热管技术与建筑节能(Ⅱ)———热管节能设计

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-15 9:46:38 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:换热器 热管 热管换热器

考察热管换热技术在建筑热回收及节能中的技术适用性及其与工业应用的差异;对节能工程设计中的热管换热器结构形式、材料选择、最佳充液率等一般性工程问题作了系统分析,为实际设计提供方法论指导。
    关键词:热管换热;建筑节能;充液率;工质

 

LOU Qing-hai,TANG Guang-fa,GONG Guang-cai,LIU Di,GUO Yan-jie

(College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)


    Abstract:The paper investigates the discrepancy between technical & industrial applicability of heat pipe exchangers in building heat recovery and energy conversation,systematically analyses the universal engineering problems in the design of energy-saving engineering,such as structural style,material option,working fluid and filling ratio,and so on.This will be the guide for practical design.
Key words:heat pipe heat exchanger;energy-saving in buildings;filling ratio;working fluid

0 引言
热管换热技术具备优良的热传导性能、二次间壁换热、热流密度可调节等等普通换热技术所不具备的优越性能,因而在工业换热和回收节能等方面获得广泛应用,在冶金、化工、建材、动力等行业有很多成功应用实例[1,2]。由于热管结构形式和运行条件千差万别,热管在建筑节能上的应用不能简单套用以工业应用为背景的方法和理论体系。本文旨在分析热管技术在建筑节能中的适用性,并对热管节能设计中的热管换热器结构形式、材料选择、最佳充液率等参数的确定等一般性问题进行较系统的分析,为实际工程设计提供方法论指导。

1 热管技术在建筑节能中的适用性特征
用于建筑能源回收的热管属于常温热管,相对于普通换热器具备以下优点[1,2]
(1)效率高,节能效果显著。热管内部主要靠工质相变传热,热阻小,在小温差传热方面具有很强的适应性,但传热能力受到传热极限等因素的制约。
(2)热管的管壁温度具有可调性。可以独立改变蒸发段和冷凝段的热流密度。
(3)热二极管与热开关性能。在不利条件下可以终止热交换的进行,从而避免热损失。
(4)二次间壁换热。可以避免新风与回风间的交叉污染。
(5)环境适应性强。结构和位置布置可以非常灵活,适应各种复杂场合。

2 热管在建筑节能与工业应用中的差异
热管在建筑节能中的应用,其工况条件与工业应用有很大差异,因此在设计和应用上不能简单套用工业节能应用的方法和理论体系。这样差异的主要体现如表1所示。



3 节能设计中的一些问题
3.1 热管换热器形式的选择
    按热管换热器结构形式的不同,大致可以分为三种:整体式经典热管换热器、整体式热虹吸管换热器、分离式热虹吸管换热器。
3.1.1 整体式经典热管换热器
经典热管是应用和研究历史最长的一种,其热传递存在着一系列的传热极限,限制热管传热的物理现象为毛细力、声速、携带、沸腾、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等,这些传热极限与热管的结构、工作介质、工作温度等有关[2]。毛细极限是最有普遍意义的一种[1],对于适当网目数的吸液芯,增加其层数,可以提高热管的传热能力和毛细极限,但是,当增加到一定层数,由于蒸汽通道减小,传热能力有可能受声速极限和携带极限的制约[3]。另外,经典热管的生产工艺复杂,成本较高。
3.1.2 整体式热虹吸管换热器
热虹吸热管没有吸液芯结构,凝液在重力作用下回流,其传热机理与经典热管有所不同,传热极限主要有携带极限、干涸极限和沸腾极限。影响热虹吸管传热性能的因素很多,其中充液量和倾角最为重要。关于倾角的影响,针对不同的工质和热虹吸管的长径比,实验结果有所不同,这是由于工质的物理性质使得重力对其传热流动过程的影响差异所致。总的来说,在其他工况不变的情况下,倾斜角在20°~40°之间会获得较好的传热效果,进一步加大倾角,传热量的变化比较平坦[4]
热虹吸管在实际使用中,其最大传热能力往往受限于携带极限,因此在热管结构上减少汽-液间的相互作用成为强化传热的重点,除了通过机器加工、电镀、腐蚀、激光等方法在热管内表面形成槽道[5]、多孔结构外,更简便而又有效的途径则是具有内插件的热虹吸管,即内插开孔抑泡管[6]、溢流同心导管[6]、内置热管[7]、内置分流管[8]等。
热虹吸管生产工艺简单,普通换热器厂家都可生产,因而成本较低。
但也有实验结果显示[9],对于铜-水热管,有吸液芯结构的热管,其传热性能比没有吸液芯的重力热虹吸管高得多,在相对于水平面的倾角分别为36°、60°和90°时,传热能力前者比后者分别提高55%、25%和70%;实验也同时显示,无吸液芯结构热管在启动后,达到稳定工作状态所需要的时间短。
3.1.3 分离式热虹吸管换热器
分离式热虹吸管由于其结构的独特性,管内蒸汽与液体同向流动,故而不存在携带限,限制其传热能力的主要有烧干限、声速限和冷凝限。从分离式热管内部的运行机理来看,实际上它是一个汽水自然循环系统,只有当冷凝段和蒸发段达到一个最小高度差Hmin,足以克服各段循环阻力,这时蒸发段出口截面含汽率x0=1,工质循环倍率K=1,即认为达到最佳工作点。由于分离式热虹吸管换热器每排热管组件的工作点不同,必须按照每排热平衡计算的结果逐排校核其汽水动力循环,使热管换热器运行在最高效率状态[2]
分离式热虹吸管换热器与整体式热管换热器比较,具有以下特点:
(1)可以根据需要方便灵活地布置热管的蒸发段和冷凝段,实现较远距离的热量传输;
(2)受传热极限的制约较少,可以实现更高热流密度的传输;
(3)冷、热源完全隔离,不存在相互污染的危险。
同时,分离式热虹吸管换热器相互串通的管件较多,一旦某一处出现泄漏,就会导致整排组件或整个换热器功能的丧失,在设计和应用上需要认真考虑。
3.2 热管充液率的确定
影响热管传热性能的因素很多,其中充液量最为重要。
对于重力热虹吸管,Imura[10]得到的最佳充液率V′=1/5~1/3,Harada[11]等提出V′=0.25~0.30最为合适,Feldma[12]得出最佳充液量为热虹吸管总容积的18%~20%。
充液量是影响分离式热管效果的最重要因素之一[13-17]。对于分离式热虹吸管,研究者们各自得出的结果差异较大,其值为28%~95%不等,其中有较多的结论认为70%左右最为合适。由于分离式热管蒸发段或冷凝段组件的温度变化不是连续的,其工作点、传热特性亦不同,如果整台换热器都充以固定的充液量,势必难以发挥热管的高效率。
值得注意的是,由于热管传热机理的复杂性,研究者们的实验手段、分析方法等有所不同,得出的结论也会有所差异,而且这些研究大多数以工业应用为背景,对于工程应用并不具有广泛意义,因此建议在实际的工程应用中,可在参考相关文献的基础上,通过实验方法确定最佳充液量、倾角以及其他有关的设计、运行参数。
3.3 换热器材料的选择
材料的选择包括管壳材料、吸液芯材料、工作液体的选择[1,2],本文主要分析有关工质选择的一些问题,一般应考虑以下一些原则[1,2,18]
(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,要求液体的输运因素大,同时液体的热导因素也大,还要考虑液体在工作温度下的过热度;
    (4)其他如经济性、毒性、环境污染等。
    近室温条件下,几种工质的主要热物理参数如表5所示。


尽管水具有很高的输运因素和热导因素,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,蒸汽流非常稀薄,传热容易受声速极限的制约;另外认为,这种温度条件下,水的过热度太大,传热易受沸腾极限制约。[19,20]

4 结论
(1)热管换热技术在建筑能源回收和节能中有很好的适用性,具有效率高、结构紧凑、形式多样、布置灵活、适用性强等优点。
(2)热虹吸热管的传热极限主要有携带极限、干涸极限和沸腾极限。影响热虹吸管传热性能的因素很多,其中充液量和倾角最为重要。
(3)分离式热管各排蒸发段或冷凝段组件的温度变化并不是连续的,其工作点、传热特性亦不同,如果整台换热器都充以固定的充液量,势必难以发挥热管的高效率。
(4)热管的传热机理复杂,在建筑节能上应用时不能简单套用工业应用中的方法和理论体系,实际工程应用中应在参考相关文献的基础上,进行适当的模型实验,以确定有关参数最佳值。

 

Heat pipe heat exchangers & energy efficiency in buildings(Ⅱ) ———design principles of heat pipes



上一页:小知识:烧结式热管介绍
下一页:蜂窝热管平板式太阳能热水器的实验研究

评论

发表评论
[ 字号大小: ] [ 加入收藏 ] [ 打印 ] [ 关闭 ]

地址:哈尔滨市南岗区哈军工院内 电话:0451-83027338 传真:0451-82552085 厂长:黄峰 手机:13946031568