中國的能源消耗量逐年增長,2019年我國的能源消耗量為48.6億t標煤,比上年增長3.3%?我國的能耗增長率雖逐年降低,但能源消耗量依舊巨大,節約能源的任務依舊艱巨,節約能源也一直是全球共同的奮斗目標,因此,節能技術成為降低能耗的關鍵?近年來,熱管因其具有很高的熱傳導能力得到重點的關注和發展?在微電子?能源和一系列工業領域提高熱交換器熱性能方面,熱管技術已得到越來越多的應用?熱管換熱器(HPHE)作為熱管技術的優秀代表產物廣泛應用于工業領域?熱管換熱器也因其突出的性能優勢在空調領域的研究和應用處于快速發展中,應用于空調領域的熱管換熱器不僅結構小巧而且換熱效率高,雖然應用空調系統熱管換熱器前期投入相比傳統的換熱器偏高,但其節能效益巨大,綜合指數更高,因此得到廣泛關注?近年來,熱管換熱器的模擬研究也一直在不斷推進,模擬研究更加高效便捷的輔佐著試驗研究,兩者的結合使得熱管換熱器的發展更加順利?
1熱管換熱器系統的介紹
熱管是具有很高有效導熱率的兩相傳熱設備,熱管可以嵌入金屬板中進行換熱,也可以與散熱片組裝在一起來進行流體傳熱?由于高的熱傳導能力,帶有熱管的熱交換器在處理高熱通量方面相比傳統的熱交換器體積小得多?用于熱回收設備的熱管換熱器旨在回收顯熱?與傳統方法相比,使用熱管換熱器的優勢在于,可以在相當長的距離內通過較小的橫截面傳輸大量的熱量,而無需向系統輸入任何額外的功率(除了用于驅動氣流的風扇外)以及設計簡單和易于制造?
基于熱管換熱器的諸多優點,對于熱管換熱器的研究越來越受到國內外學者的重視,目前對熱管系統的主要研究內容包括:熱管換熱器的尺寸及參數設計?熱管換熱器的換熱性能?熱管換熱器的模擬研究等?
2熱管換熱器熱性能研究
熱管換熱器的結構參數直接影響著熱管換熱器的熱性能?熱管換熱器的主要結構參數有:熱管管徑?翅片間距?翅片高度?熱管充液量等?
2.1熱管換熱器參數的影響
熱管管徑的影響:當其他參數不變時,隨著熱管管徑的增加,其換熱面積也會增加,因此換熱量隨之增加?在一定管徑范圍內,換熱量的增加與管徑的變化呈近似線性關系,當管徑增加到一定程度時,換熱量的變化率效逐漸減小,即對換熱量的影響變小?
翅片間距的影響:熱管換熱器加設翅片是增強換熱的強有力的手段?隨著翅片間距的逐漸增大,單位長度上翅片數目減少,附加的擴展面積減小,因此換熱量減少?
翅片高度的影響:熱管換熱器的換熱量隨翅片高度的增加而呈明顯增加趨勢,而當翅片高度繼續增加,換熱量的增幅會突然減小?翅片高度提高換熱量的能力是有限度的,一旦超過限度反而會影響傳熱效果?
2.2充液量的影響
充液量對熱管換熱器換熱影響的研究大多偏重于試驗研究?熱管內的充液量首先要保證換熱器在工作時不會出現干涸情況,其次還要保證一定的液池高度?但充液量過大會導致不穩定傳熱,因此充液量的多少是影響熱管換熱器換熱效率的重要因素?
Imura等認為,最恰當的充液量是使管內汽液混合物的高度等于或略大于加熱段的高度,這樣可使熱管有最好的工作狀態,他們對此進行試驗研究,得到的結果是,最佳充液率為v=20%~33%,其中V為液體的容積與蒸發段容積之比?Harada等提出V=0.250.30為合適?Feldman得到的最佳充液量為熱虹吸管總容積的18%~20%?國內的一些資料表明,熱虹吸管的充液量為熱虹吸管總容積的10%~20%范圍內為宜?
3熱管換熱器的研究與應用
3.1熱管換熱器的理論研究
Noie選用90根重力熱管按正三角叉排的排列方式垂直布置構成熱管換熱器,以水為工質,對熱管換熱器進行性能實驗研究?試驗結果顯示,當換熱器效率在37%~65%之間時,應盡量避免兩側流體熱容量相近,否則不利于換熱導致換熱效率低?
Mukherjee和Patarikar提出了多孔介質孔隙率和分布阻力兩個新型概念,為今后常規熱管的模擬研究打下了堅實的理論基礎,奠定了熱管換熱器數值模擬研究的理論基石,為熱管換熱器在余熱回收方面提供了良好的條件?
Syahrul等進行試驗來確定HVAC管道系統中熱管換熱器的有效性和熱回收值?熱管換熱器是無源模塊,可在HVAC系統中提供能量回收功能?在試驗研究中,熱管換熱器模塊由42個熱管組成,在蒸發器和冷凝器部分裝有120個波浪狀翅片?HPHE模塊通過三排配置設計進行了測試,入口氣流溫度為28℃?30℃?35℃?40℃和45℃?氣流速度也以1m/s?1.5m/s和2m/s的速度變化?結果表明,在三排配置中,入口溫度最多降低了10.3℃?此配置的HPHE有效性值也介于47.9%~54.4%之間?在進氣速度和溫度分別為1m/s和45℃時,可獲得最高效率值(54.4%)?在2m/s的進氣速度下,最高的熱管換熱器熱回收值為5368W,熱管換熱器的有效等級為51.7%?
3.2熱管換熱器的模擬研究
Song等提出了一種使用CFD模擬熱管換熱器進行除濕過程進而預測除濕液熱性能的方法?建立了一種熱模型,用于模擬家用電器的干燥循環過程,得出回收廢熱的熱管系統的性能?在該模型中,預測了冷凝和蒸發過程的整體性能?研究表明,CFD建模能夠通過熱管換熱器預測除濕溶液的熱性能?
Hassan等在計算流體力學的基礎上通過模擬研究在風冷換熱器中使用脈動熱管(PHP)代替散熱片對換熱過程的影響?選用R134a為工作流體,在不同的空氣流速和溫度下進行了模擬?結果表明,使用脈動熱管作為散熱片對改善熱傳遞具有顯著作用?在自然對流的情況下,與翅片相比,使用熱管可獲得更好的性能,并且在最佳情況下,總傳熱系數提高了310%?在強制對流的情況下,這種改善約為263%?
3.3熱管換熱器的實際應用
Nole-Baghban和Majideian在醫院的的廢熱回收系統中應用了熱管換熱器?應用前他們先進行了數值模擬仿真,并在丙酮?水?甲醇三種工質的比較中最后選擇甲醇作為工質,設計并制造了工作溫度10%~55℃的氣—氣熱管換熱器?他們通過試驗得出使用翅片管以及增加熱管行數等方法對提高換熱效率有著至關重要的作用?
MostafaA等將熱管熱交換器用于熱回收系統中,以冷卻空調中傳入的新鮮空氣?熱管換熱器連接兩股新鮮空氣和回流空氣,以研究熱回收系統的熱性能和效率?首先,新鮮空氣之間的質量流量之比分別為1?1.5和2.3,以調節新鮮空氣的傳熱和溫度變化?新鮮空氣入口溫度已控制在32~40℃,而入口回流空氣溫度保持恒定在約26℃?結果表明,新鮮空氣和回風的溫度變化隨著新鮮空氣入口溫度的升高而增加?當入口新鮮空氣溫度增加到40℃時,蒸發器和冷凝器的效率和熱傳遞也增加到約48%?質量流量比對效率的影響在蒸發器側為正,而在冷凝器側為負?隨著新鮮空氣入口溫度的增加,熱回收和常規空氣混合之間的焓比增加到約85%?結果表明,在新鮮空氣入口溫度接近熱管的流體工作溫度時,該效率接近最佳效率?
4結語
熱管換熱器與傳統的翅片換熱器相比具有更高的換熱效率,雖然熱管換熱器的工藝要求相比于傳統換熱器更加精湛,前期投入較多,但其背后的節能效益是更加可觀的?本文也通過實際的研究與應用驗證了熱管換熱器的熱性能及換熱效率是更優的?熱管換熱器在空調領域的應用要重點解決換熱器夏季與冬季工況變化時如何使得熱管換熱器實現全年工況運行,如果解決了這一問題將會降低很大一部分的建筑能耗,從而使我國的能源消耗量降低?除此之外,將熱管換熱器與可再生能源相結合也是一個重要的研究方向,充分利用可再生能源,進行能源轉換完全符合國家的政策與號召?
熱管換熱器的研究還有很大的發展空間,國內外對于熱管換熱器結構的設計研究還存在一定的局限性,熱管換熱器的結構優化設計對提高熱管換熱器的熱性能有至關重要的作用?不斷探索結構上的改變,在不同的系統中有不同的節能效果,設計出不同類型的熱管換熱器與不同的系統相匹配,做到“量身定做”般的高度契合,將節能降耗作為始終堅持的目標?
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