小型热管换热器在空调系统中应用的设计研究正文.docx
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小型热管换热器在空调系统中应用的设计研究正文
小型热管换热器在空调系统中应用的设计研究
孙世梅1王彦平2周景民1
1.吉林建筑工程学院，中国长春，130021
2.吉林省石油化工设计研究院，中国长春，130021
摘要：
本文对空调系统内热管换热器进行了设计、模拟与实验研究，提出了小温差下热管换热器通用设计方案。
同时，为验证设计计算结果的正确性，本文进行了试验研究，试验结果与设计结果吻合良好。
该结果为空调系统内热管换热器模型化、系列化提供了可靠的依据，也为大批量生产提供了工程依据。
关键词：
空调系统，热管换热器，小温差，设计计算，数值模拟
DESIGN,NUMERICALSIMULATIONANDEXPERIMENTSTUDYOFHEATPIPEHEATEXCHANGERINAIRCONDITIONSYSTEM
SunShi-mei1WangYan-ping2ZhouJing-min1
1.JilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,ChangChun132022,China.
2.JilinProvinceDesignandResearchInstituteforPetrochemicalEngineering,
ChangChun132022,China.
Abstract:
Thispaperpresentsdesign,numericalsimulationandexperimentstudyofheatpipeheatexchangerinairconditionsystem,generaldeignproposalofheatpipeheatexchangerinsmalltemperaturedifferencewasdeveloped,meanwhile,thispaperpresentsexperimentalstudytoverifydesignresults,whichareisfairlygoodagreementwithexperimentvalueagreeswithdesignvalue,reliablebasisisofferedformoulderandseriationofheatpipeheatexchangerinthissystem,andengineeringbasisisofferedforvolume-produceofheatpipeheatexchangerinairconditionsystems.
Keywords:
airconditionsystem,heatpipeheatexchanger,lowtemperaturedifference,designcalculation
1.前言
空调系统热回收与除湿一直是暖通空调工程界研究的重要课题,探索与热舒适性、室内空气品质及节能这三大主题相适应或兼容的新系统和新设备是现代社会的迫切要求。
在空调器运行的环境中，空调器在运行时是将封闭空间的空气进行循环加热或冷却，时间一长空气质量将大大降低。
因此大多有空调新风换气的需要，但是若希望节能换气，就需要在换气的同时，将新风与排风进行热量交换或热量回收。
然而，空调系统内换热器的工作环境非常苛刻，热源与热汇间的温差较低，在冬季，冷热气流间的温差在30℃左右，而在夏季该温差不到15℃，因此客观上要求该换热器具有在低温差下能有效地进行热交换，并使换热器单位重量的换热量最大，以减轻换热器体积和重量。
而在此条件下热管换热器是满足空调换气换热器的最佳选择，这主要由于热管换热器具有高的可靠性、传热可逆性、避免冷热流体相互污染、热响应快、启动时间短、以及可在较小的冷热气流温差驱动下进行外部热交换等优点，该装置具有节能、高效、紧凑、投资少的优良特征，结合常规的空调系统，可提高（IndoorAirQuality,IAQ）并降低系统运行费用，是空调系统内一种较为理想的热能回收与除湿装置。
由于此类系统具有温差小，能量回收不大，设计难度大，尤其对小型热管换热器结构设计、内部流动与传热分析研究尚未见深入报道。
因此，本文从结构设计、数值模拟、试验三方进行系统、深入的研究，意在为模型化、大批量工业化生产提供理论依据。
2.低温差小型热管换热器设计
热管换热器的发展最初起源于制冷空调工业［1］，其设计、计算与工业应用热管换热器设计相似，区别在于：
空调系统中，传热温差小，传热量不大，因此，在此系统中的热管换热器的设计、加工和成本是非常重要的，为降低成本，应建议采用整体平板翅片换热器技术，翅片结构如图1所示，热管材料采用铜或铝，工作介质采用R-22或氨。
图1翅片结构简图
图2单根热管导热模型
热管换热器各段热阻计算
根据图3表明的单根热管元件导热模型［2］，在忽略从蒸发段到冷凝段压降及沿热管轴向的导热条件下，各段热阻计算如下：
1）蒸发段与冷凝段管外热阻计算
式中：
与
为管外放热系数，对整体套装翅片热管换热器可按下式计算［3］，热管排列方式如图2所示
2）蒸发段与冷你段管壁热阻计算
3）蒸发段与冷凝段沸腾与冷凝热阻计算
4）热管总热阻为
5）给出热管换热器温度系数
求平均温差：
6）计算理论传热面积和实际设计面积
理论传热面积：
实际传热面积：
7）计算热管根数
单根热管面积：
热管根数：
8）校核
温度系数：
热流体出口温度：
冷流体出口温度：
9）阻力降计算
摩擦系数为:
低温差小型热管换热器结构参数设计
空调系统内的热管换热器的风量是根据有关暖通设计规范中的规定而设计选定的，按规范要求，空调房间新风不得小于30m3／h／人，因此按30m2房间计算，100％新风换气，则需要新风与排风量均取V＝150m3／h，在夏季，热管换热器吸入温度为Th1=35℃，制冷温度（排出温度）Tc2＝25℃，假定热管换热器热侧排风温度为31℃，冷侧排风温度为29℃，根据上述设计依据，热管换热器结构设计参数如表1所示。
表1换热器结构参数
热管外径（mm）
14
蒸发段翅片间距（mm）
1.5
热管换热器结构简图
蒸发段长度（mm）
150
冷凝段翅片间距（mm）
1.5
冷凝段长度（mm）
150
纵向管间距（mm）
20
整体翅片结构（mm）
150×100
横向管间距（mm）
40
蒸发段翅片厚度（mm）
0.5
管子排列方式
4/3:
错排
冷凝段翅片厚度（mm）
0.5
管排数
4
总换热系数W/m2.K
35.4
热管总数
17
总换热面积m2
1.89
对数平均对数温差K
6.5
总换热量W
353
3实验比研究
图4实验装置示意图
3.1热管换热器实验装置
实验是在风冷实验台上进行，冷侧由一台吹风机提供给常温空气，通过空气加热器加热到所需的空气进口温度，然后通过稳流段进入测速区，最后通过换热器带走热量。
在换热器的两侧分别布有热电偶群测量空气的进出口温度，还有测速孔用来测量冷空气的速度以求得冷风的流量。
为测试上述设计的热管换热器的性能建立了试验装置，如图5所示。
试验中，所有的温度都通过T型铜－康铜热电偶测量，并通过冰点校准，随机波动在0.1℃以内。
各热电偶通过补偿导线和接线柱引接到惠普测温仪，将惠普测温仪和计算机串接，通过计算机来存储记录试验数据；加热段与冷凝段的空气流量采用用ZRQF-J型智能风速仪测量；
3.2模拟设计结果与实验结果对比分析
小型换热器内的温度场计算模型参照文献[4]，根据本文建立结构计算模型计算得到的结构参数带入温度场计算模型，即可的如图5所示的模拟计算温度场。
从结果来看，模拟计算值和实验值之间的偏差小于5％，这符合工程的精度要求，且模拟值和实验值吻合的较好。
一方面证明本文建立的桔模拟计算的准确性和合理性，另一方面也为以后的小型热管换热器的设计提供了方便。
图5表明模拟计算值与实验值对比分析结果，
4结论
1.热管换热器因其诸多优良特性，非常适用于空调系统排风的冷热量回收。
2.小型热管换热器的流体流动和传热模拟得到结果和实验结果吻合较好，误差在5％以内，证明小型热管换热器的设计方案是可行的。
3.为提高低温差热管换热器的热交换效率，需采用整体翅片式热管。
4.在空调系统中应用热管换热器既可大幅度地提高新风量改善室内空气品质，消除因空调而产生的“病态建筑物综合症”，为人们创造一种舒适的生活与工作环境。
参考文献
[1]Z.Jon.Zuo,MarkT.North.CombinedPulsatingAndCapillaryHeatPipeMechanismforCoolingofHighHeatFluxElectronics，2002.2
[2]Y．LeeAndA．Bedrossian．TheCharacteristicsofHeatExchangersUsingHeatPipesorThermosyphons．Int.J．HeatTransfer．1978,Vol.21：
221-229
[3]（日）池田义雄.实用热管技术北京 化学工业出版社 1988年10月
[4]孙世梅，张红，热管换热器传热性能及温度场数值模拟研究．化工学报．2004，Vol.55，No.3：
472-476
特种热管及传热介质
一、概述
热能工程一直以来是人类关注的焦点技术领域，早在二十世纪四十年代，国外首先发明了以液体为介质的进行热能传递的元件--热管，作为一种特种传热元件，他以很小的温差传送大量热量，其特性基本上可以归纳为两：
（一）导热性好
（二）均热效果高。
在所有的金属非金属材料中，就传热性能而言，几乎没有哪种材料能够与热管元件相比。
热管的工作介质或称工体流体（WorkingFluid）可有多种，主要是采用水或油，乙醇等液体有机化合物为传热介质，在封闭的真空金属管中通过快速循环的相变达到传热的目的，即先在吸热端接受热能，使介质受热后由液态变为气态，到冷端（即放热端）释放出热能后，介质冷凝还原为液态再返回吸热端，完成一次相变循环。
我们通常将这种热管称为常规热管。
常规碳钢--水热管可以在30℃~200℃的温度范围内工作，并有较高的传热效率，可以快速进行热能传递，并达到一定的节能效果，所以在一些工业部门得到了应用。
但是，由于有机介质热管工作时管内存在较大压强，而压强大小与温度密切相关，温度过高，就会爆管，此外还存在载体材料与其内部工质材料不相容，产生不凝性气体而腐蚀管壁的问题，容易导致热管失效。
进入九十年代以后，随着现代科学技术的迅猛发展，许多尖端设备对温度的传递范围、传热效率、使用寿命等提出了更高的技术要求，使得普通热管已无法满足工作需要。
我公司科研人员从八十年代后期，就一直关注热管工业的发展，在传统热管（Heatpipe）的基础上，经过十余年的潜心研究和不管实验，开发并研制出一种优于传统热管的新型热管--特种热管。
二、特种热管
特种热管采用的是无机介质作为热传导的一种高效传热技术，这是材料科学领域内的一项新的技术发明，其新颖性和独创性目前在国内外有关文献的检索中未见报道，属我国首创的一项领先技术。
特种热管的技术原理为：
独立的（管状、夹层板状及组合状等）系统内加入A、B两种工质后，（管径≥3mm，板状间距≥1mm以上）经过真空处理密封等等工序就构成了特种传热原件。
特种传热元件是一个独立的真空系统，在热能传导过程中介质受热激发产生振荡，可将热能迅速由热端向冷端快速传递并发生摩擦。
众所周知，所有材料（金属和非金属），其自身均存在不同程度的热阻，决定并制约了材料的导热及热交换能力。
热管的应用，减除了传热过程中的热阻，使热能更加适应远距离传递和各种形式的热能交换。
特种热管具有较高的传热能力。
中国科学院一位从事化学和热物理研究30余年的科学家谭志城教授经过深入研究后说，特种热管传热机理及与传热介质传热方式的异同点，使其不仅可以在热管上应用，而且可以在所有涉及热交换和热传递的设备系统中使用，特别是适用于一些有特殊要求的传热系统。
这种无机传热材料的推广、应用将影响所有热量传递的领域，对提高热能利用率，节约能源将产生重大影响，尤其将为取之不尽的太阳能的利用和用之不竭的地热开发几低品位热能的回收开辟一条高速通道。
三、特种传热介质及其载体技术参数
特种传热介质为固体、液体两种，其中固体介质在常温下为灰黑色粉末，由多种无机元素组成，当与液体介质一同灌注在密闭的载体内，并形成一定真空度时，即可实现热能高速传递，传热介质所灌注的载体（管子或夹层片状体）经密闭后，即形成高效热管。
热管材料不受材质限制，可采用金属（如碳钢、不锈钢、铜）或玻璃，塑料等材料，并可采用盘旋管，弯曲板，同时可采用多管（板）组合形成。
特种热管其轴向的导热是以分子告诉运动的特定方式来实现其热能传导的，介质无毒，无污染，对金属无腐蚀。
特种热管的传导速率
金属、非金属材料本身的导热速率取决于材料的导热系数，温度梯度，正交于温度梯度的截面面积，而金属中以银的导热系数最高，其值在415W/MK左右。
经实测，高效热管其轴向热流密度为8.4×106W/m2，径向热流密度为4.3×104W/m2，有效导热系数为3.2×106W/MK，进行对比可知，高效热管的导热速度为白银导热速度的数千倍。
特种热管的使用寿命
经过载体材料（金属、非金属）的速失率测定，老化寿命13万小时左右，介质寿命实测为11万小时，同时热管中介质与管壁的相容性好，可以使传热管长期在较高热负荷下稳定工作。
四、特种热管与普通热管的性能比较
特种热管较普通热管性能的优势主要由以下三方面体现
1、完全性；
2、使用寿命长；
3、传输功率高。
传统热管是采用水或油、乙醇等液态有机化合物作为传热介质；由于这些介质的蒸气压、工作温区及介质相容性等一系列问题，使传统热管的应用范围受到很大的限制，而高效传热管采用固态无机化合物作为传热介质，它完全不同于传统热管的传热介质，具备无污染，无放射性，无毒，无腐蚀，介质蒸气压低，工作温区宽，使用寿命长，成本低等一系列优点，它具备传统热管无可比拟的优良性能。
由于普通热管工作时管内产生交大压强，而压强的大小又与温度密切相关，温度一高就会爆管，此外，还存在高温下管内发生化学反应生成不凝性气体，对管壁产生腐蚀性，容易导致普通热管失效。
而特种热管由于采用无机固态物质及少量液态，管内压强小，从而使用温度范围大，不会发生爆管现象，也不会在管内发生化学反应，而生成不凝性气体。
普通钢水热管的传热功率为415W/cm，而特种热管的传热功率是其三倍。
（end）
详解散热原理与发展渊源热管散热技术介绍
随着PC的蓬勃发展以及主流处理器功率的不断提高，散热问题更加引人关注。
这一点也造就了散热器产品市场的蓬勃发展。
从386、486那个“清爽”的年代我们还不知道散热器是何物，到如今的风冷、水冷各类产品极大丰富的市场，只经历了短短几年的时间。
一、CPU散热器的发展历史
可以说cpu散热器大致有下面几个发展时代
1、486时代
2、586时代
3、p2时代
4、p3对决athlon的时代
（1）厚底储热
（2）传热材料（铝、铜）导热
（3）多鳍片大散热面积散热
（4）高转速大风量风扇协助散热
5、p4和athlonxp时代
（1）底部进一步加厚增强储热能力
（2）使用铜底或者铜芯加强导热能力，在材料上求新，用导热能力更好的材料，热管开始应用。
（3）增多鳍片，改变鳍片的形状、结构，增大散热面积，减少风阻，
（4）换用大尺寸风扇，增大风量和风压
6、新核心p4、athlon64以及双核心cpu时代
以前的设计思想简单的把散热器分为风扇和散热片两部分，而现在则完全不同，现在的高端散热器把吸热、储热、导热、散热这四个部分分开考虑。
如果把仅用一个CPU散热器就可以完成散热系统组建的年代比喻成“散热旧时代”的话，那么我们即将迎来的是一个崭新的散热时代，一个突出系统散热和静音散热概念的新时代。
“散热片+风扇”的这对组合仍然是今天主流散热器的核心部分，也就是我们常见的风冷散热器。
风冷散热器的工作原理非常简单，CPU核心发出的热量通过硅脂迅速传递到散热片上，在风扇转动形成的气流下将滞留在散热片上的热量散发出去。
纯铜散热器和铜铝散热器交替着控制了2003-2004年的散热器市场，纯铜散热器直至今日仍然在主流散热器市场上广受欢迎，主要是因为回流焊接工艺的不断完善。
发热量在不停的提高再提高，铜铝结合散热器和纯铜散热器也只能在一段时间内发挥作用，便要再次回到增大散热片和增强风扇的老路上，传统的散热技术已经遇到瓶颈，全面采用新的散热技术势在必行。
2004年，我们听到了一个新名词——热管，在短短几个月内，这个新鲜而又神秘的技术成为众多DIYer的宠儿。
虽然热管技术早在2000年就曾经在零售市场出现过，但更多的时候还是被运用到笔记本电脑和准系统上，真正走入DIY主流市场是在今年年初。
热管在散热器领域的运用打破了传统散热器的设计理念，从散热原理到散热器设计结构上都发生了很大的变化。
先进技术取代落后技术是一种必然，热管技术将是2005年散热领域中最耀眼的一颗星。
而如今一个新的散热时代----整体散热解决方案时代正在到来，2007年6月28日，“2007年华硕散热器技术与策略沟通会”在京召开，华硕电脑中国业务群散热器产品线产品总监高勇借此机会向业界正式阐述了华硕散热器产品线2007年的市场策略和产品推出计划，并重点介绍了本次两款产品所完美诠释的“华硕整体散热解决方案”，宣告散热器正进入每个PC用户的生活。
散热器不再是骨灰级超频玩家的私属专利，对每天都跟电脑亲密接触的用户来说，拥有一款散热和静音完美平衡的散热器将直接提升用户的品质生活，也拉开了这是时代的序幕。
一家专业散热器网站用户购买散热器意向的统计数据表明，12%的用户在购买散热器的时候更加关注散热性能，而未表示出对散热器的音噪的足够重视;17%的用户认为在不选择超频，不长时间使用电脑的时候，对散热器的音噪控制要求更加苛刻;事实上，除了极少数人对于散热器漠不关心之外，在近68%的用户眼中，他们想要的散热器是具有足够散热性能的同时，其所发出的声音还不至于对他们的生活品质有任何的羁绊。
“顾客总会问问散热器的声音有多大，”一些散热器代理经销商谈到，“因为这是他们可以直观感觉得到的。
”他们的销售统计数据也可以佐证这样的观点：
散热性能不错、静音效果非凡的产品更容易引起用户的消费行为，成为销售量的绝对保证。
如何找到散热与静音的平衡，实现散热静音两手抓、两手都要硬的整体散热解决方案，是厂商们满足从骨灰级超频玩家追求超强散热性能到一般PC用户强调冷静平衡的个性化需求，提升不同需求层次用户生活品质的唯一选择了。
在经过一段长时间提高散热器散热性能的“攀比”之后，众多厂家发现，这是场激烈有余、精彩不足的战争。
散热器的散热效能提升幅度之小让他们感觉到了些许意外，更让他们失意的则是这些散热器并没有为他们的市场带来预期的增长。
到散热器已经逐渐步入大众体验阶段的时候，散热器厂商们要想做大做强，只有找到散热与静音的平衡才能满足用户们体验宁静工作状态，提升生活品质的需求已经成为业界共识。
现在，不管是TT火星9还是大台风，无论是冰玲珑还是风神匠，静音都成为了TT、酷冷至尊等厂家新的改进目标。
他们知道，要么趋近“冷静”平衡的大潮，要么接受市场被在静音与散热上表现得更加平衡的整体解决方案厂商一步步蚕食的命运。
现在的问题是，在那里可以找到“冷静”的黄金分割?
作为世界首屈一指的板卡厂商，对于散热器的产品布局，华硕在一开始就有清晰的认识：
CPU散热器不仅仅要追求超强的散热能力，同时还要给用户以绝佳的使用体验。
自华硕推出的第一款散热器产品直到现在刚刚揭开神秘面纱的Triton70、ArcticSquare，从世界一流的台北试验室里走出来的产品无一不是冷静平衡的绝佳典范。
Triton70（海神70）、ArcticSquare（极地冰城）前面，还有V-Nardo、StarIce、ChillyVent、SilentSquare、SilentKnight、V60等一串响亮的名字。
不过，这要归功于华硕拥有恒温恒湿机、风洞、噪音实验室、标准Intel、AMD散热测试平台，标准VGA散热测试系统以及各种专业测试仪器，以及批经验丰富的散热，噪音测试工程师。
可以说，在散热性能上，各大厂商之间并不存在明显的差距。
不过，为了找到“冷”“静”的最佳切合点，华硕在增加散热器产品线后，在加大散热器散热效能研发的同时，专业的噪音工程人员，同时不断的进行整合风扇、散热器以及系统的噪音分析。
其独有的Innerfan技术运用以及Vapo气化轴承的引入，将全系列冷静精品散热器的音噪控制到16-25dBA之间，华硕的冷静平衡足以傲视群雄。
纵观华硕散热器主流产品，华硕在设计高效散热器时会根据风扇的特性，如风流及风压来选择合适的风扇。
此外也会进行空气流场和热场的分布模拟分析，力求为降温找出更好的解决办法。
这也是为什么华硕能够拥有重量轻、噪音低等强悍效能的散热器。
旗下Triton70（海神70）、ArcticSquare（极地冰城）、SilentKnight（沉默武者）等全线产品都是“冷静”兼备。
纯铜底座加导热管技术以及高密度铝质散热片，加上PWM智控轴承风扇，可以使两款产品的散热效能较盒装风扇有降低6-16度的惊人表现。
而Vapo气化轴承的引入，使风扇经久耐用、稳定且能显著降低音噪，一般工作状态下两款产品的噪音仅为22、25dBA。
华硕LionSquare（狮子王）也不例外，9厘米风扇具有PWM自动温感功能，能够自动依据CPU温度来控制风扇转速，并将噪音值控制在最低16分贝，让玩家享受极静空间。
对于逐渐步入大众生活的散热器，散热和静音的平衡已经逐渐成为大众生活的平常需求，整体散热解决方案已经昭示着未来发展趋向。
众所周知电子器件的工作温度直接决定其使用寿命和稳定性，要让PC各部件的工作温度保持在合理的范围内，除了保证PC工作环境的温度在合理范围内之外，还必须要对其进行散热处理。
而随着PC计算能力的增强，功耗与散热问题日益成为不容回避的问题。
一般说来，PC内的热源大户包括CPU、主板（南桥、北桥及VRM部分）、显卡以及其他部件如硬件、光驱等，它们工作时消耗的电能会有相当一部分转化为热量。
尤其对CPU而言，如果用户进行了超频，其内部元件的发热量更是不可小觑，要保证其稳定地工作更必须有效地散热。
热传递的原理与基本方式
学过中学物理的朋友都知道，热传递主要有三种方式：
第一传导：
物质本身或当物质与物质接触时，能量的传递就被称
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