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(biāo)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(jié)約能源的任務(wù)依舊艱巨,節(jié)約能源也一直是全球共同的奮斗目標(biāo),因此,節(jié)能技術(shù)成為降低能耗的關(guān)鍵?近年來,熱管因其具有很高的熱傳導(dǎo)能力得到重點的關(guān)注和發(fā)展?在微電子?能源和一系列工業(yè)領(lǐng)域提高熱交換器熱性能方面,熱管技術(shù)已得到越來越多的應(yīng)用?熱管換熱器(HPHE)作為熱管技術(shù)的優(yōu)秀代表產(chǎn)物廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域?熱管換熱器也因其突出的性能優(yōu)勢在空調(diào)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用處于快速發(fā)展中,應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域的熱管換熱器不僅結(jié)構(gòu)小巧而且換熱效率高,雖然應(yīng)用空調(diào)系統(tǒng)熱管換熱器前期投入相比傳統(tǒng)的換熱器偏高,但其節(jié)能效益巨大,綜合指數(shù)更高,因此得到廣泛關(guān)注?近年來,熱管換熱器的模擬研究也一直在不斷推進(jìn),模擬研究更加高效便捷的輔佐著試驗研究,兩者的結(jié)合使得熱管換熱器的發(fā)展更加順利?

1熱管換熱器系統(tǒng)的介紹

熱管是具有很高有效導(dǎo)熱率的兩相傳熱設(shè)備,熱管可以嵌入金屬板中進(jìn)行換熱,也可以與散熱片組裝在一起來進(jìn)行流體傳熱?由于高的熱傳導(dǎo)能力,帶有熱管的熱交換器在處理高熱通量方面相比傳統(tǒng)的熱交換器體積小得多?用于熱回收設(shè)備的熱管換熱器旨在回收顯熱?與傳統(tǒng)方法相比,使用熱管換熱器的優(yōu)勢在于,可以在相當(dāng)長的距離內(nèi)通過較小的橫截面?zhèn)鬏敶罅康臒崃?/span>,而無需向系統(tǒng)輸入任何額外的功率(除了用于驅(qū)動氣流的風(fēng)扇外)以及設(shè)計簡單和易于制造?

基于熱管換熱器的諸多優(yōu)點,對于熱管換熱器的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的重視,目前對熱管系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括:熱管換熱器的尺寸及參數(shù)設(shè)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(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著熱管換熱器的熱性能?熱管換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)的影響

熱管管徑的影響:當(dāng)其他參數(shù)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(nèi),換熱量的增加與管徑的變化呈近似線性關(guān)系,當(dāng)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(shè)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(shù)目減少,附加的擴(kuò)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(dāng)翅片高度繼續(xù)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(nèi)的充液量首先要保證換熱器在工作時不會出現(xiàn)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(dǎo)致不穩(wěn)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(rèn)為,最恰當(dāng)?shù)某湟毫渴鞘构軆?nèi)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(tài),他們對此進(jìn)行試驗研究,得到的結(jié)果是,最佳充液率為v=20%~33%,其中V為液體的容積與蒸發(fā)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?cè)莘e的18%~20%?國內(nèi)的一些資料表明,熱虹吸管的充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的10%~20%范圍內(nèi)為宜?

3熱管換熱器的研究與應(yīng)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(gòu)成熱管換熱器,以水為工質(zhì),對熱管換熱器進(jìn)行性能實驗研究?試驗結(jié)果顯示,當(dāng)換熱器效率在37%~65%之間時,應(yīng)盡量避免兩側(cè)流體熱容量相近,否則不利于換熱導(dǎo)致?lián)Q熱效率低?

Mukherjee和Patarikar提出了多孔介質(zhì)孔隙率和分布阻力兩個新型概念,為今后常規(guī)熱管的模擬研究打下了堅實的理論基礎(chǔ),奠定了熱管換熱器數(shù)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(jìn)行試驗來確定HVAC管道系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(shè)計進(jìn)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(jié)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行除濕過程進(jìn)而預(yù)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(huán)過程,得出回收廢熱的熱管系統(tǒng)的性能?在該模型中,預(yù)測了冷凝和蒸發(fā)過程的整體性能?研究表明,CFD建模能夠通過熱管換熱器預(yù)測除濕溶液的熱性能?

Hassan等在計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)上通過模擬研究在風(fēng)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(jìn)行了模擬?結(jié)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(shù)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(yīng)用

Nole-Baghban和Majideian在醫(yī)院的的廢熱回收系統(tǒng)中應(yīng)用了熱管換熱器?應(yīng)用前他們先進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真,并在丙酮?水?甲醇三種工質(zhì)的比較中最后選擇甲醇作為工質(zhì),設(shè)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(shù)等方法對提高換熱效率有著至關(guān)重要的作用?

MostafaA等將熱管熱交換器用于熱回收系統(tǒng)中,以冷卻空調(diào)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(tǒng)的熱性能和效率?首先,新鮮空氣之間的質(zhì)量流量之比分別為1?1.5和2.3,以調(diào)節(jié)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(jié)果表明,新鮮空氣和回風(fēng)的溫度變化隨著新鮮空氣入口溫度的升高而增加?當(dāng)入口新鮮空氣溫度增加到40℃時,蒸發(fā)器和冷凝器的效率和熱傳遞也增加到約48%?質(zhì)量流量比對效率的影響在蒸發(fā)器側(cè)為正,而在冷凝器側(cè)為負(fù)?隨著新鮮空氣入口溫度的增加,熱回收和常規(guī)空氣混合之間的焓比增加到約85%?結(jié)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(jié)語

熱管換熱器與傳統(tǒng)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(tǒng)換熱器更加精湛,前期投入較多,但其背后的節(jié)能效益是更加可觀的?本文也通過實際的研究與應(yīng)用驗證了熱管換熱器的熱性能及換熱效率是更優(yōu)的?熱管換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)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(jié)合也是一個重要的研究方向,充分利用可再生能源,進(jìn)行能源轉(zhuǎn)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(fā)展空間,國內(nèi)外對于熱管換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究還存在一定的局限性,熱管換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對提高熱管換熱器的熱性能有至關(guān)重要的作用?不斷探索結(jié)構(gòu)上的改變,在不同的系統(tǒng)中有不同的節(jié)能效果,設(shè)計出不同類型的熱管換熱器與不同的系統(tǒng)相匹配,做到“量身定做”般的高度契合,將節(jié)能降耗作為始終堅持的目標(biāo)?

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