热管技术在空调系统中的应用探讨

吴国华，　仲　华

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）



热管技术在空调系统中的应用探讨

吴国华，仲华

（华东建筑设计研究院有限公司，上海200002）

摘要：通过对于样品的实测数据分析，研究热管工质充注量对热回收效率的影响，重力热管内部结构对于热管换热性能的影响，不同面风速下各种盘管排数对于换热效率的影响，热管传热温差对于效率的影响。供设计人员参考。

关键词：热管； 热回收； 热回收效率； 面风速； 盘管排数； 传热温差

0　引言

热管技术是通过某种工质在液态和气态两相之间转换形成热交换，从而被利用在空调系统中。由于热管内工质的循环是利用重力原理，其本身无能耗，是很好的节能降耗产品。

国内外对于热管技术的研究比较多，通常集中在高温烟气的热量回收和电子设备（如中央处理器）的冷却。而用于空调领域的研究较少，目前国内只有少数几家供应商在生产。

目前《实用供热空调设计手册-第二版》中，给出了以氨为工质的热管内部沸腾换热的试验关联式以及不同翅片形式的单管换热的试验关联式。但对于热回收的温差对于效率的影响未提及。当送风量和排风量不同时，在相关资料上仅仅建议按照低风速侧的风量来计算，这样可能会产生较大的浪费。而对于盘管，现有资料给出了盘管排数对于热回收效率的影响，根据如下文中试验数据来看，发现有较大的偏差。

1　热管换热的基础原理

热管是蒸发-冷凝型的换热设备，靠工质在管内的状态变化实现热量的传输。典型的重力热管是在密闭的管内先抽成1~2×10-4Pa的负压，在此状态下充入适量工质。在热管的下端（受热段）加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在微小的压差下，上升到热管上端（放热段），并向外界放出热量，且凝结为液体。冷凝液在重力的作用下，沿热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断地将热量由一端传向另一端。由于是相变传热，因此热管内热阻很小，所以能够以较小的温差获得较大的传热率。

1.1热管特性

（1）导热率高，热管主要靠工作介质相变时吸收和释放汽化潜热的循环来传递热量，由于工质的汽化潜热较大，所以热管的导热率很高，通常情况下，热管的导热能力比实心铜棒高400倍。工作介质在没有吸液芯的状况下，依靠重力回流冷凝液体。

（2）蒸发和冷凝的交换，允许热交换在比较低的温度下进行。

（3）均温特性好，由于热管的导热速度很快，表面温度梯度很小，当热流密度较小时，也可以得到较高的等温表面，通常温差只有1~2℃。

（4）热流密度可调，热管的蒸发与冷凝空间是分开的，较易实现热流密度的调节，其变换比例可以很大。

（5）热管传热是被动传热，没有运动部件，是很好的节能产品。

2　热管工质充注量研究

本文研究的内容为重力热管，该设备热管内部传热工质的充注量会对热管的传热性能产生一定影响。工质充注过多会影响冷凝侧换热性能，同时在蒸发侧也由于液体的压力使蒸发比较困难，进而影响传热效果；工质充注过少会造成蒸发侧面积利用率下降。而到底“热管工质充注量”的比例是多少，各生产厂家都作为商业秘密，并不公布。本实验也是依据以往设备生产经验，作了20%、17%、14%三种不同充注量下的换热效率实验，试图找出比较合适的“热管工质充注量”。实验数据见表1。

表1　热管工质充注量20%数据

表2　热管工质充注量17%数据

表3　热管工质充注量14%数据

通过以上实验对比可以看出，当充注量低于14%的时候，效率下降较多。

3　重力热管内部结构对换热性能的影响

重力热管内部热量的传递是以蒸发和冷凝效果为基础的，所以热管内部强化换热也会增强热管的传热效果。本文应用内部光管和内螺纹管进行换热效果的对比，数据见表4。

表4　热管工质充注量17%数据（内部光管）

表5　热管工质充注量17%数据（内部螺旋管）

续表

通过对以上2组数据的对比可以看出，热管内部应用螺纹管，换热性能有较大增加，热回收效率可以提高7~8个百分点。

4　不同面风速下各种盘管排数对于换热效率的影响

表6　面风速1.5m/s时，不同排数的回收效率

表7　面风速2.0m/s时，不同排数的回收效率

表8　面风速2.5m/s时，不同排数的回收效率

表9　面风速3.0m/s时，不同排数的回收效率

4.1回收效率根据不同排数的变化规律

从图3可以看出，在8排以下，热管回收效率增加很快，8排基本可以达到最大效率（12排）的80%以上，所以一般来说，8排热管的性价比较高。大于8排，热管效率虽然增加，但设备成本增加更多，因而经济性较差。

4.2效率随面风速的变化规律

从图4中可以看出，随着风速的提高，热管的效率下降。但根据热管排数的不同，下降幅度也不同，如图5所示。对于2排热管回热器来说，风速从1.5m/s提高到3m/s时，效率下降将近50%；而对于12排热管回热器来说，风速从1.5m/s提高到3m/s时，效率下降不到30%，所以在实际应用中，热管面风速的提高，为保证一定的回收效率，应该适当增加热管排数。

5　回收量随面风速的变化规律

热管效率虽然是评价热管性能的一个重要指标，但最终的效益还有许多因素影响。图二说明效率随面风速增加而降低，但图四却表明，同一个热管换热器，面风速提高总的回收热量也是升高的。所以在评价热管的效益方面应该用更合理的指标。

从图6中也可以看出，当面风速超过2.5m/s时，总回收量增长缓慢。这是与热管内部传热机理有关，包括热管直径，单根热管长度，热管内部工质特性等等因素有关，这部分内容将在以后的研究中分析。

6　热管的传热温差对效率的影响

本研究试验中，应用6排热管在面风速3m/s的情况下，在不同传热温差下得到的效率，见表10。

表10　不同温差下的热管效率（6排，面风速3m/s）

从图7来看，随着传热温差的增加，热管效率有缓慢下降。效率下降的原因可能与热管的平均温度有关，图8给出了试验时进风温度、排风温度、送风温度和热管的平均温度。

7　热管热回收效率之计算公式

从上述计算公式可以看到，热管的热回收效率计算之分子为新风侧产生的温升或温降，分母为新风进风和排风进风的温差。而排风的出风温度t2并不参与计算。

根据上海市《公共建筑节能设计标准》DGJ08-107-2012之4.3.7条的规定，排风热回收装置的制冷温度效率应大于60%，制热温度效率应大于65%。在实际的工程案例中，新风的进风温度T1受室外气象参数影响，并不可控。排风的进风温度t1受室内设计温度影响，变化也不会太大。唯一可以改变的是新风的出风温度T2。这也是本文实验的最终目的，即提高热管的热回收效率。

8　结语

通过本系列的热管试验研究，可以得出以下结论：

（1）热管换热器是一种很好的热回收器件，该种设备热回收显热效率较高。相对于板翅式换热器和转轮换热器来说，其使用寿命较长，可清洗。

（2）热管效率受许多方面影响，在制造上，热管的内部结构，热管工质充注量都影响效率，本研究中的热管，管内应用波纹管，充注量为20%效率最高。

（3）在热管应用中，热管排数增加会提高效率，但超过8排以后，效率增加缓慢，因而性价比最高的是8排。本实验未对热管排数增加带来空气阻力的增加加以测试。

（4）热管应用中面风速增加热管效率降低，因而在面风速确定的情况下，应适当增加排数，以增加回收量。

（5）回收效率对热管性能可以有一定的评价，但该指标并不能完整的表述真正回收量的大小，应寻找更合适的评价指标。

（6）在本系列试验中，超过60%的回收效率需要较高的配置（排数的增加或面风速的降低），这样的标准虽提高了回收量，但也增加了设备成本，设备的材料成本也是需要能耗。因而过高的效率要求可能不一定合理。

参考文献：

[1]陆耀庆，实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]上海耘和空调科技有限公司样本[Z].

[3]全国民用建筑工程设计技术措施暖通空调·动力[M].北京：中国建筑标准设计研究院，2009.

修回日期：2016-03-17

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.02.012

中图分类号：TU832

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）02-0051-06

作者简介：吴国华（1971-），男，上海人，本科，高级工程师，注册公用设备工程师；仲华（1971-），男，内蒙古人，博士，高级工程师，总工程师。

收稿日期：2016-01-22

Heat Pipe Technology in HVAC System

WU Guo-hua， ZHONG Hua
（East China Architectural Design&Research Institute Co.，Ltd，Shanghai 200002，China）

Abstract：By testing for sample of heat pipe，studying working substance in heat pipe，internal configuration of heat pipe，different row of coil at different air velocity，temperature inlet and outlet of heat pipe，all the factors can infecting heat exchange efficiency of heat pipe.

Key words：heat pipe； heat exchange； efficiency of heat exchange； air velocity； row number of coil；different temperature inlet and outlet