脈動(dòng)熱管用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱(冷)回收初探

東華大學(xué)　韓洪達(dá)　楊洪海　尹世永　周亞素　甘長(zhǎng)德

    摘要：分析了現(xiàn)有熱管換熱器在空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收中的應(yīng)用特點(diǎn)及問題。對(duì)新型脈動(dòng)熱管應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收進(jìn)行了初步試驗(yàn),結(jié)果表明該新型裝置可以啟動(dòng)運(yùn)行,并回收熱量,但效率較低,需要進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)。

    關(guān)鍵詞：脈動(dòng)熱管　空調(diào)系統(tǒng)　余熱回收　可行性

    在建筑物的空調(diào)負(fù)荷中,新風(fēng)負(fù)荷一般占20%~30%[1]。利用排風(fēng)中的余冷或余熱來處理新風(fēng),可以減少處理新風(fēng)所需的能量,提高空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。另一方面,室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAQ)也越來越受重視。使用排風(fēng)熱回收裝置,可以在節(jié)能的同時(shí)增加室內(nèi)的新風(fēng)量,提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。隨著《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2005)[2]的實(shí)施,回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)能量成為了一種重要的建筑節(jié)能途徑。

    熱管由于具有傳熱系數(shù)大、熱傳遞速度快、溫降小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易控制等特點(diǎn),近年來在空調(diào)余熱回收系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[3-11]。本文在分析現(xiàn)有熱管換熱器在空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收中應(yīng)用的特點(diǎn)及問題的基礎(chǔ)上,介紹一種新型脈動(dòng)熱管,并對(duì)其在空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收中的應(yīng)用作了嘗試性研究。

    1·現(xiàn)有熱管換熱器在空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收中的應(yīng)用特點(diǎn)及問題分析

    熱管換熱器有三種不同形式:重力式[3-4]、分離式[5-6]及毛細(xì)熱管式[7-10]。

    重力式熱管換熱器技術(shù)成熟,使用最為普遍。但是,重力式熱管的工作原理要求冷凝段的安裝位置必須高于蒸發(fā)段,適合于冷源在上、熱源在下的場(chǎng)合。由于夏季室外新風(fēng)溫度高、室內(nèi)排風(fēng)溫度低,而冬季情況正好相反,因此重力式熱管換熱器需要在冬夏兩季都使用時(shí),需隨季節(jié)轉(zhuǎn)換交替更換進(jìn)、排風(fēng)口相對(duì)于熱管的位置,存在換季需換向的麻煩[11]。

    分離式熱管換熱器是在重力式熱管換熱器基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的。在空間布局上可根據(jù)需要靈活地布置熱管的蒸發(fā)段和冷凝段,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸熱量;冷、熱源完全隔離,不存在相互污染,與重力式熱管換熱器相比具有更強(qiáng)的工程適應(yīng)性。但是,分離式熱管的工作原理仍然要求冷凝段的安裝位置必須高于蒸發(fā)段。

    毛細(xì)熱管式換熱器主要依靠吸液芯的毛細(xì)作用來傳遞熱量,因而其布置形式比較靈活,既可以豎直安裝,又可以水平安裝。豎直安裝時(shí),冷凝段布置在蒸發(fā)段的上方或下方或一樣高都不會(huì)影響其運(yùn)行性能。但是,毛細(xì)熱管式換熱器具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的缺點(diǎn),限制了其推廣應(yīng)用。

    2·脈動(dòng)熱管技術(shù)及其特點(diǎn)分析

    脈動(dòng)熱管作為熱管家族的新成員,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能好、能隨意彎曲等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了越來越廣泛的研究,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[12-17]。圖1為脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)示意圖,它由一根細(xì)長(zhǎng)的金屬圓管(直徑1~5 mm)彎曲而成。脈動(dòng)熱管的運(yùn)行原理和傳熱特性與傳統(tǒng)熱管有很大的不同。由于其通道很細(xì),在表面張力的作用下,通道中將隨機(jī)形成許多長(zhǎng)度不等的液塞和氣塞,在熱作用下,氣、液塞在加熱段和冷卻段之間作一種不穩(wěn)定的、方向隨機(jī)的脈動(dòng)流動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)熱傳遞。

            
    脈動(dòng)熱管內(nèi)部無需吸液芯材料,因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。更為可貴的是,對(duì)脈動(dòng)熱管的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,其運(yùn)行性能基本不受重力的影響,因此它可以在微(無)重力場(chǎng)、反重力場(chǎng)等場(chǎng)合下良好運(yùn)行。這就意味著經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的脈動(dòng)熱管,可以按照現(xiàn)場(chǎng)需要靈活布置,既可以豎直安裝(冷凝端布置在蒸發(fā)端的上方或下方),也可以水平安裝,還可以任意彎曲形狀以適應(yīng)環(huán)境需要[12,14,18]。將它應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)余熱回收,既可保持現(xiàn)有重力式熱管及分離式熱管換熱器的優(yōu)點(diǎn),還解決了這兩種熱管換熱器換季需換向的問題。

    3·脈動(dòng)熱管應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收的初步實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

    圖2為筆者設(shè)計(jì)的脈動(dòng)熱管式空調(diào)排風(fēng)余熱回收裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖。熱回收裝置外部尺寸540 mm×490 mm×240 mm,傳熱部分由若干組(每組含較多彎頭)脈動(dòng)熱管組成,以R134a為工作介質(zhì),充液率為50%。作為初步實(shí)驗(yàn),本文研究安裝角度為10°且采用底部加熱方式的裝置的運(yùn)行性能。實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,人工模擬空調(diào)房間的進(jìn)、排風(fēng)溫度條件。

           
    為研究脈動(dòng)熱管熱回收裝置的熱回收性能,引入顯熱效率E(即溫度效率)作為冷熱量回收指標(biāo)。其定義為熱回收裝置的實(shí)際換熱量與理論最大換熱量之比,計(jì)算公式如下[19-20]:

    
    式中　ms為送風(fēng)量;mmin為送風(fēng)及排風(fēng)中風(fēng)量較小的一個(gè);t1,t2分別為送風(fēng)進(jìn)、出口溫度;t3為排風(fēng)進(jìn)口溫度。

    本實(shí)驗(yàn)控制送風(fēng)量與排風(fēng)量相等,因此,ms=mmin,則式(1)可簡(jiǎn)化為

    
    圖3為實(shí)驗(yàn)得到的顯熱效率隨送風(fēng)量及送風(fēng)進(jìn)口溫度的變化曲線。從圖中可以看出:

            
    1)在送風(fēng)量一定的條件下,隨送風(fēng)進(jìn)口溫度的升高,脈動(dòng)熱管熱回收裝置的顯熱效率提高,表明脈動(dòng)熱管已經(jīng)運(yùn)行。這是因?yàn)槊}動(dòng)熱管存在一個(gè)最小啟動(dòng)熱負(fù)荷,如果輸入熱量過小,熱管內(nèi)不能產(chǎn)生足夠多的蒸氣泡,脈動(dòng)熱管就無法啟動(dòng)運(yùn)行,當(dāng)輸入熱量超過最小啟動(dòng)負(fù)荷時(shí),脈動(dòng)熱管啟動(dòng)并運(yùn)行,系統(tǒng)熱阻會(huì)隨熱負(fù)荷的增加而降低,相應(yīng)地,裝置的熱回收效率得到提高。

    2)在送、排風(fēng)進(jìn)口溫度不變的條件下,隨著風(fēng)量的增加,脈動(dòng)熱管熱回收裝置的顯熱效率下降。這是因?yàn)轱L(fēng)速較高時(shí),空氣在熱回收裝置內(nèi)停留的時(shí)間較短,來不及充分換熱即被排出,但風(fēng)速過低則需要較大的設(shè)備體積,所以有必要選定一個(gè)最佳風(fēng)速,使整個(gè)裝置運(yùn)行最優(yōu)化。

    3)熱回收裝置的整體換熱效率不高,這是由于設(shè)計(jì)的脈動(dòng)熱管間距較大并且沒有安裝肋片。

    4·結(jié)論與展望

    4.1熱管是高效傳熱元件,可以用來回收空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)中的余熱或余冷,在節(jié)能降耗的同時(shí),還可以增加新風(fēng)量,改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。

    4.2脈動(dòng)熱管作為熱管家族的新成員,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能好、能隨意彎曲等優(yōu)點(diǎn),可能比現(xiàn)有的熱管換熱器更適合空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)余熱回收。

    4.3對(duì)筆者設(shè)計(jì)的脈動(dòng)熱管式空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)余熱回收裝置進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明,該裝置可以啟動(dòng)運(yùn)行并回收熱量,但熱回收效率較低。下一步,筆者擬改進(jìn)試件結(jié)構(gòu),完善實(shí)驗(yàn)臺(tái),提高裝置的整體換熱效率,比較系統(tǒng)地進(jìn)行空調(diào)及熱工基礎(chǔ)問題研究。

    參考文獻(xiàn):略