脉动热管的应用

脉动热管用于空调系统排风余热(冷)回收初探

东华大学韩洪达杨洪海尹世永周亚素甘长德摘要：分析了现有热管换热器在空调系统排风余热回收中的应用特点及问题。对新型脉动热管应用于空调系统排风余热回收进行了初步试验,结果表明该新型装置可以启动运行,并回收热量,但效率较低,需要进一步改进结构。

关键词：脉动热管空调系统余热回收可行性

在建筑物的空调负荷中,新风负荷一般占20%~30%[1]。利用排风中的余冷或余热来处理新风,可以减少处理新风所需的能量,提高空调系统的经济性。另一方面,室内空气质量(IAQ)也越来越受重视。使用排风热回收装置,可以在节能的同时增加室内的新风量,提高室内空气质量。随着《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)[2]的实施,回收空调系统排风能量成为了一种重要的建筑节能途径。

热管由于具有传热系数大、热传递速度快、温降小、结构简单和易控制等特点,近年来在空调余热回收系统中得到了广泛应用[3-11]。本文在分析现有热管换热器在空调系统排风余热回收中应用的特点及问题的基础上,介绍一种新型脉动热管,并对其在空调系统排风余热回收中的应用作了尝试性研究。

1·现有热管换热器在空调系统排风余热回收中的应用特点及问题分析

热管换热器有三种不同形式:重力式[3-4]、分离式[5-6]及毛细热管式[7-10]。

重力式热管换热器技术成熟,使用最为普遍。但是,重力式热管的工作原理要求冷凝段的安装位置必须高于蒸发段,适合于冷源在上、热源在下的场合。由于夏季室外新风温度高、室内排风温度低,而冬季情况正好相反,因此重力式热管换热器需要在冬夏两季都使用时,需随季节转换交替更换进、排风口相对于热管的位置,存在换季需换向的麻烦[11]。

分离式热管换热器是在重力式热管换热器基础上改进而成的。在空间布局上可根据需要灵活地布置热管的蒸发段和冷凝段,可实现远距离传输热量;冷、热源完全隔离,不存在相互污染,与重力式热管换热器相比具有更强的工程适应性。但是,分离式热管的工作原理仍然要求冷凝段的安装位置必须高于蒸发段。

毛细热管式换热器主要依靠吸液芯的毛细作用来传递热量,因而其布置形式比较灵活,既可以竖直安装,又可以水平安装。竖直安装时,冷凝段布置在蒸发段的上方或下方或一样高都不会影响其运行性能。但是,毛细热管式换热器具有结构复杂、成本较高的缺点,限制了其推广应用。

2·脉动热管技术及其特点分析

脉动热管作为热管家族的新成员,具有结构简单、传热性能好、能随意弯曲等优点,近年来得到了越来越广泛的研究,其应用领域不断扩大[12-17]。图1为脉动热管的结构示意图,它由一根细长的金属圆管(直径1~5 mm)弯曲而成。脉动热管的运行原理和传热特性与传统热管有很大的不同。由于其通道很细,在表面张力的作用下,通道中将随机形成许多长度不等的液塞和气塞,在热作用下,气、液塞在加热段和冷却段之间作一种不稳定的、方向随机的脉动流动,从而实现热传递。

脉动热管内部无需吸液芯材料,因而结构简单。更为可贵的是,对脉动热管的结构和设计参数进行优化后,其运行性能基本不受重力的影响,因此它可以在微(无)重力场、反重力场等场合下良好运行。这就意味着经过合理设计的脉动热管,可以按照现场需要灵活布置,既可以竖直安装(冷凝端布置在蒸发端的上方或下方),也可以水平安装,还可以任意弯曲形状以适应环境需要[12,14,18]。将它应用于空调系统的排风余热回收,既可保持现有重力式热管及分离式热管换热器的优点,还解决了这两种热管换热器换季需换向的问题。

3·脉动热管应用于空调系统排风余热回收的初步实验研究及结果分析

图2为笔者设计的脉动热管式空调排风余热回收装置实验台示意图。热回收装置外部尺寸540 mm×490 mm×240 mm,传热部分由若干组(每组含较多弯头)脉动热管组成,以R134a为工作介质,充液率为50%。作为初步实验,本文研究安装角度为10°且采用底部加热方式的装置的运行性能。实验在实验室内进行,人工模拟空调房间的进、排风温度条件。

为研究脉动热管热回收装置的热回收性能,引入显热效率E(即温度效率)作为冷热量回

收指标。其定义为热回收装置的实际换热量与理论最大换热量之比,计算公式如下[19-20]:

式中ms为送风量;mmin为送风及排风中风量较小的一个;t1,t2分别为送风进、出口温度;t3为排风进口温度。

本实验控制送风量与排风量相等,因此,ms=mmin,则式(1)可简化为

图3为实验得到的显热效率随送风量及送风进口温度的变化曲线。从图中可以看出:

1)在送风量一定的条件下,随送风进口温度的升高,脉动热管热回收装置的显热效率提高,表明脉动热管已经运行。这是因为脉动热管存在一个最小启动热负荷,如果输入热量过小,热管内不能产生足够多的蒸气泡,脉动热管就无法启动运行,当输入热量超过最小启动负荷时,脉动热管启动并运行,系统热阻会随热负荷的增加而降低,相应地,装置的热回收效率得到提高。

2)在送、排风进口温度不变的条件下,随着风量的增加,脉动热管热回收装置的显热效率下降。这是因为风速较高时,空气在热回收装置内停留的时间较短,来不及充分换热即被排出,但风速过低则需要较大的设备体积,所以有必要选定一个最佳风速,使整个装置运行最优化。

3)热回收装置的整体换热效率不高,这是由于设计的脉动热管间距较大并且没有安装肋片。

4·结论与展望

4.1热管是高效传热元件,可以用来回收空调系统排风中的余热或余冷,在节能降耗的同

时,还可以增加新风量,改善室内空气质量。

4.2脉动热管作为热管家族的新成员,具有结构简单、传热性能好、能随意弯曲等优点,可能比现有的热管换热器更适合空调系统的排风余热回收。

4.3对笔者设计的脉动热管式空调系统排风余热回收装置进行初步实验研究的结果表明,该装置可以启动运行并回收热量,但热回收效率较低。下一步,笔者拟改进试件结构,完善实验台,提高装置的整体换热效率,比较系统地进行空调及热工基础问题研究。