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(diǎn)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(yàn)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(diǎn),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(qiáng)換熱的強(qiáng)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(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)研究?試驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)制對流的情況下,這種改善約為263%?

3.3熱管換熱器的實(shí)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(yàn)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(shí)際的研究與應(yīng)用驗(yàn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)全年工況運(yùn)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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