摘要： 本文在研究熱管運行原理的基礎上，開發并設計出與窗式空調器相配套的分體熱虹吸熱管冷熱回收裝置用于空調排風系統的能量回收。

樣機利用室外新風吸收室內空氣排風的冷量，以實現節能的目的。在保證熱管的最小啟動溫差條件下，實驗確定了該裝置夏季冷回收的效率。同時對熱管的充液率進行了探討，尋求最佳運行工況下的充液率。

1 引言

熱管作為一個傳熱元件，是利用工質汽液相變來吸收和釋放熱量。由高效傳熱元件熱管組成的熱管換熱器具有結構緊湊、體積小、壓降低、效率高以及無輔助動力等優點，近年在技術上已日趨成熟。作為一種有效的低溫熱能回收設備也已獲得公認和應用，作為余熱回收高效設備的熱管換熱器已進入推廣發展時期，其應用不僅僅限于工業上，也開始向住宅空調方向發展^{[1, 2]}。

現有房間空調器在潮濕地區使用時，常會因除濕量不足而不能很好地形成舒適的室內環境。在基本不改變空調器現有配置的基礎上，加上熱管換熱裝置組成熱管—空調器組合系統。冬季運行時，新風先由熱管冷凝段預熱后再進入空調器內處理后送入室內，而室內回風經過熱管蒸發段放熱后再排出室外，從而排風余熱得以回收，減少了空調器負荷，實現了室內能耗節省和空氣品質提高的雙贏；夏季運行時，空氣先經過熱管蒸發段預冷后，再與室內部分回風混合，經空調器冷卻盤管去濕后送入室內，同樣也實現了室內能耗節省和空氣品質提高的雙贏?？傊?，熱管—空調器組合系統可以提高住宅空調系統制冷能力和去濕能力，完全或部分取消再熱負荷，節省系統能耗，達到提高舒適度和改善室內空氣品質(IAQ)的目的^{[3, 4, 5]} 。

2 熱管熱回收窗式空調器的設計及實驗

2.1 分體式熱虹吸熱管的工作原理

吸液芯熱管結構原理由管殼、端蓋、吸液芯、管外肋片、管端排氣管及管內工質 6個部分組成。熱管的一端為蒸發段，另一端為冷凝段。當熱管的蒸發段受熱時，經管壁傳到吸液芯中，液態工質便汽化、蒸發，借助壓差使蒸汽經熱管的中心通道而迅速傳到冷凝段，在此蒸汽凝縮成液體，釋放出潛熱。在吸液芯的吸力作用下，液態工質又回到蒸發段。通過這種“蒸發—傳輸—冷凝”的反復循環而傳遞熱量。熱管還包括位于蒸發段和冷凝段之間的流體傳輸段 (或稱絕熱段)，作重力式熱管的結構除無吸液芯結構外，其他加工程序與吸液芯熱管相同。該熱管蒸發段受熱時，液體便沸騰產生蒸汽，在冷凝段凝縮成液體，釋放出潛熱。液態工質借重力作用順管壁回到蒸發段。這種熱管應用時冷凝段位于蒸發段之上方。

分離式熱管(又名分體熱虹吸熱管)見圖，是在常規熱管技術的基礎上發展起來的一項高效傳熱技術，與普通熱管不同的是，分離式熱管的加熱段和冷凝段分開放置，管束把蒸發段或冷凝段各自組合起來，通過一根上升管和回流管把分離開的兩組管束連接起來的新設備工作介質在一個閉合回路中同向循環，這種熱管換熱器將高溫側和低溫側分成兩個單獨殼體，中間不設置隔板，兩流體不會因泄漏而相混。

2.2 設計及樣機結構

樣機熱管熱回收裝置結構，其中熱管主要由蒸發段和冷凝段兩部分組成。樣機熱管采用重力回流，因此冷凝段置于蒸發段上方，考慮到保證滿足熱回收量的工質能完全回流，設計最小高差為100mm。蒸發段和冷凝段用下降鋁管連接?？紤]了相變換熱能力、工質的適用性及穩定性等多方面因素，工質確定為蒸餾水。熱管熱回收裝置中的冷凝段氣流（即室內排風）由軸流風機抽窗式空調器風量（460m³/h）的20%（即100m³/h）左右，經過冷凝段加熱后排出室外；室外新風（100m³/h）由另一臺軸流風機經過蒸發段吸收熱量后溫度降低，然后進入窗式空調器內與室內回風混合并處理到所需溫度后送入室內。

熱管管外側氣流風道由相鄰兩個熱管的翅片拼接組成。此種設計方法既保證了熱管管外側氣流與管內側工質充分換熱，同時避免了因管道外部與翅片連接不緊密而降低熱管換熱效率，并且簡化了設計和制造過程。熱管熱回收裝置(樣機)可與廣東燕通冷氣有限公司提供的1.5匹標準窗式空調器（風量為460m³/h）合理配接，并可方便地安裝于普通居室內。

熱管熱回收設備蒸發段和冷凝段分別包括七組帶外翅片的熱管組，蒸發段和冷凝段部分的每一個熱管由兩片鋁板式換熱器四周用寬度為12mm的鋁板封閉制成，單體熱管接管的焊接構造，翅片板的長度為320mm，底厚為1mm，帶72個連續的平翅片。單個翅片的尺寸是400mm長，130mm高，0.45mm厚。每個熱管包含蒸汽和回水兩根直徑為φ8的接管，接管和總立管用較好的橡膠管軟連接，以方便實驗。單個熱管的橫截面積為12×120mm²。帶翅片熱管的總表面積包括翅片面積和基本面積是6 m²，整套設備由鋁板制成。

2.3 樣機實驗及數據分析

2.3.1 樣機實驗過程簡介

由于實驗條件限制，本實驗主要對熱管性能進行測試。因室外條件（熱管啟動要求室外氣溫≥30⁰C）的限制，實驗時間選在8月中旬。從實驗數據來看，室外氣流溫度一般在34⁰C-36⁰C之間。又考慮到熱管最小啟動溫差為3 ⁰C，所以用分體式空調機組對室內溫度進行控制，使其保證在24⁰C-26⁰C之間。將熱管熱回收裝置安裝于普通空調房間窗戶中，結構尺寸不吻合之處用泡沫塑料板封住，避免外界氣流與室內氣流混合。

風量測量

風速測量儀器是熱電風速儀，將風口面積N等分，用一個測點風速表示每部分的平均風速，再將這N個風速求平均值作為平均氣流速度。為了保證風速測量的正確性，從風口接出一段風道，將風速儀傳感器置于各部分的中部，讀取數據。

　　　　(1)

這里，—平均風速（m/s），

—表示第i個部分的平均風速（m/s）。

測量風口面積為A(m²)，風量(m³/h)由式(2)求出：

　　　　(2)

這里，—風機風量（m³/h），

—風口面積（m²）。

溫度測量

因實驗條件有限，測量溫度使用干球溫度計。將感溫頭用錫箔紙包住，以避免受太陽輻射影響。溫度測量的數據包括蒸發段入口溫度、蒸發段出口溫度、冷凝段入口溫度、冷凝段出口溫度和室內溫度。同時可將蒸發段新風入口溫度作為室外空氣溫度。蒸發段和冷凝段換熱量分別由式（3）和式（4）求出：

這里，—蒸發段換熱量（J），

—冷凝段換熱量（J），

—空氣比熱（kJ/kg·K），

—空氣密度（kg/m³），

—蒸發段入口溫度（⁰C），

—蒸發段出口溫度（⁰C），

—冷凝段入口溫度（⁰C），

—冷凝段出口溫度（⁰C）。

這里雖未使用焓差公式計算換熱量，但經過計算校核發現本公式在工程誤差范圍內，可以采用。故熱回收效率按下式計算：

　　　　(5)

這里， —熱回收效率（％），

—實際換熱量（J），

—最大換熱量（J），

2.3.2 數據分析

實驗室內外溫差滿足最小啟動溫差（3⁰C）要求。在熱管運行初期（約60分鐘），熱管的熱回收效率比較低。熱管達到穩定運行后，熱回收效率可以保持在比較高的水平，可以看出此時熱管的相變換熱比較充分，可以達到設計參數要求。影響熱管熱回收效率的因素很多，包括室內外溫度、風速、熱管的結構形式、翅片與管的接觸是否良好、工作液的熱物性等。有待繼續研究。

充液率定義：在冷態條件下蒸發段內的工作液淹沒高度l₁余蒸發段的有效加熱高度l₀之比^[6]。分離式熱管的充液量不僅與它的熱負荷有關，還與蒸發管的結構特性、凝結液的連通管幾何尺寸及工作液的物性有關。

充液率是影響分離式熱管傳熱效果的重要因素之一，也是設計和應用必不可少的參數。

在熱管運行初期(約60分鐘左右)，相變循環尚未穩定，不同充液率條件下蒸發器進出口溫差都有明顯的波動，且溫差呈上升趨勢。在搭導熱管穩定運行之后，充液率在80%的條件下， 溫差一直保持比較高水平，說明此時熱管蒸發器的蒸發量和冷凝器冷凝回水量已達到很好的平衡，相變換熱非常充分，節能效果明顯。當充液率達到或者超過100%，充液量過大，汽液混合物將進入蒸汽上升管，甚至到冷卻段，工質在蒸發器段無法完全沸騰蒸發，已無法實現充分相變換熱，降低了熱管系統的傳熱性能。若充液率過小，從熱管底部算起，充液率低于蒸發段的60%時就出現管壁過熱。這是由于冷熱流體溫差較小、熱流密度亦小，不能形成劇烈的沸騰，管內氣體工質攜帶的液體量不足以濕潤全部蒸發段內壁所致。因此，對空調系統排風能量回收的熱管換熱器，其充液率應在80%左右為宜。

由能量守恒原理，蒸發器段吸收的熱量與冷凝器段放出的熱量相同，在風量大致相等的條件下，故冷凝器溫差與蒸發器溫差有相似的變化曲線。因此，可用相同的原理作同樣分析，此處不再贅述。

3 總結與展望

樣機采用分體式熱管熱回收裝置，熱管型式的設計在傳統思維的基礎上進行創新，采用對板翅式換熱器進行封閉，避免了傳統熱管因翅片與管子接觸不良而影響換熱的情況，同時簡化了設計。

熱管熱回收效率與諸多因素有關，本文只考慮室內外溫差，其他因素如風速等還可進一步研究。

不同的充液率對熱管傳熱效果影響明顯，分別在充液率為60%，80%和100%條件下的實驗表明，充液率為80%時，傳熱效果最好。對充液率影響的理論分析還有待研究。

本文參考了大量相關文獻，初定最小溫差為3⁰C。但實際熱管啟動的最小溫差還需進行實驗和理論探究。

需要指出的是，對熱管—空調器組合系統的整體性能還需進行實驗研究，找出其影響因素，再配以計算機系統運行仿真，以達到對系統進行優化設計，從而優化運行^[9]。

參考文獻

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

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

[3] 陳振乾, 施明恒. 熱管熱回收空調系統的研究，建筑熱能通風空調，2000，4: 9-11

[4] 魚劍琳，張華等. 熱管換熱器在房間空調器上的應用，西安交通大學學報，1996，30 (10): 64-69

[5] 敖永安，謝忠奎，李志新. 熱管式空調系統的節能分析，沈陽建筑工程學院學報，1998， 14 (3): 270-273

[6] 林宗虎，陳立勛. 鍋內過程. 西安：西安交通大學出版社，1990

[7] 錢伯章. 熱管換熱器的發展應用，化工機械，1996 (5): 295-302

[8] S.W.紀(著)，蔣章焰(譯). 熱管理論與實用. 北京： 科學出版社，1981

[9] 劉鳳田，黃祥奎. 空調用分體熱虹吸熱管冷熱回收裝置的試驗研究，暖通空調，1994 (4): 25-27

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