空调系统用热管热回收装置的设计与开发

空调系统用热管热回收装置的设计与开发
0引言
随着社会经济发展，建筑能耗占社会总能耗比例
越来越大。

在发达国家，
建筑能耗占总能耗的30%～40%，其中暖通空调能耗占建筑能耗的65%。

我国建
筑能耗占社会总消耗的40%，
其中采暖空调的能耗占建筑总能耗的50%～65%[1]。

同时人们对居住环境的空气品质(IAQ)的关注，势必会加大新风系统能耗。

目前，新风能耗约为空调系统总能耗的25%～30%。

因此，研究空调系统的热回收技术对降低建筑能耗、缓解能源危机具有重要意义。

热管换热技术具有优良的热传导性能、高的可靠性、二次间壁换热、避免冷热流体相互污染、热响应快、启动时间短、热流密度可调节等常规换热技术所不具备的优越性能，近年来被采用到空调热回收系统中的研究得到了很大地发展[2]。

但从已有文献来看，国内研究大都集中在热管的工作原理、工作特性、传热机理等方面，同时由于热管结构形式和运行条件千差万别，热管的应用不能简单地套用，本文通过对热管工作原理、特点、种类、结构形式、材料、工质等内容进行分析，设计开发出适用于空调系统的高效热管热回收装置，为项目顺利开展提供必需的试验设备，同时为空调系统用高效热管热回收装置产品系列化及推
广应用提供样机。

1热管工作原理、特点
热管是一种借助工质的相变进行热传递的换热
元件。

通常由管壳、吸液芯和盖端组成。

管壳可由金属制成，两端封有端盖，管壳内壁可装有吸液芯，将管内抽成负压后充以适量的工作液体后加以密封。

热管的一端为蒸发段(加热段)，中间可布置有绝热段，另一端为冷凝段。

典型的热管结构[3]如图1所示。

图1热管结构原理图
Fig.1Heat pipe structural parameter pattern
热管工作原理是在热管的加热段加热，热管中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体，液态工质在回流驱动力作用下又返回蒸发段，继续蒸发吸热。

如此循环往复，把热量源源不断地从加热段传递到冷却段[3]。

以热管为传热单元的热管换热器同常规换热器
收稿日期：2010-01-25；修回日期：2010-02-03*基金项目：河南省科技攻关项目(0521260022)
空调系统用热管热回收装置的设计与开发*
朱彩霞1，2
，铁占续1，董向元2
(1.河南理工大学，河南焦作450082；2.中原工学院，郑州450007)
摘要：不同使用条件需要不同结构的热管热回收装置，为了设计开发出适用于空调系统使用的高效热管热回收装置，针对热管热回收装置的工作原理、特点、种类、结构形式、材料、工质等内容进行分析，并从技术、经济出发，采用了铜制热管、铝制翅片、正三角形错排、整体平板翅片换热器技术，制造加工出空调系统用高效、倾斜、重力热管热回收装置，并进行了加压检漏试验。

关键词：空调系统；热管；热管热回收装置；设计与开发中图分类号：TU831
文献标志码：A
文章编号：1673-7237(2010)03-0023-04
Design and Development of Heat Pipe Heat Recovery Facility in Air-conditioning System
ZHU Cai-xia 1,2,TIE Zhan-xu 1,DONG Xiang-yuan 2
(1.Henan Polytechnic University,Jiaozuo 450082,Henan,China;2.Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)
Abstract:Varied structural styles of heat pipe heat recovery
facility are required for different service condition.And the working princi －ple,characteristic,assorting,structural styles,materials,mediator and so on are analyzed for heat pipe heat recovery facility in order to design and develop the effective heat pipe heat recovery facility in air-conditioning system.According to the technology and economy analysis,Cu heat pipe,Al fin,regular triangle staggered arrangement,integrality flat plate exchange technology are adopted,the heat pipe heat recovery facility of effective,declivity and gravitation in air-conditioning system is produced ，and the compression leak experiment is finished.
Key words:air-conditioning system ；heat pipe ；heat pipe heat recovery facility ；design and development
■暖通与设备
HEATING VENTILATION &EQUIPMENT
建筑节能
2010年第3期(总第38卷第229期)
No.3in 2010(Total No.229，Vol.38)doi ：10.3969/j.issn.1673-7237.2010.03.009
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相比，具有一些独特优点[4]，主要表现在：
(1)传热效率高，热管换热器是以热管本体为传热单元，具有很高的导热性，强化了传热；
(2)热管内部是基于相变原理工作的，热响应快，传热量大，启动时间短；
(3)热管的热力循环是在一个独立元件中完成的，没有附加外部力；
(4)等温性能好，管壁温度可调，可在较小的热气流温差驱动下进行外部热交换；
(5)热管换热器的体积小、质量轻，单位质量换热量大，这些特点客观上能满足空调回收能量中的气一气热交换的要求。

2热管热回收装置类型分析及选择
凝结液的回流驱动力有重力、吸液芯毛细抽吸力、还有重力加毛细抽吸力、离心力、渗透压力等，据此将热管分为以下类型[3]：
(1)吸液芯热管：依靠毛细抽吸力(表面张力)回流工作液，它在宇航事业的应用中非常成功；
(2)重力热管(或称两相闭式热虹吸管)：依靠重力回流工作液，壳体内壁不装设吸液芯层。

凝结液从凝结段回流到蒸发段不是依靠吸液芯所产生的毛细力，而是依靠凝结液自身的重力。

它在地面的各种应用中一般被优先考虑采用；
(3)重力辅助热管：依靠毛细抽吸力加上重力回流工作液，同样也要求凝结段置于蒸发段的上方；
(4)旋转热管：依靠离心力回流工作液体，通常用在转动设备上。

除此之外尚有依靠极化电流体动力学力、渗透压力等回流冷凝液的热管，它们一般在特殊场合下才得到应用。

其中，二相闭式热虹吸管又称重力热管，其原理图如图2所示，与普通热管不同的是热管管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不是靠吸液芯所产生的毛细力，而是靠冷凝液自身的重力，由于重力热管内没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管相比，不仅结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠，因此，在地面上的各类传热设备中都可作为高效传热元件，其应用领域也与日俱增，已在各行各业的热能综合利用和余热回收技术中，发挥了巨大的作用。

基于以上优点，空调用热管热回收装置拟采用重力热管作为热回收装置的基本传热部件。

图2重力热管原理简图
按照冷、热流体的状态，热管换热器可分为气—气式、气—液式、液—液式、液—气式。

对于通风空调系统来说，热管换热器应属于气—气式[4]。

从热管换热器结构型式来看，工业用热管换热器又可分为整体式、分离式、回转式和组合式。

整体式热管换热器是由许多单根同一类型的热管组成的，热管外
侧覆盖翅片，热管数量的多少取决于换热量的大小。

根据热管换热器的传热特点，它最适宜于气—气之间的换热。

因为它在冷、热段均可加翅片来扩展传热面积，大大提高以管基为基准的传热系数。

它也可作为气—液换热器，此时只需在烟气侧加翅片，以增强传热，但是，对液—液之间的换热，热管换热器并不能显示出它的优点。

分离式热管换热器的蒸发段和冷凝段相互分开，蒸汽上升管和冷凝液下降管将二者连接成一个循环回路。

其循环动力为下降管系统(包括冷凝段)与上升管系统(包括蒸发段)中工作介质的密度差，当冷凝段与蒸发段的高度差大于最小高度差时，即可实现工质的循环。

由于分离式热管换热器将冷热源的位置分开，有利于新排风的管路设计。

回转式热管换热器有2个显著优点：①借助转动的离心力来实现工作液体循环，同时转动促使气流的搅动，增强传热，这对含尘较多的气体更为有效；②这类换热器兼有送风机的功能。

回转式热管换热器可分为离心式、轴流式和涡流式。

组合式热管换热器则是根据换热器中所处的温度段不同，而选择充有不同工作液体的热管。

将热管分为高温、中温及低温段，适用于温度跨度大的场合。

回转式热管换热器由于增加了转动机构，故结构复杂，另外还增加了动力消耗。

而分离式热管换热器的结构同样比较复杂，并且它的蒸发段与冷凝段的位置固定，因此，如何将其与空调系统的新风、排风管连接以实现全年工况下的排风能量回收是其要解决的主要问题[5]。

通过以上分析比较得知，整体式换热器结构简单，热管采用重力热管，通过在热管换热器端部设置支架，调节热管的倾斜方向，能方便的实现全年工况下的空调排风能量回收，因此，空调系统热回收装置主要采用以重力热管作为主要的换热部件的整体式换热器。

3结构设计
热管热回收装置结构，如图3。

本次设计开发的
图3热管式空调热回收装置
Fig.3The heat pipe heat recovery facility in air-conditioning system
冷凝段蒸发段
Q输出
Q 输入24
热管热回收装置共由热管、外壳、翅片3部分组成；而热管包含蒸发段、绝热段和冷凝段3部分。

由于热管采用重力回流，冷凝段应高于蒸发段，热管安装时应保持一定倾角，保证满足热回收的工质能有效回流。

热管的外侧流动的介质是空气，为了提高其传热系数，在空气侧需要布置翅片，翅片应与热管连接成一体，保持连接性能良好和较小的换热热阻，换热性能好。

4材料选择[3]
热管外壳的作用是把工质与外界隔开，因此，要具有防漏、耐压的功能，并能向工质传热以及把工质的热量传出，且价廉易得。

按照对壳体的要求：
(1)与工质有良好的化学相容性，以免产生不凝结气体和腐蚀，影响热管的传热；
(2)热导率高；
(3)承压性能好，机械强度高，易于机械加工；
(4)与工质有良好的浸润性。

考虑到与热管工质的相容性，本项目研究采用铜管作为空调热回收装置中热管的外壳材料。

考虑到铝具有传热效率高、结构紧凑、轻巧、适应性范围广等特性，选择铝制翅片。

但由于铝可以和水反应生成不凝性气体，故铝制板翅均需经氧化处理。

热回收装置的外壳部分则采用钢板焊接制作。

5热管工质选择
热管工质选择一般考虑以下原则[5]：
(1)工作液体应适应热管的工作温度区，并有适当的饱和蒸汽压；
(2)工作液体与壳体、吸液芯材料应相容，且应具有良好的热稳定性；
(3)工作液体应具有良好的综合热物理性质,要求液体的输运因子、热导因子较高，还要考虑液体在工作温度下的过热度；
(4)其他原则包括经济性、毒性、环境污染等。

热管工质的选择主要取决于热管的工作温度：
T V=(T1+nT2)/(1+n)(1)式中：T V为热管工作温度，℃；T1为热管蒸发段管外流体的温度，℃；T2为热管冷凝段管外流体的温度，℃；n为热管换热修正系数，由于是气—气型热管换热器，且由于两侧流体和管长接近，n的取值为1。

以郑州地区为例，夏季室外空调计算空气干球温度为35.6℃；空调回风空气干球温度为26℃，根据公式(1)可确定热管管内工作温度T V为30～35℃。

按各种工质的工作温度范围来看，R-134a、R-22、乙醇、甲醇、丙酮、水都是可选的工质。

但是，在这个区域内，R-134a和R-22饱和压力跨度太大，因此，这里不选用。

水具有很高的输运因子和热导因子，但一般不建议在近室温条件下采用水作为工质，因为饱和蒸汽压太小，气流非常稀薄，传热容易受声速极限的制约；另外，这种温度条件下，水的过热度太大，传热易受沸腾极限制约。

甲醇具有一定的毒性，最终确定选择丙酮作为热管工质。

其主要热物理参数见表1。

6热管热回收装置的设计与开发[6]
6.1管外径的选择
采用小直径热管可以降低热管换热器的成本，提高其紧凑性，同时，较小的管径将导致较高的流动阻力和削弱热管的传热能力。

国家标准[7]对无管芯重力热管铝管材的管径和壁厚规格有相应的规定，如表2所示。

因此，管外径应锁定在中等管径的范围内[8]。

6.2翅片参数的选择
热管两端冷热气流都是气态，因此，冷凝段和蒸发段都需设置翅片，根据加工工艺要求选择合适的翅片参数。

6.3热管冷、热两侧长度的选择
应用于空调系统的低温热管换热器的冷、热段流体均为空气，而且流量大致相等，因此，该热管换热器内的热管冷、热两侧长度比选择1：1[9]。

6.4管子排列方式的选择
除了阻力损失要求比较苛刻的条件下，应该先考虑叉排方式[10]。

叉排时的对流换热系数较顺排时高，积灰情况较顺排时好，但摩擦因数也比顺排时高。

因此，低温热管换热器设计时热管排列方式选用叉排。

6.5管间距的选择
对于叉排管束，增加横向管间距，换热的增强并不显著(约为3%)，但纵向管间距的减小却引起换热的明显增加(约为20%)，管束压力将随着管间距的增加而减小[10]。

故可根据工程实际的要求适当选取较小的管间距。

6.6横向管排数的确定
根据热管换热器的设计原则和工程实际要求即可确定横向管排数。

表2热管外形尺寸(mm)
Tab.2The appearance dimension of heat pipe(Unit:mm)
管外径1012141620253038壁厚 1.0 1.5 2.0 3.0
1.5
2.0 2.5
3.5
4.0
根据以上要求，考虑到实际状况以及加工成本，热管热回收装置采用热管外径为16mm的铜管，热管排列采用正三角形错排方式；翅片为铝翅片，并采
表1丙酮主要热物理参数
Tab.1Chief thermal parameter of Acetone
饱和压力/Pa输运因子/(W/m2)热导因子/[W/(m3·K)]
20℃40℃20℃40℃20℃40℃丙酮56.25铝、铜、不锈钢0.27×1050.60×10531.997×10632.442×106 5.791×106 5.667×106工质正常沸点/℃相容壳体材料
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用整体平板翅片换热器技术。

空调系统用热管换热器外型尺寸取决于处理风量，而处理风量根据空调系统的排风量确定；为了便于分析，设定热管换热器新风、排
风量均为450m3/h。

依据上述分析和设计条件，可得出热管换热器结构设计参数，如表3、4所示。

表3管外扩展表面具体参数(mm)
Tab.3The detail parameter of heat pipe expansion surface(Unit:mm)
光管内径光管外径翅片厚度翅片间距
15.3160.3 2.5
表4热管换热器结构设计参数
Tab.4The structural design parameter of heat exchanger with heat pipe 名称单位数值热管外径/mm16
热管壁厚/mm0.35蒸发段有效长度mm250
冷凝段有效长度mm250
横向管间距mm32
横向排数—10
纵向管间距mm38
纵向每排根数根6
总热管数根60
长mm700换热器外形尺寸宽mm340
高mm300
为保证换热效果，热管采用以下制作过程：①清洗制作热管需要的板翅式换热器和铝翅片，彻底去除表面固体颗粒、油渍和氧化物；
②按图焊接好60个单体热管；③热管的检漏；④将热管连接成热管系统，再一次进行检漏；⑤热管抽真空，做压力保持试验；⑥充入工质。

热管的制作过程需要注意的有工质与热管管体的相容性和热管压力保持。

为了保证热管管体不与工质反应，热管制作所用的材料均做了氧化处理，并且在焊接后对热管再清洗后将管内外烘干，用纸封口，防止内部残留焊接物。

在热管制作过程中，需要2次做加压检漏工作。

热管单体焊接后，分别放入水中，用加压机连接热管一端的接管，另一端接管密封好，
然后加压不超过热管承压的2倍，看水中是否有水泡产生，如果有则表示焊接密封不好，对冒水泡处作标记；如果没有，表示热管不漏气。

标记的地方需做进一步密封处理，如用硅胶等密封材料密封。

需要注意的是，在做加压试验时，热管单体要用金属板夹住并机械固定防止加压使热管变形。

水温不宜过高。

系统连接好后还要用真空泵抽所需的真空，之后关闭真空阀阀门。

每隔几个小时观察真空表读数，若36h以上保持压力不变表示不漏气；如果漏气需对系统作检漏试验。

根据设计参数及制作步骤过程，加工制作的空调系统用热管式换热器回收装置如图4所示。

图4空调系统用热管式热回收装置
Fig.4The heat recovery facility with heat pipe in air-conditioning system 7结论
(1)空调系统用高效热管式热回收装置可采用重力热管作为热回收装置的换热基本部件；
(2)热管由蒸发段、绝热段和冷凝段3部分组成，绝热段应用保温材料保温密封，以避免送风侧和排风侧空气相互干扰；
(3)采用了整体翅片换热技术，保证了连接性能良好和较小的换热热阻，换热性能较好，同时使热管的结构更加紧凑，从而简化了设计和制作过程；
(4)试验中采用了加压检漏手段，用真空泵抽真空并用密封材料填塞设备接缝来保证热管内部的真空度，以保证换热效果。

参考文献：
[1]周景民,孙世梅,孙慧晶.热管技术在暖通空调领域中应用与发展前景[J].长春工业大学学报(自然科学版),2007(7):1-7.
[2]李玉娜,范晓伟,朱彩霞.空调系统中热管技术的应用[J].中原工学院学报,2007(4):17-22.
[3]庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业出版社,2000.
[4]罗清海,汤广发,龚光彩,等.热管技术在通风空调节能中的应用[J].
煤气与热力,2005(2):72-75.
[5]季阿敏,孟庆海.热管在空调节能中应用探讨[J].哈尔滨商业大学学报(自然科学版),20O5(l0):641-648.
[6]张曦,顾平道,李英娜.空调系统热管换热器的优化设计[J].建筑热能通风空调,2006(8):47-49.
[7]GB9082.1-1988,无管芯重力热管铝管材[S].
[8]胡建根,吴存真,胡亚才.大型热管空气预热器设计中热管外径选择的研究[C]//第五届国际热管会议论文译文集,1984:157-162.
[9]苏俊林,郝玉福,王奎玉.热管热/冷段长度比的探讨[C]//第五届国际热管会议论文译文集,1984:163-165.
[10]蒋章焰,马同泽.气－气热管换热器设计中的一些问题[J].工程热物理学报,1985:255-262.
作者简介：朱彩霞(1966)，女，河南永城人，教授，暖通专业，从事暖通空调节能新技术研究(zhucaixia66@/doc/0f18639947.html,)。

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