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热管换热器的研究现状与应用

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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。近年来,热管换热器的模拟研究也一直在不断推进,模拟研究更加高效便捷的辅佐着试验研究,两者的结合使得热管换热器的发展更加顺利。

1热管换热器系统的介绍

热管是具有很高有效导热率的两相传热设备,热管可以嵌入金属板中进行换热,也可以与散热片组装在一起来进行流体传热。由于高的热传导能力,带有热管的热交换器在处理高热通量方面相比传统的热交换器体积小得多。用于热回收设备的热管换热器旨在回收显热。与传统方法相比,使用热管换热器的优势在于,可以在相当长的距离内通过较小的横截面传输大量的热量,而无需向系统输入任何额外的功率(除了用于驱动气流的风扇外)以及设计简单和易于制造。

基于热管换热器的诸多优点,对于热管换热器的研究越来越受到国内外学者的重视,目前对热管系统的主要研究内容包括:热管换热器的尺寸及参数设计、热管换热器的换热性能、热管换热器的模拟研究等。

2热管换热器热性能研究

热管换热器的结构参数直接影响着热管换热器的热性能。热管换热器的主要结构参数有:热管管径、翅片间距、翅片高度、热管充液量等。

2.1热管换热器参数的影响

热管管径的影响:当其他参数不变时,随着热管管径的增加,其换热面积也会增加,因此换热量随之增加。在一定管径范围内,换热量的增加与管径的变化呈近似线性关系,当管径增加到一定程度时,换热量的变化率效逐渐减小,即对换热量的影响变小。

翅片间距的影响:热管换热器加设翅片是增强换热的强有力的手段。随着翅片间距的逐渐增大,单位长度上翅片数目减少,附加的扩展面积减小,因此换热量减少。

翅片高度的影响:热管换热器的换热量随翅片高度的增加而呈明显增加趋势,而当翅片高度继续增加,换热量的增幅会突然减小。翅片高度提高换热量的能力是有限度的,一旦超过限度反而会影响传热效果。

2.2充液量的影响

充液量对热管换热器换热影响的研究大多偏重于试验研究。热管内的充液量首先要保证换热器在工作时不会出现干涸情况,其次还要保证一定的液池高度。但充液量过大会导致不稳定传热,因此充液量的多少是影响热管换热器换热效率的重要因素。

Imura等认为,最恰当的充液量是使管内汽液混合物的高度等于或略大于加热段的高度,这样可使热管有最好的工作状态,他们对此进行试验研究,得到的结果是,最佳充液率为v=20%~33%,其中V为液体的容积与蒸发段容积之比。Harada等提出V=0.250.30为合适。Feldman得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18%~20%。国内的一些资料表明,热虹吸管的充液量为热虹吸管总容积的10%~20%范围内为宜。

3热管换热器的研究与应用

3.1热管换热器的理论研究

Noie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。

MukherjeePatarikar提出了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。

Syahrul等进行试验来确定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℃45℃。气流速度也以1m/s1.5m/s2m/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/s45℃,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%

3.2热管换热器的模拟研究

Song等提出了一种使用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。

Hassan等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%

3.3热管换热器的实际应用

Nole-BaghbanMajideian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。

MostafaA等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11.52.3,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℃,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。

4结语

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。

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