1、畢業設計(論文)文獻翻譯學生姓名： 季天宇 學 號： P3501120509 所在學院： 能源科學與工程學院 專 業： 熱能與動力工程 設計(論文)題目：12000Nm3/h氣-氣熱管換熱器的設計指導教師： 許 輝 2016年3月10日熱管換熱器余熱回收的應用綜述W. Srimuang, P. Amatachaya摘 要用熱管回收廢熱是一種公認的可以節約能源與防止全球變暖的有效手段。本文將對用于余熱回收的熱管換熱器，特別是對傳統熱管、兩相閉式熱虹吸管和振蕩熱管換熱器的節能和增強效率的問題進行總結。相關的論文被分為三大類，并且對實驗研究進行了總結。分析這些研究報告的目的是為未來的工作打下基礎。最

2、后，總結出傳統熱管（CHP）、兩相閉式熱虹吸管（TPCT）和振蕩熱管（OHP）換熱器的效率參數。本文也提供了用于熱回收系統中的熱管熱交換器的設計的最佳方案。關鍵詞：熱管 回收 效率 氣-氣目錄1. 引言2. 熱管換熱器的類型3. 熱管在熱回收方面的應用4. 氣-氣熱管換熱器及試驗臺5. 氣-氣熱管換熱器效率的影響因素6. 結論參考文獻1.引言利用熱管回收廢熱是一個對于節約能源與防止全球變暖的極佳手段。熱管換熱器作為一種高效的氣-氣熱回收裝置廣泛地應用于商業與工業生產中。熱管換熱器之所以能成為最佳的選擇，是因為廢氣與供給空氣之間不會有交叉泄漏。它擁有許多優勢，比如有較高的換熱效率，結構緊湊，沒有

3、可動部件，較輕的重量，相對經濟，空氣側較小的壓降，熱流體與冷流體完全分離，安全可靠。熱管換熱器被廣泛應用于各個行業（能源工程，化學工程，冶金工程）的廢熱回收系統。熱管換熱器最重要的一個功能是從鍋爐的廢熱中回收熱量。圖1顯示的是傳統鍋爐與加裝了熱管換熱器的鍋爐的比較。在傳統鍋爐中（圖1a），廢氣被直接排放到空氣中，不僅浪費能源，而且還會污染環境。使用熱管換熱器（圖1b）不僅減少了能源消耗，而且保護了環境。無論如何，對于使用熱管進行熱回收，特別是關于節約能源和環境效益的研究都是有必要的。 對于傳統熱管（CHP）、兩相閉式熱虹吸管（TPCT）和振蕩熱管（OHP）換熱器的應用進行綜述。本文的結論也提供

4、了關于熱管換熱器的設計和此領域未來的研究的一些建議。圖1 用于預熱的熱回收裝置2.熱管換熱器的類型 熱管換熱器也被作為利用汽化潛熱以較小的溫差在長距離間傳遞熱量的熱傳遞設備。它是由一根充滿了適當的工作液體的封閉的管子構成。熱管分為三類：傳統熱管（CHP）、兩相閉式熱虹吸管（TPCT）和振蕩熱管（OHP）。在實際過程中，當熱量進入蒸發器，平衡被打破并在稍高的壓力下產生蒸氣和溫度。增加的壓力使蒸汽流向管子的冷凝段，冷凝段稍低的溫度使蒸汽冷凝并且釋放汽化潛熱。冷凝后的液體通過傳統熱管吸液芯的毛細作用或者兩相閉式熱虹吸管的重力作用返回蒸發段。符號說明 內徑（m） 外徑（m） 充液率 壁厚（mm） 管長

5、（m） 導熱系數（W） 溫度（） 速度（m/s）下標說明a絕熱c冷凝段e蒸發段in進口out出口 兩相閉式熱虹吸管在本質上是熱管，但是沒有吸液芯結構。傳統熱管與兩相閉式熱虹吸管的不同在于兩相閉式熱虹吸管使用重力將熱量從冷源下方的熱源進行傳遞的。結果導致，蒸發段位于冷凝段下方。工作液體在冷凝段蒸發、冷凝，并且在重力的影響下回流到蒸發段。如果能夠利用重力，兩相閉式熱虹吸管是最佳的選擇，因為傳統熱管的吸液芯會對冷凝液體的流動產生一個額外的阻力。圖2展示了傳統熱管與兩相閉式熱虹吸管的主要區別1。 振蕩熱管或脈動熱管（PHPs）是熱管技術最新的發展之一。工作液體在傳統熱管中通過毛細作用以逆流的形式在熱源

6、與冷源之間不斷循環。與傳統熱管不同的是，工作液體在振蕩熱管中在其軸向方向振動。脈動熱管的基本傳熱機制是與相變（蒸發和冷凝）有關的振蕩運動現象。振蕩熱管是由一根連續的毛細管彎曲而成。毛細管的直徑要足夠小以允許液體和蒸汽能夠共存。振蕩熱管的基本原理是當彎曲的毛細管的一段受到高溫影響時，內部的工作液體蒸發并提升蒸汽壓力，這將導致蒸發區產生氣泡。這會將液柱推向低溫端（冷凝器）。低溫端的冷凝將會進一步增加兩段的壓差。由于相互連接的管子，液滴和氣泡在管子里往冷凝器的運動這使他們向著高溫端（蒸發器）運動。從而，使熱量從加熱部分傳遞到冷卻部分。振蕩熱管的優勢在于不需要吸液芯來傳遞液體。也不需要泵提供動能，所以

7、振蕩熱管的傳熱是被動的。事實上，它不需要熱源吸收的熱量以外的能源。但是，振蕩熱管的整體阻力一般要大于傳統熱管，振蕩熱管能夠適應更大的流量。熱管換熱器是自成一體，自我維護的被動能源回收裝置。利用蒸汽液體流動使它有非常大的傳熱系數。管子中液滴的蒸發和氣泡的形成使液滴和氣泡在振蕩熱管中保持振蕩。驅動力是由核沸騰和工作液體的冷凝提供的。熱管換熱器能夠將熱量從高溫段轉移到低溫段。振蕩熱管有幾點優勢：成本較低，熱傳遞性能出色，熱響應速度快，可操作性高以及操作靈活。振蕩熱管分為三類（圖3）圖3a為閉環振蕩熱管（CLOHP），取名閉環振蕩熱管是因為它由長的封閉的環形毛細管構成。工作流體在管子縱軸線方向的振蕩導

8、致熱量傳遞。圖3b為帶止回閥的閉環振蕩熱管（CLOHP/CVs）。它由一根在末端以接合的方式形成封閉環形的毛細管構成。帶止回閥的閉環振蕩熱管在閉環上合并了一個或多個可控方向的單程止回閥，這樣就可以讓工作液體只向指定的方向流動。圖3c為封閉式振蕩熱管（CEOHP），它由一根長的毛細管構成，毛細管兩段都封閉。這樣，熱傳遞僅僅通過快速的振蕩和脈動壓力波擾動發生。圖2 傳統熱管（CHP）和兩相閉式熱虹吸管（TPCT）圖3 振蕩熱管的類型3.熱管在熱回收方面的應用 最近，研究人員對于使用熱管回收熱量越來越感興趣。也有論文開始分析熱管的應用、設計、結構和熱力性能。Noie-Baghban和Majideia

9、n2介紹了用于手術室廢熱回收的傳統熱管。該熱管是為低溫源（1555）設計的。研究發現常規熱管的效率是0.16，雖然它取決于熱管的直徑和翅片間隙。但是該值還是太小，因為該熱管是為低溫工況設計的。Abd El-Baky和Mohamed3為了冷卻新風將傳統熱管應用于空調系統的新風和回風之間的熱回收上。測試回風與新風的質量流率之比（1,1.5和2.3）來驗證熱傳遞和新空氣溫度的變化。在測試過程中，新空氣的進口溫度控制在32-40之間，而回風進口溫度約為26且保持不變。Martinez等人4為空調設計了一種由兩根傳統熱管和間接蒸發換熱器構成的混合能源回收系統。混合能量的能量表征回收系統與實驗設計技術同時

10、進行。一個主要結論被應用于空調的由兩根傳統熱管和間接蒸發換熱器構成的混合能源回收系統的安裝，能回收回風的部分熱量，從而提高能源效率以及減少對環境的影響。表1傳統熱管，兩相閉式熱虹吸管和振蕩熱管的幾何特征。熱管管數工作流體/充液率翅片吸液芯作者CHP材料:銅:15mm:3mm:300mm,:600mm,:300mm8材料:甲醇無100孔不銹鋼Noie-Baghban and Majideian 2CHP材料:銅:12.7mm:50cm:20cm,:10cm,:20cm25材料:R11,R123類型:連續翅片材料:鋁厚度:0.5mm100孔黃銅Abd El-Baky and Mohamed 3CH

11、P材料: -:12.7mm:2.1mm:62cm12材料:3.04克氨無350孔不銹鋼Martinez et al. 41類TPCT材料:銅OD:15.88mm:1.22mm:300mm,:150mm,:300mm24材料:水充液率:蒸發段60%類型:連續翅片材料:銅(蒸發段)鋁(冷凝段)間隔:每米472片厚度:0.162mm無Lukitobudi et al. 52類TPCT材料:鋼:26.27mm:7.65mm:300mm,:150mm,:300mm10材料:水充液率:蒸發段60%類型:螺旋形翅片材料:鋼間隔:每米315片厚度:0.8mm直徑:52.7mm無3類TPCT材料:銅:15.88

12、mm:1.22mm:300mm,:150mm,:300mm24材料:水充液率:蒸發段60%無無TPCT材料:鋼:20mm:1.5mm:150mm,:5mm,:150mm50材料:水充液率:蒸發段35%類型:板式翅片材料:鋼間隔:每米315片厚度:1.5mm高度:8mm無Yang et al. 61類TPCT材料: 銅:0.127m:1.5mm:0.45m7材料:甲醇充液率: 類型:板式翅片材料:銅數量:共計70片厚度:0.45mm高度:0.048m無Riffat and Gan 72類TPCT材料: 銅:0.127m:1.5mm:0.45m3材料:甲醇充液率: 類型:柱形翅片材料:銅數量:共計

13、300片厚度:0.45mm直徑:0.7mm無3類TPCT材料: 銅:18mm:365m6材料:甲醇充液率: 類型:百葉窗翅片材料:鋁數量:共計96片間隔:2mm高度:60mmTPCT材料: 銅:15mm:660mm,:300mm,:300mm24材料:R22充液率:蒸發段60%類型:板式翅片材料:鋁間隔:每米32片厚度:0.164mm高度:140mmWu et al. 8CEOHP:2mm:190mm,:190mm:600mm1材料:水充液率:蒸發段50%Rittidech et al. 9CLOHP/CVs:2mm:190mm,:8mm:190mm,:358mm1材料:R134a充液率:蒸發

14、段50%Meena et al. 10 在兩相閉式熱虹吸管的應用方面，Lukitobudi等人5的設計，他們制造并測試了一臺用于面包店的中溫兩相閉式熱虹吸管換熱器。該換熱器十分高效（65%），但是作者聲明運行過程中超載的壓力可能會對換熱器造成損傷。楊峰等人6研究了一種可能的應用使用兩相閉式熱虹吸管換熱器回收大型客車發動機產生的廢熱為乘客供暖。Riffat和Gan7探討了自然通風建筑的兩相閉式熱虹吸管換熱器效率。在他們的研究中，他們在兩個測試室測試了三種兩相閉式熱虹吸管換熱器的熱回收部件。第一種兩相閉式熱虹吸管換熱器由七對翅片的熱管組成，第二種有螺旋狀的翅片，第三種是由兩排交錯的兩相閉式熱虹吸管

15、構成。使用計算熱力學模擬來求解部件的壓力損失特性。根據實驗結果，空氣的流速顯著地影響了兩相閉式熱虹吸管熱回收部件的效率。對于相同的速度，換熱器的效率在16%到17%之間，并且將翅片從一排變為兩排能夠提高效率。根據計算熱力學模擬的結果，當速度為1m/s時，2排平行安裝的6根熱管的預測壓力損失系數為3.3，而交錯安裝的為4.2，7個小平板的換熱器為3.7。研究建議對于自然通風的底層建筑，除去風的影響后，風速的設計平均值應小于1m/s。吳曉平等人8研究了兩相閉式熱虹吸管換熱器在空調系統中的濕度控制。這種類型的換熱器對于取代傳統再熱器有很大的優勢，只需要少量或無需外部能源能夠節約能源并增強冷卻盤管的冷

16、卻能力。圖4 用于熱回收的傳統熱管換熱器 對于振蕩熱管換熱器，Rittidech等人9使用封閉式振蕩熱管空氣預熱器對空氣進行烘干。該方法需連接冷凝段和新空氣段，并且蒸發段要與熱源連接。封閉式振蕩熱管空氣預熱器需要一臺適當的烘干機。對熱傳輸速率與效率進行測量并與預測值比較。研究發現在干燥系統中的空氣預熱環節使用封閉式振蕩熱管換熱器能夠節約能源。一個與之類似的研究，Meena等人10設計了一種帶止回閥的閉環振蕩熱管用于在干燥系統中減少相對濕度。研究展示了在空氣預熱時使用帶止回閥的閉環振蕩熱管能夠減少相對濕度并且節約能源。圖5 面包店用于熱回收的兩相閉式熱虹吸管換熱器圖6 封閉式振蕩熱管預熱器圖7

17、帶止回閥的閉環振蕩熱管預熱器4. 氣-氣熱管換熱器及試驗臺 表1總結了傳統熱管2-4，兩相閉式熱虹吸管5-8，振蕩熱管9,10的幾個特點。以之前的研究為基礎，以傳統熱管，兩相閉式熱虹吸管，振蕩熱管為基礎設計了不同形式的熱回收裝置(圖4-7)。每一篇論文都描述了細節部分。文獻2中的試驗臺（圖8a）一根傳統熱管被垂直的安裝在兩個鋅制箱體內，兩側的風扇在蒸發段和冷凝段提供0.103m3/s的氣流。通過空氣測速儀測量兩側的氣流速度均為2.3m/s。通過三個箱體底部的電加熱器（總功率為1500W）來加熱空氣。空氣在蒸發段獲得這部分熱量后被排放到空氣中。在另一個實驗中3（圖8b）實驗區由兩個通過風扇與水平

18、的傳統熱管連接的0.3m0.22m的管道構成。為了安裝傳統熱管換熱器在兩個管道的一邊開一個0.3m0.3m的方形孔。新風管道安裝了一個送風機來為傳統熱管換熱器的蒸發側提供空氣。冷的回風與熱的新風管道用玻璃棉（50mm厚）進行熱絕緣，將熱損失降到最小。使用皮托靜壓管測量兩側管道內的氣流速度。新風的流量控制在0.4kg/s，但是回風的流量一直在變化，0.4,0.6和0.933kg/s。圖9是文獻4中實驗裝置的示意圖，整個系統由以下部分組成：（1）參數可變的空氣處理單元，用它來模擬室外空氣（溫度，濕度和風速）；（2）維持提供空氣參數的房間；（3）空氣分配管道；（4）熱管換熱器；（5）間接蒸發式換熱器

19、；（6）由一臺氣-氣熱泵保持舒適參數的房間（1.2m1.2m1.5m）；（7）獲取監控數據的電腦（硬件和軟件）。文獻5中的試驗臺被用來測試兩相閉式熱虹吸管的效率（圖10），一個電加熱器在上部冷凝段加熱空氣，熱空氣逆流回蒸發段。風扇由一個可調速的發動機帶動，表面風速可以在1和5m/s之間調節。進入蒸發段的熱量可以在4和20kW之間調節，取決于實際加熱部件的數目。使用熱電偶（K型）監控溫度的變化。通過電腦數據記錄系統處理這些數據。圖11為文獻6中的實驗裝置，由呈邊長20mm的正三角形交錯的熱管構成。在換熱器中有九行大約50根熱管。換熱器外殼的尺寸為210mm305mm350mm。填充了工作液體水的

20、鋼管外徑為20mm，管子的厚度為1.5mm，長為310mm，蒸發段長150mm，冷凝段末尾的預制裝配長度為5mm。在冷凝段，外部有金屬環形翅片。翅片的厚度和高度分別為1.5和8mm。每個翅片之間的間隔為8mm。為了與耐熱性匹配，在蒸發段使用光管。為了檢測換熱器是否符合要求，測量換熱器的性能就尤為重要。換熱器的熱流體進口管道與總線的出口通過消聲器連接。用一臺100mm水柱壓頭，400m3/h體積流量，120W的送風機驅動換熱器里的空氣。環境溫度為8。控制室和進氣道的尺寸分別為1840mm2300mm1620mm和1810mm2300mm7040mm。發動機是一個6缸汽油發動機，最大轉速是3000

21、rpm，氣缸容積為5.42升。在另一個研究中，Riffat和Gan7評估了兩相閉式熱虹吸管熱回收裝置在自然通風建筑中工作的性能。在測試室中測量三種熱管單元的效率。測試室由膠合板構成并用聚氨酯層進行隔熱處理。測試室內部空間為1.169m1.133m總高度為2.335m。它被水平分割為兩個空間。在隔板的中間有一個開口（0.215m0.215m）可以使兩邊的空氣自由流動。測試室的內部空間為3.09m3。進氣和排氣的管道與一面垂直的墻相連。管道也是由膠合板制成。文獻8中的試驗臺（圖12），通過蒸發段進入熱管換熱器的空氣是經過電加熱和由電鍋爐產生蒸汽加濕的。經過預冷的空氣離開熱管換熱器的蒸發段，然后經過

22、一個冷卻盤管進一步冷卻，最后返回熱管換熱器的冷凝段。氣流呈逆流配置。一個可變速的風扇將空氣送入管道，較低部分的管道是一個邊長25cm的正方形，在返回部分則變為直徑25.4cm的圓形管道。最后一個實驗是文獻9，描述在干燥過程中封閉式振蕩熱管的預熱作用（圖13）。管道與熱氣流方向對齊排布。冷凝段與新空氣段向連接，并且蒸發段與熱源相連接。封閉式振蕩熱管空氣預熱器需要一臺適當的烘干機。原型管道，包括了纖維絕緣，有一個200mm200mm的橫截面。從燃燒器來的熱空氣通過封閉式振蕩熱管預熱。在文獻10的實驗中（圖14），熱空氣通過帶止回閥的閉環振蕩熱管預熱。通過記錄蒸發段和冷凝段進出口的溫度來計算換熱速率

23、和效率。 這些研究為設計者和研究者選擇適合的實驗裝置來調查熱管換熱器的在熱回收系統中的性能提供了很多幫助。圖8用于傳統熱管換熱器熱力性能測試的試驗臺2,3圖9水平傳統熱管熱力性能測試示意圖4圖10用于測試兩相閉式熱虹吸管換熱效率的試驗臺5圖11通過回收廢氣余熱給乘客供暖的示意圖6圖12用于增強制冷能力的試驗臺85.氣-氣熱管換熱器效率的影響因素 本節的重點是測量熱管換熱器在熱回收方面的效率。表2比較了之前提到的論文2-10中的各個有關效率的參數。通過考察這些基于氣-氣熱管換熱器效率的參數，我們得出結論，熱管換熱器的效率取決于以下四個因素：（1）蒸發段的進口溫度影響了換熱器整體的效率。在文獻2,

24、6,9,10（圖15）中有詳細描述。換熱器效率隨著進口溫度的增加而提高。（2）蒸發段和冷凝段中冷熱空氣的流速。隨著冷熱空氣流速的增加，換熱器效率降低（圖16）。文獻3,5,7,8,10中有詳細描述。（3）在幾何排布方面，將熱管整齊排布或者交錯排布以及熱管的直徑都會影響效率。文獻5,7（圖17）中有詳細描述。（4）工作流體的種類影響熱管換熱器的效率。文獻2,9中有詳細描述。如果將工作流體從水換成R123，換熱器的效率將提高。因為R123有更小的潛熱（圖15a）。圖 13烘干機中用于節約能源的封閉式振蕩熱管空氣預熱器9表2傳統熱管，兩相閉式熱虹吸管和振蕩熱管換熱器研究參數的對比類型控制參數可變參數

25、效率作者CHP-冷空氣，-熱空氣，-吸液芯類型-熱輸入率，20400W0.16Noie-Baghban and Majideian 2CHP-返回冷空氣溫度，-冷空氣，-質量流率，12.330.26Abd El-Baky and Mohamed 3CHP-熱管幾何形狀-主氣流，50160m3/h-主空氣溫度，2545-主空氣相對濕度(%）,3060-水流，100300L/h-二次空氣再循環率(%）,257582.5Martinez et al. 4TPCT-冷空氣，-充液率-工作流體-冷熱空氣速度，-熱管材質-翅片材質和類型0.180.63Lukitobudi et al. 5TPCT-冷空氣

26、速度-充液率，蒸發段35%-廢氣溫度，0.28Yang et al. 6TPCT-工作流體-不同的熱管直徑和翅片-空氣流速，0.01450.1887m3/s0.220.64Riffat and Gan 7TPCT-工作流體-充液率-空氣表面速度，Wu et al. 8TPCT-冷空氣，-充液率-工作流體-冷熱空氣速度，-熱管材質-翅片材質和類型0.180.63Lukitobudi et al. 5TPCT-冷空氣速度-充液率，蒸發段35%-廢氣溫度，0.28Yang et al. 6TPCT-工作流體-不同的熱管直徑和翅片-空氣流速，0.0145-0.1887m3/s0.220.64Riffa

27、t and Gan 7TPCT-工作流體-充液率-空氣表面速度，Wu et al. 8CLOHP-熱氣體，-充液率-工作流體-熱氣體，=60,70或800.380.54Rittidech et al. 9CLOHP/CVs-熱管內徑-熱管總長-熱空氣，=0.5,0.75或1m/s-熱空氣，=50，60或700.290.76Meena et al. 10圖14在干燥系統中減少相對濕度的試驗臺10圖15進口溫度對蒸發器效率的影響9,10圖16空氣流經蒸發段速度的影響5圖17熱管數量和翅片形狀對效率的影響76.結論 本文介紹了用于熱回收的熱管換熱器的應用。用于熱回收的熱管包括了一個高效的氣-氣熱回收

28、裝置，減少了商業和工業上的熱量損失，確保能夠節約能源并保護環境。它既不需要外部能源也不需要冷卻水和潤滑系統。它將會是最佳選的擇，因為廢氣與供氣之間幾乎不存在交叉泄漏。熱管換熱器具有許多優勢，比如有較高的換熱效率，結構緊湊，沒有可動部件，較輕的重量，相對經濟，空氣側較小的壓降，熱流體與冷流體完全分離，安全可靠。為了支持以后的研究，達到提高熱力性能的目的，提出以下幾點建議：（1）改變熱管的表面或直徑；（2）增加流體在蒸發段和冷凝段停留的時間；（3）增加適合的管道使流體能夠自由往返與蒸發段和冷凝段；（4）考慮工作流體的類型，質量和體積充液率；（5）讓工作流體快速起泡；（6）在閉環振蕩熱管中讓工作流體

29、朝一個方向流動。參考文獻1Reay D, Kew P. Heat pipes: theory, design and applications. fifth ed. Butterworth-Heinenmann; 2006.2Noie-Baghban S, Majideian G. Waste heat recovery using heat pipe heat exchanger (HPHE) for surgery rooms in hospitals. Applied Thermal Engineering 2000;20:127182.3Abd El-Baky MA, Mohamed

30、MM. Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning. Applied Thermal Engineering 2007;27:795801.4Martinez FJR, Plasencia MAA, Gomez EV, Diez FV, Martin RH. Design and experimental study of mixed energy recovery system, heat pipe and indirect evaporative equipment for air conditioning. Energy and Buildings 2003;35:102130.5Lukitobudi AR, Akbarzad