热管换热器及其在热动方面的应用

热管换热器及其在热动方面的应用

李永祥方慧李广成冯世成苏勒德李嘉欣于继琳

内蒙古上都发电有限责任公司内蒙古自治区锡林郭勒027200

摘要：热管换热器具有传热系数大，重量轻等多种优点，不仅在工业节能减排方面有重要作用，也可将其运用于日常生活中，例如在汽车座椅通风换热方面有较大的应用价值，由此可见其在生活中也有很大的应用前景。

关键词：热管换热器；热动方面；应用

前言

中国的能源消耗量逐年增长，2019年我国的能源消耗量为48.6亿t标煤，比上年增长3.3%。我国的能耗增长率虽逐年降低，但能源消耗量依旧巨大，节约能源的任务依旧艰巨，节约能源也一直是全球共同的奋斗目标，因此，节能技术成为降低能耗的关键。近年来，热管因其具有很高的热传导能力得到重点的关注和发展。在微电子、能源和一系列工业领域提高热交换器热性能方面，热管技术已得到越来越多的应用。热管换热器（HPHE）作为热管技术的优秀代表产物广泛应用于工业领域。热管换热器也因其突出的性能优势在空调领域的研究和应用处于快速发展中，应用于空调领域的热管换热器不仅结构小巧而且换热效率高，虽然应用空调系统热管换热器前期投入相比传统的换热器偏高，但其节能效益巨大，综合指数更高，因此得到广泛关注。

1热管换热器概述

1.1热管换热器结构

热管换热器装置主要由设备外壳、热管元件及低温、高温气体进出装置连接口组成。设备外壳主要为钢结构，下半部为高温气体通道，上半部为低温气体通道，中间用管板进行分隔。

1.2超导热管的工作原理

超导热管是热管换热器装置的主要热传导元件，超导热管的换热效率很高，这是任何一种普通热交换器无法达到的。上半部通过低温气体,下半部通过高温气体,中间有隔板分开实现气体分割，互不干扰。高温气体由下半部通向热管换热器，由左边通道通向热管换热器蒸发段,高温气体通过热管时，热管内的介质将热量传导到热管的上半部，热管下部的介质吸热，高温气体经过热管后温度下降。低温气体通过热管的上半部，介质放热将低温气体加热，使低温气体温度升高。根据设计选择适量的超导热管，组成热管换热器装置,安装排风口和进风口，将回风中的热量吸收，并通过传热介质将热量高速传导至热管换热器上部，回风高温气体温度降低；降低温度后的回风通过热管换热器上部，将传热介质中的热量吸收进行预热，再经过空调进一步升温到合适的温湿度送到空间，利用超导热管换热原理，可将通过超导热管的高温回风气体进行余热回收，降低能源消耗，实现节能减耗。

2热管换热器的研究与应用

2.1热管换热器的理论研究

选用90根重力热管按正三角叉排的排列方式垂直布置构成热管换热器，以水为工质，对热管换热器进行性能实验研究。试验结果显示,当换热器效率在37%~65%之间时,应尽量避免两侧流体热容量相近,否则不利于换热导致换热效率低。多孔介质孔隙率和分布阻力两个新型概念，为今后常规热管的模拟研究打下了坚实的理论基础，奠定了热管换热器数值模拟研究的理论基石，为热管换热器在余热回收方面提供了良好的条件。进行试验来确定HVAC管道系统中热管换热器的有效性和热回收值。热管换热器是无源模块，可在HVAC系统中提供能量回收功能。在试验研究中，热管换热器模块由42个热管组成，在蒸发器和冷凝器部分装有120个波浪状翅片。HPHE模块通过三排配置设计进行了测试，入口气流温度为28℃、30℃、35℃、40℃和45℃。气流速度也以1m/s、1.5m/s和2m/s的速度变化。结果表明，在三排配置中，入口温度最多降低了10.3℃。此配置的HPHE有效性值也介于47.9%~54.4%之间。在进气速度和温度分别为1m/s和45℃时，可获得最高效率值（54.4%）。在2m/s的进气速度下，最高的热管换热器热回收值为5368W，热管换热器的有效等级为51.7%。

2.2热管换热器的模拟研究

使用CFD模拟热管换热器进行除湿过程进而预测除湿液热性能的方法。建立了一种热模型，用于模拟家用电器的干燥循环过程，得出回收废热的热管系统的性能。在该模型中，预测了冷凝和蒸发过程的整体性能。研究表明，CFD建模能够通过热管换热器预测除湿溶液的热性能。在计算流体力学的基础上通过模拟研究在风冷换热器中使用脉动热管（PHP）代替散热片对换热过程的影响。选用R134a为工作流体，在不同的空气流速和温度下进行了模拟。结果表明，使用脉动热管作为散热片对改善热传递具有显著作用。在自然对流的情况下，与翅片相比，使用热管可获得更好的性能，并且在最佳情况下，总传热系数提高了310%。在强制对流的情况下，这种改善约为263%。

2.3热管换热器的实际应用

在医院的的废热回收系统中应用了热管换热器。应用前他们先进行了数值模拟仿真,并在丙酮、水、甲醇三种工质的比较中最后选择甲醇作为工质,设计并制造了工作温度10%~55℃的气—气热管换热器。他们通过试验得出使用翅片管以及增加热管行数等方法对提高换热效率有着至关重要的作用。将热管热交换器用于热回收系统中，以冷却空调中传入的新鲜空气。热管换热器连接两股新鲜空气和回流空气，以研究热回收系统的热性能和效率。首先，新鲜空气之间的质量流量之比分别为1、1.5和2.3，以调节新鲜空气的传热和温度变化。新鲜空气入口温度已控制在32~40℃，而入口回流空气温度保持恒定在约26℃。结果表明，新鲜空气和回风的温度变化随着新鲜空气入口温度的升高而增加。当入口新鲜空气温度增加到40℃时，蒸发器和冷凝器的效率和热传递也增加到约48%。质量流量比对效率的影响在蒸发器侧为正，而在冷凝器侧为负。随着新鲜空气入口温度的增加，热回收和常规空气混合之间的焓比增加到约85%。结果表明，在新鲜空气入口温度接近热管的流体工作温度时，该效率接近最佳效率。

结束语

热管换热器与传统的翅片换热器相比具有更高的换热效率，虽然热管换热器的工艺要求相比于传统换热器更加精湛，前期投入较多，但其背后的节能效益是更加可观的。本文也通过实际的研究与应用验证了热管换热器的热性能及换热效率是更优的。热管换热器在空调领域的应用要重点解决换热器夏季与冬季工况变化时如何使得热管换热器实现全年工况运行，如果解决了这一问题将会降低很大一部分的建筑能耗，从而使我国的能源消耗量降低。除此之外，将热管换热器与可再生能源相结合也是一个重要的研究方向，充分利用可再生能源，进行能源转换完全符合国家的政策与号召。热管换热器的研究还有很大的发展空间，国内外对于热管换热器结构的设计研究还存在一定的局限性，热管换热器的结构优化设计对提高热管换热器的热性能有至关重要的作用。不断探索结构上的改变，在不同的系统中有不同的节能效果，设计出不同类型的热管换热器与不同的系统相匹配，做到“量身定做”般的高度契合，将节能降耗作为始终坚持的目标。

参考文献：

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