热管热回收窗式空调器的设计及性能分析

摘要： 本文在研究热管运行原理的基础上，开发并设计出与窗式空调器相配套的分体热虹吸热管冷热回收装置用于空调排风系统的能量回收。样机利用室外新风吸收室内空气排风的冷量，以实现节能的目的。在保证热管的最小启动温差条件下，实验确定了该装置夏季冷回收的效率。同时对热管的充液率进行了探讨，寻求最佳运行工况下的充液率。

1 引言

热管作为一个传热元件，是利用工质汽液相变来吸收和释放热量。由高效传热元件热管组成的热管换热器具有结构紧凑、体积小、压降低、效率高以及无辅助动力等优点，近年在技术上已日趋成熟。作为一种有效的低温热能回收设备也已获得公认和应用，作为余热回收高效设备的热管换热器已进入推广发展时期，其应用不仅仅限于工业上，也开始向住宅空调方向发展[1, 2]。

现有房间空调器在潮湿地区使用时，常会因除湿量不足而不能很好地形成舒适的室内环境。在基本不改变空调器现有配置的基础上，加上热管换热装置组成热管—空调器组合系统。冬季运行时，新风先由热管冷凝段预热后再进入空调器内处理后送入室内，而室内回风经过热管蒸发段放热后再排出室外，从而排风余热得以回收，减少了空调器负荷，实现了室内能耗节省和空气品质提高的双赢；夏季运行时，空气先经过热管蒸发段预冷后，再与室内部分回风混合，经空调器冷却盘管去湿后送入室内，同样也实现了室内能耗节省和空气品质提高的双赢。总之，热管—空调器组合系统可以提高住宅空调系统制冷能力和去湿能力，完全或部分取消再热负荷，节省系统能耗，达到提高舒适度和改善室内空气品质(IAQ)的目的[3, 4, 5] 。

2 热管热回收窗式空调器的设计及实验

2.1 分体式热虹吸热管的工作原理

吸液芯热管结构原理见图1(A)，它由管壳、端盖、吸液芯、管外肋片、管端排气管及管内工质 6个部分组成。热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段。当热管的蒸发段受热时，经管壁传到吸液芯中，液态工质便汽化、蒸发，借助压差使蒸汽经热管的中心通道而迅速传到冷凝段，在此蒸汽凝缩成液体，释放出潜热。在吸液芯的吸力作用下，液态工质又回到蒸发段。通过这种“蒸发—传输—冷凝”的反复循环而传递热量。热管还包括位于蒸发段和冷凝段之间的流体传输段 (或称绝热段)，作重力式热管的结构除无吸液芯结构外，其他加工程序与吸液芯热管相同。该热管蒸发段受热时，液体便沸腾产生蒸汽，在冷凝段凝缩成液体，释放出潜热。液态工质借重力作用顺管壁回到蒸发段。这种热管应用时冷凝段位于蒸发段之上方。

分离式热管(又名分体热虹吸热管)见图1（B）是在常规热管技术的基础上发展起来的一项高效传热技术，与普通热管不同的是，分离式热管的加热段和冷凝段分开放置，管束把蒸发段或冷凝段各自组合起来，通过一根上升管和回流管把分离开的两组管束连接起来的新设备工作介质在一个闭合回路中同向循环，这种热管换热器将高温侧和低温侧分成两个单独壳体，中间不设置隔板，两流体不会因泄漏而相混。

A 普通热管原理图 B 分体式热管原理图

1-冷凝段 2-蒸发段 3-气体导管 4-液体导管 5-抽气充液短管

图1 热管原理图 (A及B)

2.2 设计及样机结构

样机热管热回收装置结构如图2所示，其中热管主要由蒸发段和冷凝段两部分组成。样机热管采用重力回流，因此冷凝段置于蒸发段上方，考虑到保证满足热回收量的工质能完全回流，设计最小高差为100mm。蒸发段和冷凝段用下降铝管连接。考虑了相变换热能力、工质的适用性及稳定性等多方面因素，工质确定为蒸馏水。热管热回收装置中的冷凝段气流（即室内排风）由轴流风机抽窗式空调器风量（460m3/h）的20%（即100m3/h）左右，经过冷凝段加热后排出室外；室外新风（100m3/h）由另一台轴流风机经过蒸发段吸收热量后温度降低，然后进入窗式空调器内与室内回风混合并处理到所需温度后送入室内。

如图3所示，热管管外侧气流风道由相邻两个热管的翅片拼接组成。此种设计方法既保证了热管管外侧气流与管内侧工质充分换热，同时避免了因管道外部与翅片连接不紧密而降低热管换热效率，并且简化了设计和制造过程。热管热回收装置(样机)可与广东燕通冷气有限公司提供的1.5匹标准窗式空调器（风量为460m3/h）合理配接，并可方便地安装于普通居室内。

热管热回收设备蒸发段和冷凝段分别包括七组带外翅片的热管组，蒸发段和冷凝段部分的每一个热管由两片铝板式换热器四周用宽度为12mm的铝板封闭制成，图4即为单体热管接管的焊接构造图，翅片板的长度为320mm，底厚为1mm，带72个连续的平翅片。单个翅片的尺寸是400mm长，130mm高，0.45mm厚。每个热管包含蒸汽和回水两根直径为φ8的接管，接管和总立管用较好的橡胶管软连接，以方便实验。单个热管的横 截面积为12×120mm2。带翅片热管的总表面积包括翅片面积和基本面积是6 m2，整套设备由铝板制成。

图2 热管热回收装置结构示意图

1-热管冷凝段 2-热管蒸发段 3-窗机蒸发器 4-窗机送风口 5-由翅片组成的风道

图3 热管热回收窗式空调器安装剖面图

图4 单体热管接管焊接构造图（横置）

2.3 样机实验及数据分析

2.3.1 样机实验过程简介

由于实验条件限制，本实验主要对热管性能进行测试。因室外条件（热管启动要求室外气温≥300C）的限制，实验时间选在8月中旬。从实验数据来看，室外气流温度一般在340C-360C之间。又考虑到热管最小启动温差为3 0C，所以用分体式空调机组对室内温度进行控制，使其保证在240C-260C之间。将热管热回收装置安装于普通空调房间窗户中，结构尺寸不吻合之处用泡沫塑料板封住，避免外界气流与室内气流混合。

风量测量

风速测量仪器是热电风速仪，将风口面积N等分，用一个测点风速表示每部分的平均风速，再将这N个风速求平均值作为平均气流速度 。为了保证风速测量的正确性，从风口接出一段风道，将风速仪传感器置于各部分的中部，读取数据。

(1)

这里， —平均风速（m/s），

—表示第i个部分的平均风速（m/s）。

测量风口面积为A(m2)，风量 (m3/h)由式(2)求出：

这里， —风机风量（m3/h），

—风口面积（m2）。

温度测量

因实验条件有限，测量温度使用干球温度计。将感温头用锡箔纸包住，以避免受太阳辐射影响。温度测量的数据包括蒸发段入口温度、蒸发段出口温度、冷凝段入口温度、冷凝段出口温度和室内温度。同时可将蒸发段新风入口温度作为室外空气温度。蒸发段和冷凝段换热量分别由式（3）和式（4）求出：

(3)

(4)

这里， —蒸发段换热量（J），

—冷凝段换热量（J），

—空气比热（kJ/kg·K），

—空气密度（kg/m3），

—蒸发段入口温度（0C），

—蒸发段出口温度（0C），

—冷凝段入口温度（0C），

—冷凝段出口温度（0C）。

这里虽未使用焓差公式计算换热量，但经过计算校核发现本公式在工程误差范围内，可以采用。故热回收效率按下式计算：

这里， —热回收效率（％），

—实际换热量（J），

—最大换热量（J），

2.3.2 数据分析

图5 热管热回收效率随室内外温度的变化曲线图

由图5可知，实验室内外温差满足最小启动温差（30C）要求。在热管运行初期（约60分钟），热管的热回收效率比较低。热管达到稳定运行后，热回收效率可以保持在比较高的水平，可以看出此时热管的相变换热比较充分，可以达到设计参数要求。影响热管热回收效率的因素很多，包括室内外温度、风速、热管的结构形式、翅片与管的接触是否良好、工作液的热物性等。有待继续研究。

图6 不同充液率条件下蒸发器温差变化曲线图

充液率定义：在冷态条件下蒸发段内的工作液淹没高度l1余蒸发段的有效加热高度l0之比[6]。分离式热管的充液量不仅与它的热负荷有关，还与蒸发管的结构特性、凝结液的连通管几何尺寸及工作液的物性有关。

充液率是影响分离式热管传热效果的重要因素之一，也是设计和应用必不可少的参数。

由图6可见，在热管运行初期(约60分钟左右)，相变循环尚未稳定，不同充液率条件下蒸发器进出口温差都有明显的波动，且温差呈上升趋势。在搭导热管稳定运行之后，充液率在80%的条件下， 温差一直保持比较高水平，说明此时热管蒸发器的蒸发量和冷凝器冷凝回水量已达到很好的平衡，相变换热非常充分，节能效果明显。当充液率达到或者超过100%，充液量过大，汽液混合物将进入蒸汽上升管，甚至到冷却段，工质在蒸发器段无法完全沸腾蒸发，已无法实现充分相变换热，降低了热管系统的传热性能。若充液率过小，从热管底部算起，充液率低于蒸发段的60%时就出现管壁过热。这是由于冷热流体温差较小、热流密度亦小，不能形成剧烈的沸腾，管内气体工质携带的液体量不足以湿润全部蒸发段内壁所致。因此，对空调系统排风能量回收的热管换热器，其充液率应在80%左右为宜。

图7 不同充液率条件下冷凝器温差变化曲线图

如图7所示，由能量守恒原理，蒸发器段吸收的热量与冷凝器段放出的热量相同，在风量大致相等的条件下，故冷凝器温差与蒸发器温差有相似的变化曲线。因此，可用相同的原理如图6作同样分析，此处不再赘述。

3 总结与展望

样机采用分体式热管热回 收装置，热管型式的设计在传统思维的基础上进行创新，采用对板翅式换热器进行封闭，避免了传统热管因翅片与管子接触不良而影响换热的情况，同时简化了设计。

热管热回收效率与诸多因素有关，本文只考虑室内外温差，其他因素如风速等还可进一步研究。

不同的充液率对热管传热效果影响明显，分别在充液率为60%，80%和100%条件下的实验表明，充液率为80%时，传热效果最好。对充液率影响的理论分析还有待研究。

本文参考了大量相关文献，初定最小温差为30C。但实际热管启动的最小温差还需进行实验和理论探究。

需要指出的是，对热管—空调器组合系统的整体性能还需进行实验研究，找出其影响因素，再配以计算机系统运行仿真，以达到对系统进行优化设计，从而优化运行[9]。

参考文献

[1] Reay D A. The Chemical Engineer, 1981, 367: 154-158

[2] Mokansi. Journal of Power, 1990, 129 (8): 73-75

[3] 陈振乾, 施明恒. 热管热回收空调系统的研究，建筑热能通风空调，2000，4: 9-11

[4] 鱼剑琳，张华等. 热管换热器在房间空调器上的应用，西安交通大学学报，1996，30 (10): 64-69

[5] 敖永安，谢忠奎，李志新. 热管式空调系统的节能分析，沈阳建筑工程学院学报，1998， 14 (3): 270-273

[6] 林宗虎，陈立勋. 锅内过程. 西安：西安交通大学出版社，1990

[7] 钱伯章. 热管换热器的发展应用，化工机械，1996 (5): 295-302

[8] S.W.纪(著)，蒋章焰(译). 热管理论与实用. 北京： 科学出版社，1981

[9] 刘凤田，黄祥奎. 空调用分体热虹吸热管冷热回收装置的试验研究，暖通空调，1994 (4): 25-27

[10]I.M.Bbudaiwi, A.A.Adbou. Energy and thermal performance of heat pipe/cooling coil systems in hot-humid climates, Int. J. of Energy Research, 2000, 24: 901-915