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热管换热器在余热回收中的应用
摘要：热管余热回收被认为是节约能源和防止全球变暖的一个很好的方法。本文综述了热管换热器在热回收方面的应用，重点介绍了传统热管、两相闭式热虹吸管(TPCT)和振荡热管换热器的节能和增效。相关论文分为三大类，并对实验研究进行了总结。对这些研究论文进行了分析，以支持未来的工作。最后，描述了热电联产、TPCT热交换器和OHP热交换器的效率参数。这篇综述文章为热回收系统中具有最佳条件的热管换热器的设计提供了额外的信息。
关键词: 热管，回收，效率，空气-空气
目录
1. 导言 ·························································4303
2. 热管换热器的种类 ··············································4303
3. 热管在热回收中的应用 ···········································4305
4. 空对空热管换热器及其试验台 ····································4307
5. 测量空对空热管换热器的有效性 ································4312
6. 结论 ·························································4314
参考资料 ·····················································4315
1 介绍
利用热管进行废热回收是节约能源和防止全球变暖的一个极好的方法。热管换热器(HPHE)在商业和工业应用中被用作高效的空气-空气热回收装置。HPHE是最佳选择，实际上废气和供气之间没有交叉泄漏。它具有热回收效率高、体积小、无运动部件、重量轻、相对经济、空气侧压降小、冷热流体完全分离、可靠性高等优点。HPHE已作为废热回收系统广泛应用于许多行业(如能源工程、化学工程和冶金工程)。高性能热交换器最重要的应用之一是从烟囱废气中回收热量。图1示出了热管用于热回收的应用与传统炉的比较。在传统的炉子中(图1a)，废气直接进入周围区域，这不仅浪费能量，而且损害环境。使用HPHE(图1b)既减少了一次能源消耗，又保护了环境。然而，需要对热管用于热回收进行研究，特别是在节能和环境效益方面。综述了常规热管、两相闭式热虹吸管(TPCT)和振荡热管换热器在热回收方面的应用。本文的研究结果为热管换热器的优化设计和该领域的进一步研究提供了补充信息。
图1 炉子燃烧前预热空气的热量回收。
2 热管换热器的类型
高性能热交换器是一种传热装置，它利用汽化潜热在相应的小温差下远距离传热。它由充满适当工作流体的封闭管组成。热管可分为三种类型:传统热管、两相闭式热虹吸管(TPCT)和振荡热管(OHP). 在操作中，当热量进入蒸发器时，平衡被扰乱，产生压力和温度稍高的蒸汽。压力增加导致蒸汽沿管道流向冷凝器部分，在冷凝器部分，稍低的温度导致蒸汽冷凝并释放其汽化潜热。冷凝的流体通过热电联产中的毛细作用或TPCT中的重力返回蒸发器部分。
命名法
ID 内径(m)
OD 外径(m)
FR 充填率
W 壁厚(mm)
L 管子长度(m)
Q 热传递速率(W)
T 温度（◦C）
V 速度（m/s）
下标
a 绝热的；隔热的
c 冷凝器；电容器；聚光器
e 蒸发器，蒸发设备
in 输入；输入电路
out 输出，输出量
热传输管本质上是热管，但没有芯结构。热电联产和TPCT之间的区别在于，TPCT利用重力从位于冷阱下方的热源传递热量。因此，蒸发器部分位于冷凝器部分之下。工作流体蒸发，在冷凝器部分冷凝，并在重力作用下流回蒸发器部分。当可以利用重力时，热交换器优于热管，因为热管中的芯对冷凝液的流动产生额外的阻力。图2说明了热电联产和TPCT [1]之间的主要区别。
图2 常规热管和两相闭式热虹吸管(TPCT) [1]
脉动热管是热管技术的最新发展之一。与热管内的工作流体通过热源和散热器之间的毛细作用力以逆流的形式连续循环的热电联产相比，热电联产中的工作流体在其轴向上振荡。脉动热管的基本传热机制是与相变(蒸发和冷凝)现象相关的流体的振荡运动。OHP由一束一圈的连续毛细管组成。毛细管的直径必须足够小，以允许液体和蒸汽塞共存。OHP的基本原理是，当波状毛细管的一束匝的一端受到高温时，内部的工作流体蒸发并增加蒸气压，这导致气泡在蒸发器区域生长。这将液柱推向低温端(冷凝器)。低温端的冷凝会进一步增加两端的压差。由于管的相互连接，在管的一个部分朝向冷凝器的液体段塞和气泡的运动也导致下一个部分朝向高温端(蒸发器)的段塞和气泡的运动。因此，热量可以从加热部分传递到冷却部分。OHP的优点是不需要芯结构来输送液体。也没有泵，所以OHP是被动的。运行时，除了被排出的热量外，它不需要其他动力。虽然OHP的总阻力通常大于热电联产，但是OHP可以在更大的热通量下运行；该系统利用沸腾，并且不受临界热通量之外的沸腾极限的限制。HPHE是一个自给自足，自我维护的被动能源回收装置。它有一个非常大的传热系数利用蒸汽液体流动。OHP中液塞和气泡的振荡是通过液体液塞的蒸发和管道中气泡的冷凝来自持的。驱动力是由核态沸腾和工作流体的冷凝引起的。HPHE可以将热量从高温部分传导到另一个温度较低的部分。OHP具有多个优点:制造成本低、传热性能好、热响应快、可在任何位置操作以及操作灵活。OHPs可分为三种主要类型(图3)。图3a是闭环振荡热管(CLOHP)，因其形成闭环的长毛细管而得名。热量通过工作流体在管道纵轴方向的振动传递，并在两个方向上叠加整体循环。图3b是带有止回阀(CLOHP/CVs)的闭环振荡热管。它由一根长毛细管制成，两端连接形成一个闭环。闭路循环/循环阀在回路中包含一个或多个方向控制单向止回阀，以便工作流体只能在指定的方向上循环。图3c是封闭端振荡热管(CEOHP)，由两端封闭的长毛细管制成。在这种情况下，热传递仅通过由快速波动的压力波扰动驱动的振荡发生。
图3 振荡热管的类型
3热管在热回收中的应用
最近，研究人员对用于热回收的热管技术产生了浓厚的兴趣。研究分析了热管的应用、设计、构造和热性能。Noie-Baghban和Majideian [2]研究了医院手术室使用热电联产的废热回收。热电联产设计用于低温源(15–55摄氏度)。研究发现，热电联产的效率为0.16，尽管它取决于直径和翅片间隙。该值非常小，因为热电联产是为低温运行条件设计的。阿卜杜勒·巴基(Abd El-Baky)和穆罕默德[3]将热电联产应用于空调系统中两股新鲜空气和回风之间的热量回收，在空调系统中，进入的新鲜空气可以得到冷却。测试返回空气和新鲜空气之间的质量流量比(1、1.5和2.3)，以验证热传递和新鲜空气的温度变化。在测试过程中，新鲜空气入口温度控制在32–40℃的范围内，而入口回风温度保持恒定在大约26℃。Martinez等人[4]设计了一个混合能量回收系统，该系统由两个热电联产和用于空调的间接蒸发换热器组成。利用实验设计技术对混合能量回收系统进行了能量表征。主要结论是，通过在由两个热电联产和间接蒸发系统组成的空调装置中应用混合能量回收系统，可以回收来自返回气流的部分能量，从而提高能效并减少环境影响。
表1
热电联产、TPCT和OHP换热器的几何特性的总结
|
管道 管子 工作流体/ 数量 阻燃剂 散热翅片 芯 作者 |
CHP 材质：铜
外部尺寸：15毫米
Wt:3毫米 8 材料:甲醇 无 100圈不锈钢 Noie-Baghban And Majideian [2]
Le:300毫米，
Lt:600毫米，
Lc:300毫米
CHP 材质：铜
外部尺寸：12.7毫米 类型:连续翅片
Wt：50厘米 25 材料:R11、R123 厚度:0.5毫米 100圈黄铜 Abd El-Baky and Mohamed [3]
Le:20厘米， 材料:铝
La:10厘米，
Lc:20厘米
CHP 材料：-
外部尺寸：12.7毫米
Wt: 2.1毫米 12 材料:3.04克氨 无 350 圈不锈钢 Martinez等人[4]
Lt: 62 厘米
材料：铜 类型:连续翅片
外部尺寸:15.88 毫米 材料:水 材料:蒸发器用铜散热片，
FR:蒸发器部分的60%
TPCT Case 1 24 冷凝器用铝散热片 无 Lukitobudi等人[5]
Wt: 1.22 毫米 间距:每米472个翅片
Le: 300 毫米, 厚度:0.162毫米
La: 150毫米
Lc: 300 m毫米
材料:钢 类型:连续翅片
外部尺寸: 26.27毫米 材料:水 材料:蒸发器用铜散热片，
FR:蒸发器部分的60%
TPCT Case 2 10 冷凝器用铝散热片 无
Wt: 7.65 毫米 间距:每米472个翅片
Le: 300 毫米, 厚度:0.162毫米
La: 150 毫米
Lc: 300 毫米
材料:铜
外部尺寸:15.88毫米 材料:水
FR:蒸发器部分的60%
TPCT Case 3 24 无 无
Wt: 1.22 毫米
Le: 300 毫米,
La: 150 毫米,
Lc: 300 毫米
材料:钢 类型:板翅
外部尺寸:毫米 材料:水 材料:钢
FR:蒸发器部分的35%
TPCT Wt: 1.5 毫米 50 间距:每米315个翅片 无 Yang等人[6]
Le:150毫米； 厚
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