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