脈動熱管用于空調系統排風余熱(冷)回收初探

東華大學　韓洪達　楊洪海　尹世永　周亞素　甘長德

    摘要：分析了現有熱管換熱器在空調系統排風余熱回收中的應用特點及問題。對新型脈動熱管應用于空調系統排風余熱回收進行了初步試驗,結果表明該新型裝置可以啟動運行,并回收熱量,但效率較低,需要進一步改進結構。

    關鍵詞：脈動熱管　空調系統　余熱回收　可行性

    在建筑物的空調負荷中,新風負荷一般占20%~30%[1]。利用排風中的余冷或余熱來處理新風,可以減少處理新風所需的能量,提高空調系統的經濟性。另一方面,室內空氣質量(IAQ)也越來越受重視。使用排風熱回收裝置,可以在節能的同時增加室內的新風量,提高室內空氣質量。隨著《公共建筑節能設計標準》(GB 50189—2005)[2]的實施,回收空調系統排風能量成為了一種重要的建筑節能途徑。

    熱管由于具有傳熱系數大、熱傳遞速度快、溫降小、結構簡單和易控制等特點,近年來在空調余熱回收系統中得到了廣泛應用[3-11]。本文在分析現有熱管換熱器在空調系統排風余熱回收中應用的特點及問題的基礎上,介紹一種新型脈動熱管,并對其在空調系統排風余熱回收中的應用作了嘗試性研究。

    1·現有熱管換熱器在空調系統排風余熱回收中的應用特點及問題分析

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

    重力式熱管換熱器技術成熟,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段,適合于冷源在上、熱源在下的場合。由于夏季室外新風溫度高、室內排風溫度低,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,需隨季節轉換交替更換進、排風口相對于熱管的位置,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上改進而成的。在空間布局上可根據需要靈活地布置熱管的蒸發段和冷凝段,可實現遠距離傳輸熱量;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的工程適應性。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段。

    毛細熱管式換熱器主要依靠吸液芯的毛細作用來傳遞熱量,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,冷凝段布置在蒸發段的上方或下方或一樣高都不會影響其運行性能。但是,毛細熱管式換熱器具有結構復雜、成本較高的缺點,限制了其推廣應用。

    2·脈動熱管技術及其特點分析

    脈動熱管作為熱管家族的新成員,具有結構簡單、傳熱性能好、能隨意彎曲等優點,近年來得到了越來越廣泛的研究,其應用領域不斷擴大[12-17]。圖1為脈動熱管的結構示意圖,它由一根細長的金屬圓管(直徑1~5 mm)彎曲而成。脈動熱管的運行原理和傳熱特性與傳統熱管有很大的不同。由于其通道很細,在表面張力的作用下,通道中將隨機形成許多長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定的、方向隨機的脈動流動,從而實現熱傳遞。

            
    脈動熱管內部無需吸液芯材料,因而結構簡單。更為可貴的是,對脈動熱管的結構和設計參數進行優化后,其運行性能基本不受重力的影響,因此它可以在微(無)重力場、反重力場等場合下良好運行。這就意味著經過合理設計的脈動熱管,可以按照現場需要靈活布置,既可以豎直安裝(冷凝端布置在蒸發端的上方或下方),也可以水平安裝,還可以任意彎曲形狀以適應環境需要[12,14,18]。將它應用于空調系統的排風余熱回收,既可保持現有重力式熱管及分離式熱管換熱器的優點,還解決了這兩種熱管換熱器換季需換向的問題。

    3·脈動熱管應用于空調系統排風余熱回收的初步實驗研究及結果分析

    圖2為筆者設計的脈動熱管式空調排風余熱回收裝置實驗臺示意圖。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)脈動熱管組成,以R134a為工作介質,充液率為50%。作為初步實驗,本文研究安裝角度為10°且采用底部加熱方式的裝置的運行性能。實驗在實驗室內進行,人工模擬空調房間的進、排風溫度條件。

           
    為研究脈動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。其定義為熱回收裝置的實際換熱量與理論最大換熱量之比,計算公式如下[19-20]:

    
    式中　ms為送風量;mmin為送風及排風中風量較小的一個;t1,t2分別為送風進、出口溫度;t3為排風進口溫度。

    本實驗控制送風量與排風量相等,因此,ms=mmin,則式(1)可簡化為

    
    圖3為實驗得到的顯熱效率隨送風量及送風進口溫度的變化曲線。從圖中可以看出:

            
    1)在送風量一定的條件下,隨送風進口溫度的升高,脈動熱管熱回收裝置的顯熱效率提高,表明脈動熱管已經運行。這是因為脈動熱管存在一個最小啟動熱負荷,如果輸入熱量過小,熱管內不能產生足夠多的蒸氣泡,脈動熱管就無法啟動運行,當輸入熱量超過最小啟動負荷時,脈動熱管啟動并運行,系統熱阻會隨熱負荷的增加而降低,相應地,裝置的熱回收效率得到提高。

    2)在送、排風進口溫度不變的條件下,隨著風量的增加,脈動熱管熱回收裝置的顯熱效率下降。這是因為風速較高時,空氣在熱回收裝置內停留的時間較短,來不及充分換熱即被排出,但風速過低則需要較大的設備體積,所以有必要選定一個最佳風速,使整個裝置運行最優化。

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

    4·結論與展望

    4.1熱管是高效傳熱元件,可以用來回收空調系統排風中的余熱或余冷,在節能降耗的同時,還可以增加新風量,改善室內空氣質量。

    4.2脈動熱管作為熱管家族的新成員,具有結構簡單、傳熱性能好、能隨意彎曲等優點,可能比現有的熱管換熱器更適合空調系統的排風余熱回收。

    4.3對筆者設計的脈動熱管式空調系統排風余熱回收裝置進行初步實驗研究的結果表明,該裝置可以啟動運行并回收熱量,但熱回收效率較低。下一步,筆者擬改進試件結構,完善實驗臺,提高裝置的整體換熱效率,比較系統地進行空調及熱工基礎問題研究。

    參考文獻:略