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一种新型热管间接蒸发冷却器的初探 |
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作者：王晓杰 黄翔 武俊梅 |
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1 引言
1942年，美国的一位汽车工程师就发明了热管，20世纪60年代初，它被原子能协会与国家航天部门用于冷却飞船与核反应堆，20世纪70年代，热管换热器作为全新风系统中的热能回收装置而最终在暖通行业中体现出其优越性。热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下基本特征：⑴很高的导热性。⑵优良的等温性。⑶热流密度可变性。⑷热流方向的可递性。⑸热二极管及热开关性能。⑹恒温特性（可控热管）。⑺环境的适应性。与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受工程界欢迎，是因其具有如下的重要特点：⑴热管换热设备较常规设备更安全、可靠、可长期连续运行。⑵热管管壁的温度可调性。⑶冷热段结构位置布置灵活。⑷热管换热设备效率高，节能效果显著。
随着科学水平的不断提高，热管研究和应用领域也将不断扩宽，新能源的开发，电子装置芯片冷却，笔记本电脑CPU冷却及大功率晶体管，可控硅元件，电路控制板的冷却，化工，动力，冶金，玻璃，轻工，陶瓷，制冷空调等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。尤其是在制冷空调行业， 由于冷热流体间温差小，热管技术更能体现其优越性，使之成为实现制冷空调低能耗，高效率，冷热源多样性，走绿色空调之路的现实技术基础之一。
2 热管技术在暖通空调中的应用
2.1 热管技术在空调热回收上的应用
空调系统的能量回收是进行空调节能的内容之一。在商业建筑中，大部分空调回风经冷却和再热后作为送风输送到空调房间，而其它部分的回风则排出。同时，大量新鲜空气经处理后进入空调房间，由于新、回风需经冷热处理，排风带走大量能源，因而，研究空调系统热回收对空调系统节能具有极其重要的意义。目前，国内用于回收排风能量的装置以全热交换器为主，已研制出相应的转轮式换热器，板翅式换热器和盘管热环式换热器等。该类设备尽管回收效率高，但制造工艺复杂，造价高，且进、排风之间存在交叉污染，不适合于医院及产生有害气体的空调房间，若利用显热热交换器，则进、排风温差小（一般Δt=10℃左右），势必要加大换热面积，同时也给风道连接带来许多不便。热管由于热传递速度快，传递温降小，结构简单和易控制等特点，因而将广泛应用与空调系统的热回收和热控制。热管换热器在空调节能方面的应用已引起国外广泛的关注，以排风量为35000m3/min的采暖用空气预热为例，排气温度由40℃降到22℃，新风温度可由0℃预热到8℃，其回收热量为459.976kj/h。
2.2 热管技术在房间空调器上的应用
现有房间空调器在潮湿地区使用时，因其除湿量较小，相应除去的潜热负荷亦较小，而潮湿地区，潜热负荷在总热负荷中所占的比例较大。因此，房间内的空调效果并不理想，不能很好地创造出室内舒适环境，针对潮湿地区空调总热负荷中潜热负荷所占比例较大这一问题，文献(3)中提出，在不改变房间空调器原有配置的压缩机，冷凝器，蒸发器及毛细管的情况下，加上重力式热管换热器。这样可以显著地增加空调器的除湿量，并使空调器的出风湿度适宜，结果使空调器的除湿量增加30﹪—40﹪。而空调器的制冷量和功耗基本不变，所需热管换热器换热面积不超过蒸发器换热面积的2倍。热管换热器在空调器上布置可行，且不会使空调器的总体积增加很多。
热管—空调器组合系统在冬季用于回收排风热量，减少空调器负荷，达到节能的目的。在夏季，可提高空调系统制冷能力和去湿能力，完全或部分取消再热负荷，节省系统能耗，达到提高舒适度的目的。空调器结构简单，制造方便，热管和蒸发器合为一体的换热器可以很方便地应用于窗式，柜式空调和除湿机中。从人体舒适度的角度来看，热管空调能以更为舒适的送风来满足人体舒适度的要求。
2.3热管供暖系统
随着建筑向多层化发展，这样就给现有钢制散热器的承压能力带来问题，为了提高承压能力，解决氧腐蚀，近年来，陆续出现了一些热管散热器形式，并成为散热器开发的一个热点。对比普通水热媒散热器，热管散热器有以下特点：⑴表面温度均匀。⑵没有普通散热器容易出现氧化腐蚀。⑶所需热媒量大为减少，可大为节省输送动力消耗，简化输送管道系统。⑷不受水压力制约，安装方便灵活，维护工作量少。
此外，由于热管本身所具有的众多特点，如均温性，热流密度可以变化，热二极管特性等，使其在太阳能的利用和地热资源开发中具有极为广泛的应用前景。热管型集热器成为太阳能集热的一种重要形式，由此发展的太阳能空调也具有广阔的应用前景。而热管技术和地源热泵相结合，可以使地源热泵技术扬长避短，投资更省，效率更高，适应性更强。
3 热管及热管换热器的工作原理
典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，在抽成真空的管子里充以适当的工作液，靠近管子内壁贴装吸液芯，再将其两端封死即成热管。热管既是蒸发器又是冷凝器，如图1所示。从热流吸热的一端为蒸发段，工质吸收潜热后蒸发汽化，流动至冷流体一端即冷凝段放热液化，并依靠毛细力作用流回蒸发段，自动完成循环，热管换热器就是由这些单根热管集装在一起，中间用隔板将蒸发段与冷凝段分开的装置，热管换热器无需外部动力来促使工作流体循环，这是它的一个主要优点。 
图1 热管及热管换热器
4 新型热管换热器结构及其工作原理
4.1结构
热管按结构形式的不同，大致可分为三种不同的情形:整体式吸液芯热管，整体式热虹吸管(重力热管)，分离式热管。
整体式吸液芯热管是热管的一般形式，一般所讲的热管就是指这种热管，凝液靠吸液芯的毛细作用回流，不依靠重力场的作用，在失重情况下也能工作，这就是其工作特点。 吸液芯热管换热器作为能量回收装置可同时实现夏天回收冷量和冬天回收热量。无需改变气流方向和管道布置。
重力热管的特点为:传热具有单向性，凝液靠重力回流，冷凝段必须置于蒸发段之上，由于它没有吸液芯，结构更加简单，制造容易，而且工作性能不低于吸液芯热管，空调通风的应用热能为低位热能，所使用的热管多为重力式低温热管。因此，热管换热器在作为热回收系统或冷回收系统使用时，凡属可能应优先采用重力式热管换热器。
分离式热管用于空调系统排风的能量回收，巧妙的利用分离式热管的特点，即可避免大流量气体迁移导致的复杂管路设计，又能有效回收排风中的低品味能量，减少制冷/热设备的制冷/热量，从而达到节能的目的。同时，分离式热管相互串通的管件较多，一旦某处出现泄露，就会导致整排组件或整个换热器功能的丧失，这些都是设计和应用上需认真对待的。
热管换热器是由许多单根热管组成，热管在运行时，一般把迎面风速限制在2-3m/s范围内，风速过高会导致压力降过大和动力消耗增加，风速过低会导致管外传热系数降低，管子传热性得不到发挥。空调用热管换热器属于气-气热管换热器，为提高气体的换热系数往往采取在管外加翅片的方法，这样就能大大提高换热能力，从而减少所需热管数目。表1给出了空调及工业中常用的规格参数可供设计参考。表1 翅片管常用参数
备注：1-1.23为有色金属烟气侧，一般3-6 本文提出的这种新型热管间接蒸发冷却器的结构选择应根据实际工作环境结合各方面如效率、占地面积、成本、维修、淋水装置布置等各方面进行综合考虑，以选出最优布置方法。
4.2工作原理
间接蒸发冷却是通过各类型的换热器来实现的，主要类型有:⑴板式⑵管式。在这里，提出将热管换热器用于间接蒸发冷却技术，形成热管型间接蒸发冷却器，并在热管一端包覆吸水材料，加设喷淋装置，这种新型热管间接蒸发冷却器简图如图2所示。
以夏季为例，夏季室内温度低于室外温度，室外新风（一次空气）流经流道1即蒸发段，促使工作液蒸发，带走汽化潜热，室内排气（二次空气）流经流道2即冷凝段，蒸汽因蒸发段与冷凝段间的饱和压力差使蒸汽流到冷凝段中，同时释放潜热，如此不断循环，在室外新风侧实现干冷效果。
在冷凝段，淋水装置向热管喷淋水，为提高蒸发速度，加强换热效率，在热管冷凝段包覆吸水材料，由此加大接触面积。若采用具有较强的吸放湿能力及保湿性能好的吸水材料，就能使与水膜相邻的饱和水蒸气迅速排出，加快冷凝段的蒸发速率，更快地释放热能。因吸水材料具有的保湿性，就无需连续不断地向热管冷凝段喷淋水，这样就大大减少了动力消耗。
冬季，室内排风温度大于室外新风，因此可利用室内排风对室外新风进行预热，因热管(换热器除重力式)具有可逆性，冬、夏季可用同一管道便可实现预热和预冷，而无需修改管道，也无需改变气流方向。
图2 热管型间接蒸发冷却器简图
5 性能对比
5.1热管换热器和其它形式的对比
热管换热器和管式换热器比较如表2，热管换热器与其它回收换热器的对比如表3，其中所用相对评比数RN，其值从0到5，最佳特性为5，最差特性为0。表2 热管换热器与管式换热器比较
 表3热管换热器与其它换热器的比较
类型 | 压降 | 传热系数 | 维修 | 价格 | 辅助动力 | 交错污染 | 单位体积的传热面积 | 总计 | RN | RN | RN | RN | RN | RN | RN | RN | 再生式 | 中(3) | 高(4) | 高(2) | 高(2) | 有(0) | 有(0) | 高(4) | 15 | 管壳式 | 高(2) | 高(4) | 中(3) | 中(3) | 无(5) | 无(5) | 低(2) | 24 | 辅助流体式 | 低(4) | 低(2) | 高(2) | 高(2) | 有(0) | 无(5) | 中(3) | 18 | 板翅式 | 低(4) | 中(3) | 中(3) | 高(2) | 无(5) | 无(5) | 很高(5) | 27 | 热管式 | 低(4) | 高(4) | 很高(5) | 中(3) | 无(5) | 无(5) | 高(4) | 30 |
由表可见， 热管换热器的最后相对评比数RN比其它同类换热器RN值都高，由此显示了热管换热器的优越性。
5.2 冷凝段有无淋水装置的性能对比
热管换热器冷凝段若有淋水装置就构成了热管间接蒸发冷却器。
文献(5)对此系统给出了详细的结果。如表4，选取5排，11片/英寸的热管，处理新风量为60000ft3/m(101520m3/h)表4
 由表可见，通过向热管喷水，热交换效率从58.7%提高到67.4%，制冷量从131881.5瓦提高到1161000瓦，额外增加了59.25吨对室外空气进行干冷却的能力。但水的处理、喷嘴的维护、热管表面的无机物沉积是这类系统必须加以考虑的。
6 结论
⑴热管是一种靠自身内部的传热工质在一个高真空的封闭壳体内不断循环相变传递热量的高效传热元件。本文提出的这种新型热管间接蒸发冷却器所消耗的能量仅为风机和循环水泵的能耗，与常规机械制冷相比，是一种无需辅助动力的空气冷却装置，同时又是一种很好的节能装置，通过使用这种装置可实现冬天回收排风中的热量来预热新风，夏天回收排风中的冷量来预冷新风，是一种新型高效的换热设备。
⑵在冷凝段包覆吸放湿能力强的吸水材料，并加设淋水装置，在夏季运行时能大大提高蒸发速度及换热效率，提高对新风侧的干冷却效果。
⑶因吸水材料具有保湿性，故无需进行连续不断的淋水，只需对间接蒸发冷却设备中的包覆管间歇性供水。由此进一步降低能耗。
参考文献
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⑹黄翔，郭忠民，王敏 新型蒸发冷却空调设计方案初探 西安制冷 2001 2：124-126
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(4/1/2007) |
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