熱管換熱器的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

張晨陽(yáng) ，張曉明

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110168）

中國(guó)的能源消耗量逐年增長(zhǎng)，2019 年我國(guó)的能源消耗量為48.6 億t 標(biāo)煤，比上年增長(zhǎng)3.3%。我國(guó)的能耗增長(zhǎng)率雖逐年降低，但能源消耗量依舊巨大，節(jié)約能源的任務(wù)依舊艱巨，節(jié)約能源也一直是全球共同的奮斗目標(biāo)，因此，節(jié)能技術(shù)成為降低能耗的關(guān)鍵。近年來(lái)，熱管因其具有很高的熱傳導(dǎo)能力得到重點(diǎn)的關(guān)注和發(fā)展。在微電子、能源和一系列工業(yè)領(lǐng)域提高熱交換器熱性能方面，熱管技術(shù)已得到越來(lái)越多的應(yīng)用。熱管換熱器（HPHE）作為熱管技術(shù)的優(yōu)秀代表產(chǎn)物廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。熱管換熱器也因其突出的性能優(yōu)勢(shì)在空調(diào)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用處于快速發(fā)展中，應(yīng)用于空調(diào)領(lǐng)域的熱管換熱器不僅結(jié)構(gòu)小巧而且換熱效率高，雖然應(yīng)用空調(diào)系統(tǒng)熱管換熱器前期投入相比傳統(tǒng)的換熱器偏高，但其節(jié)能效益巨大，綜合指數(shù)更高，因此得到廣泛關(guān)注。近年來(lái)，熱管換熱器的模擬研究也一直在不斷推進(jìn)，模擬研究更加高效便捷的輔佐著試驗(yàn)研究，兩者的結(jié)合使得熱管換熱器的發(fā)展更加順利。

1 熱管換熱器系統(tǒng)的介紹

熱管是具有很高有效導(dǎo)熱率的兩相傳熱設(shè)備，熱管可以嵌入金屬板中進(jìn)行換熱，也可以與散熱片組裝在一起來(lái)進(jìn)行流體傳熱。由于高的熱傳導(dǎo)能力，帶有熱管的熱交換器在處理高熱通量方面相比傳統(tǒng)的熱交換器體積小得多。用于熱回收設(shè)備的熱管換熱器旨在回收顯熱。與傳統(tǒng)方法相比，使用熱管換熱器的優(yōu)勢(shì)在于，可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離內(nèi)通過(guò)較小的橫截面?zhèn)鬏敶罅康臒崃浚鵁o(wú)需向系統(tǒng)輸入任何額外的功率（除了用于驅(qū)動(dòng)氣流的風(fēng)扇外）以及設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和易于制造。

基于熱管換熱器的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于熱管換熱器的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，目前對(duì)熱管系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容包括：熱管換熱器的尺寸及參數(shù)設(shè)計(jì)、熱管換熱器的換熱性能、熱管換熱器的模擬研究等。

2 熱管換熱器熱性能研究

熱管換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著熱管換熱器的熱性能。熱管換熱器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有:熱管管徑、翅片間距、翅片高度、熱管充液量等。

2.1 熱管換熱器參數(shù)的影響

熱管管徑的影響：當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),隨著熱管管徑的增加,其換熱面積也會(huì)增加,因此換熱量隨之增加。在一定管徑范圍內(nèi),換熱量的增加與管徑的變化呈近似線性關(guān)系,當(dāng)管徑增加到一定程度時(shí),換熱量的變化率效逐漸減小,即對(duì)換熱量的影響變小。

翅片間距的影響：熱管換熱器加設(shè)翅片是增強(qiáng)換熱的強(qiáng)有力的手段。隨著翅片間距的逐漸增大,單位長(zhǎng)度上翅片數(shù)目減少,附加的擴(kuò)展面積減小,因此換熱量減少。

翅片高度的影響：熱管換熱器的換熱量隨翅片高度的增加而呈明顯增加趨勢(shì),而當(dāng)翅片高度繼續(xù)增加,換熱量的增幅會(huì)突然減小。翅片高度提高換熱量的能力是有限度的，一旦超過(guò)限度反而會(huì)影響傳熱效果。

2.2 充液量的影響：

充液量對(duì)熱管換熱器換熱影響的研究大多偏重于試驗(yàn)研究。熱管內(nèi)的充液量首先要保證換熱器在工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)干涸情況,其次還要保證一定的液池高度。但充液量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定傳熱,因此充液量的多少是影響熱管換熱器換熱效率的重要因素。

Imura 等[1]認(rèn)為，最恰當(dāng)?shù)某湟毫渴鞘构軆?nèi)汽液混合物的高度等于或略大于加熱段的高度,這樣可使熱管有最好的工作狀態(tài),他們對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究,得到的結(jié)果是,最佳充液率為v=20%～33%,其中V 為液體的容積與蒸發(fā)段容積之比。Harada 等[2]提出V=0.250.30為合適。Feldman[3]得到的最佳充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的18%～20%。國(guó)內(nèi)的一些資料表明,熱虹吸管的充液量為熱虹吸管總?cè)莘e的10%～20%范圍內(nèi)為宜。

3 熱管換熱器的研究與應(yīng)用

3.1 熱管換熱器的理論研究

Noie[4]選用90 根重力熱管按正三角叉排的排列方式垂直布置構(gòu)成熱管換熱器，以水為工質(zhì)，對(duì)熱管換熱器進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)換熱器效率在37%～65%之間時(shí),應(yīng)盡量避免兩側(cè)流體熱容量相近,否則不利于換熱導(dǎo)致?lián)Q熱效率低。

Mukherjee 和Patarikar[5]提出了多孔介質(zhì)孔隙率和分布阻力兩個(gè)新型概念，為今后常規(guī)熱管的模擬研究打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，奠定了熱管換熱器數(shù)值模擬研究的理論基石，為熱管換熱器在余熱回收方面提供了良好的條件。

Syahrul 等[6]進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定 HVAC 管道系統(tǒng)中熱管換熱器的有效性和熱回收值。熱管換熱器是無(wú)源模塊，可在HVAC 系統(tǒng)中提供能量回收功能。在試驗(yàn)研究中，熱管換熱器模塊由42 個(gè)熱管組成，在蒸發(fā)器和冷凝器部分裝有120 個(gè)波浪狀翅片。HPHE 模塊通過(guò)三排配置設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試，入口氣流溫度為28℃、30℃、35℃、40℃和45℃。氣流速度也以1m/s、1.5m/s 和2 m/s 的速度變化。結(jié)果表明，在三排配置中，入口溫度最多降低了10.3℃。此配置的HPHE 有效性值也介于47.9%～54.4%之間。在進(jìn)氣速度和溫度分別為1 m / s 和45℃時(shí)，可獲得最高效率值（54.4%）。在2 m/s 的進(jìn)氣速度下，最高的熱管換熱器熱回收值為5368W，熱管換熱器的有效等級(jí)為51.7%。

3.2 熱管換熱器的模擬研究

Song 等[7]提出了一種使用CFD 模擬熱管換熱器進(jìn)行除濕過(guò)程進(jìn)而預(yù)測(cè)除濕液熱性能的方法。建立了一種熱模型，用于模擬家用電器的干燥循環(huán)過(guò)程，得出回收廢熱的熱管系統(tǒng)的性能。在該模型中，預(yù)測(cè)了冷凝和蒸發(fā)過(guò)程的整體性能。研究表明，CFD 建模能夠通過(guò)熱管換熱器預(yù)測(cè)除濕溶液的熱性能。

Hassan 等[8]在計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)上通過(guò)模擬研究在風(fēng)冷換熱器中使用脈動(dòng)熱管（PHP）代替散熱片對(duì)換熱過(guò)程的影響。選用R134a 為工作流體，在不同的空氣流速和溫度下進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，使用脈動(dòng)熱管作為散熱片對(duì)改善熱傳遞具有顯著作用。在自然對(duì)流的情況下，與翅片相比，使用熱管可獲得更好的性能，并且在最佳情況下，總傳熱系數(shù)提高了310%。在強(qiáng)制對(duì)流的情況下，這種改善約為263%。

3.3 熱管換熱器的實(shí)際應(yīng)用

Nole-Baghban 和 Majideian[9]在醫(yī)院的的廢熱回收系統(tǒng)中應(yīng)用了熱管換熱器。應(yīng)用前他們先進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真,并在丙酮、水、甲醇三種工質(zhì)的比較中最后選擇甲醇作為工質(zhì),設(shè)計(jì)并制造了工作溫度10%～55℃的氣—?dú)鉄峁軗Q熱器。他們通過(guò)試驗(yàn)得出使用翅片管以及增加熱管行數(shù)等方法對(duì)提高換熱效率有著至關(guān)重要的作用。

Mostafa A 等[10]將熱管熱交換器用于熱回收系統(tǒng)中，以冷卻空調(diào)中傳入的新鮮空氣。熱管換熱器連接兩股新鮮空氣和回流空氣，以研究熱回收系統(tǒng)的熱性能和效率。首先，新鮮空氣之間的質(zhì)量流量之比分別為1、1.5 和2.3，以調(diào)節(jié)新鮮空氣的傳熱和溫度變化。新鮮空氣入口溫度已控制在32～40℃，而入口回流空氣溫度保持恒定在約26℃。結(jié)果表明，新鮮空氣和回風(fēng)的溫度變化隨著新鮮空氣入口溫度的升高而增加。當(dāng)入口新鮮空氣溫度增加到40℃時(shí)，蒸發(fā)器和冷凝器的效率和熱傳遞也增加到約48%。質(zhì)量流量比對(duì)效率的影響在蒸發(fā)器側(cè)為正，而在冷凝器側(cè)為負(fù)。隨著新鮮空氣入口溫度的增加，熱回收和常規(guī)空氣混合之間的焓比增加到約85%。結(jié)果表明，在新鮮空氣入口溫度接近熱管的流體工作溫度時(shí)，該效率接近最佳效率。

4 結(jié)語(yǔ)

熱管換熱器與傳統(tǒng)的翅片換熱器相比具有更高的換熱效率，雖然熱管換熱器的工藝要求相比于傳統(tǒng)換熱器更加精湛，前期投入較多，但其背后的節(jié)能效益是更加可觀的。本文也通過(guò)實(shí)際的研究與應(yīng)用驗(yàn)證了熱管換熱器的熱性能及換熱效率是更優(yōu)的。熱管換熱器在空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用要重點(diǎn)解決換熱器夏季與冬季工況變化時(shí)如何使得熱管換熱器實(shí)現(xiàn)全年工況運(yùn)行，如果解決了這一問(wèn)題將會(huì)降低很大一部分的建筑能耗，從而使我國(guó)的能源消耗量降低。除此之外，將熱管換熱器與可再生能源相結(jié)合也是一個(gè)重要的研究方向，充分利用可再生能源，進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換完全符合國(guó)家的政策與號(hào)召。

熱管換熱器的研究還有很大的發(fā)展空間，國(guó)內(nèi)外對(duì)于熱管換熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究還存在一定的局限性，熱管換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高熱管換熱器的熱性能有至關(guān)重要的作用。不斷探索結(jié)構(gòu)上的改變，在不同的系統(tǒng)中有不同的節(jié)能效果，設(shè)計(jì)出不同類型的熱管換熱器與不同的系統(tǒng)相匹配，做到“量身定做”般的高度契合，將節(jié)能降耗作為始終堅(jiān)持的目標(biāo)。