速度，加強換熱效率，在熱管冷凝段包覆吸水材料，由此加大接觸面積。若采用具有較強的吸放濕能力及保濕性能好的吸水材料，就能使與水膜相鄰的飽和水蒸氣迅速排出,加快冷凝段的蒸發(fā)速率，更快地釋放熱能。因吸水材料具有的保濕性，就無需連續(xù)不斷地向熱管冷凝段噴淋水，這樣就大大減少了動力消耗。

　　冬季,室內(nèi)排風(fēng)溫度大于室外新風(fēng),因此可利用室內(nèi)排風(fēng)對室外新風(fēng)進行預(yù)熱，因熱管(換熱器除重力式)具有可逆性,冬、夏季可用同一管道便可實現(xiàn)預(yù)熱和預(yù)冷,而無需修改管道,也無需改變氣流方向。

圖2熱管型間接蒸發(fā)冷卻器簡圖

5 性能對比

5.1熱管換熱器和其它形式的對比

　　熱管換熱器和管式換熱器比較如表2，熱管換熱器與其它回收換熱器的對比如表3,其中所用相對評比數(shù)RN,其值從0到5,最佳特性為5,最差特性為0。

表2熱管換熱器與管式換熱器比較

參數(shù)

單位

熱管換熱器

管殼式換熱器

尺寸

mm

777(高)×914(長)×2289(寬)

φ600×2500

性

能

給氣流量

m3（標準）/min

3951

3951

給氣溫度

℃

15-230

15-230

給氣壓降

Pa-

120

120

排氣流量

m3（標準）/min

3136

3136

排氣溫度

℃

420-146

420-146

排氣壓降

Pa-

120

330

其它

需要增壓鼓風(fēng)機

表3熱管換熱器與其它換熱器的比較

類型

壓降

傳熱系數(shù)

維修

價格

輔助動力

交錯污染

單位體積的傳熱面積

總計

RN

RN

RN

RN

RN

RN

RN

RN

再生式

中(3)

高(4)

高(2)

高(2)

有(0)

有(0)

高(4)

15

管殼式

高(2)

高(4)

中(3)

中(3)

無(5)

無(5)

低(2)

24

輔助流體式

低(4)

低(2)

高(2)

高(2)

有(0)

無(5)

中(3)

18

板翅式

低(4)

中(3)

中(3)

高(2)

無(5)

無(5)

很高(5)

27

熱管式

低(4)

高(4)

很高(5)

中(3)

無(5)

無(5)

高(4)

30

　　由表可見, 熱管換熱器的最后相對評比數(shù)RN比其它同類換熱器RN值都高,由此顯示了熱管換熱器的優(yōu)越性。

5.2 冷凝段有無淋水裝置的性能對比

　　熱管換熱器冷凝段若有淋水裝置就構(gòu)成了熱管間接蒸發(fā)冷卻器。

　　文獻(5)對此系統(tǒng)給出了詳細的結(jié)果。如表4，選取5排,11片/英寸的熱管,處理新風(fēng)量為60000ft3/m(101520m3/h)

表4

設(shè)計數(shù)據(jù)

夏季排氣無噴淋

夏季排氣噴淋

室外空氣干球/濕球℃

33.9/15

33.9/15

室外空氣量m3/h

101520

101520

回風(fēng)干球/濕球℃

25/15.4

25/15.4

回風(fēng)量m3/h

91368

91368

送風(fēng)干球℃

29.1

21.4

排氣干球℃

30.2

19.9

送風(fēng)側(cè)Pa

169.38

166.89

排氣側(cè)Pa

149.45

199.27

效率

0.578

0.674

回收量w

131882

340254

制冷量(ton)

37.5

96.75

　　由表可見,通過向熱管噴水,熱交換效率從58.7%提高到67.4%,制冷量從131881.5瓦提高到1161000瓦,額外增加了59.25噸對室外空氣進行干冷卻的能力。但水的處理、噴嘴的維護、熱管表面的無機物沉積是這類系統(tǒng)必須加以考慮的。

6 結(jié)論

　?、艧峁苁且环N靠自身內(nèi)部的傳熱工質(zhì)在一個高真空的封閉殼體內(nèi)不斷循環(huán)相變傳遞熱量的高效傳熱元件。本文提出的這種新型熱管間接蒸發(fā)冷卻器所消耗的能量僅為風(fēng)機和循環(huán)水泵的能耗，與常規(guī)機械制冷相比，是一種無需輔助動力的空氣冷卻裝置，同時又是一種很好的節(jié)能裝置，通過使用這種裝置可實現(xiàn)冬天回收排風(fēng)中的熱量來預(yù)熱新風(fēng)，夏天回收排風(fēng)中的冷量來預(yù)冷新風(fēng)，是一種新型高效的換熱設(shè)備。

　?、圃诶淠伟参艥衲芰姷奈牧?，并加設(shè)淋水裝置，在夏季運行時能大大提高蒸發(fā)速度及換熱效率，提高對新風(fēng)側(cè)的干冷卻效果。

　　⑶因吸水材料具有保濕性，故無需進行連續(xù)不斷的淋水，只需對間接蒸發(fā)冷卻設(shè)備中的包覆管間歇性供水。由此進一步降低能耗。

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