脉动热管用于空调系统排风余热(冷)回收初探

在建筑物的空调负荷中,新风负荷一般占20%~30%[1]。利用排风中的余冷或余热来处理新风,可以减少处理新风所需的能量,提高空调系统的经济性。另一方面,室内空气质量(IAQ)也越来越受重视。使用排风热回收装置,可以在节能的同时增加室内的新风量,提高室内空气质量。随着《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)[2]的实施,回收空调系统排风能量成为了一种重要的建筑节能途径。
热管由于具有传热系数大、热传递速度快、温降小、结构简单和易控制等特点,近年来在空调余热回收系统中得到了广泛应用[3-11]。本文在分析现有热管换热器在空调系统排风余热回收中应用的特点及问题的基础上,介绍一种新型脉动热管,并对其在空调系统排风余热回收中的应用作了尝试性研究。
1·现有热管换热器在空调系统排风余热回收中的应用特点及问题分析
热管换热器有三种不同形式:重力式[3-4]、分离式[5-6]及毛细热管式[7-10]。
重力式热管换热器技术成熟,使用最为普遍。但是,重力式热管的工作原理要求冷凝段的安装位置必须高于蒸发段,适合于冷源在上、热源在下的场合。由于夏季室外新风温度高、室内排风温度低,而冬季情况正好相反,因此重力式热管换热器需要在冬夏两季都使用时,需随季节转换交替更换进、排风口相对于热管的位置,存在换季需换向的麻烦[11]。
分离式热管换热器是在重力式热管换热器基础上改进而成的。在空间布局上可根据需要灵活地布置热管的蒸发段和冷凝段,可实现远距离传输热量;冷、热源完全隔离,不存在相互污染,与重力式热管换热器相比具有更强的工程适应性。但是,分离式热管的工作原理仍然要求冷凝段的安装位置必须高于蒸发段。
毛细热管式换热器主要依靠吸液芯的毛细作用来传递热量,因而其布置形式比较灵活,既可以竖直安装,又可以水平安装。竖直安装时,冷凝段布置在蒸发段的上方或下方或一样高都不会影响其运行性能。但是,毛细热管式换热器具有结构复杂、成本较高的缺点,限制了其推广应用。
2·脉动热管技术及其特点分析
脉动热管作为热管家族的新成员,具有结构简单、传热性能好、能随意弯曲等优点,近年来得到了越来越广泛的研究,其应用领域不断扩大[12-17]。图1为脉动热管的结构示意图,它由一根细长的金属圆管(直径1~5 mm)弯曲而成。脉动热管的运行原理和传热特性与传统热管有很大的不同。由于其通道很细,在表面张力的作用下,通道中将随机形成许多长度不等的液塞和气塞,在热作用下,气、液塞在加热段和冷却段之间作一种不稳定的、方向随机的脉动流动,从而实现热传递。

脉动热管内部无需吸液芯材料,因而结构简单。更为可贵的是,对脉动热管的结构和设计参数进行优化后,其运行性能基本不受重力的影响,因此它可以在微(无)重力场、反重力场等场合下良好运行。这就意味着经过合理设计的脉动热管,可以按照现场需要灵活布置,既可以竖直安装(冷凝端布置在蒸发端的上方或下方),也可以水平安装,还可以任意弯曲形状以适应环境需要[12,14,18]。将它应用于空调系统的排风余热回收,既可保持现有重力式热管及分离式热管换热器的优点,还解决了这两种热管换热器换季需换向的问题。
3·脉动热管应用于空调系统排风余热回收的初步实验研究及结果分析
图2为笔者设计的脉动热管式空调排风余热回收装置实验台示意图。热回收装置外部尺寸540 mm×490 mm×240 mm,传热部分由若干组(每组含较多弯头)脉动热管组成,以R134a为工作介质,充液率为50