热管换热器热回收的应用综述

毕业设计(论文)文献翻译学生姓名：季天宇学号：P3501120509所在学院：能源科学与工程学院专业：热能与动力工程设计(论文)题目：12000Nm3/h气-气热管换热器的设计指导教师：许辉2016年3月10日热管换热器余热回收的应用综述W.Srimuang,P.Amatachaya摘要用热管回收废热是一种公认的可以节约能源与防止全球变暖的有效手段。本文将对用于余热回收的热管换热器，特别是对传统热管、两相闭式热虹吸管和振荡热管换热器的节能和增强效率的问题进行总结。相关的论文被分为三大类，并且对实验研究进行了总结。分析这些研究报告的目的是为未来的工作打下基础。最后，总结出传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）换热器的效率参数。本文也提供了用于热回收系统中的热管热交换器的设计的最佳方案。关键词：热管回收效率气-气目录1.引言2.热管换热器的类型3.热管在热回收方面的应用4.气-气热管换热器及试验台5.气-气热管换热器效率的影响因素6.结论参考文献1.引言利用热管回收废热是一个对于节约能源与防止全球变暖的极佳手段。热管换热器作为一种高效的气-气热回收装置广泛地应用于商业与工业生产中。热管换热器之所以能成为最佳的选择，是因为废气与供给空气之间不会有交叉泄漏。它拥有许多优势，比如有较高的换热效率，结构紧凑，没有可动部件，较轻的重量，相对经济，空气侧较小的压降，热流体与冷流体完全分离，安全可靠。热管换热器被广泛应用于各个行业（能源工程，化学工程，冶金工程）的废热回收系统。热管换热器最重要的一个功能是从锅炉的废热中回收热量。图1显示的是传统锅炉与加装了热管换热器的锅炉的比较。在传统锅炉中（图1a），废气被直接排放到空气中，不仅浪费能源，而且还会污染环境。使用热管换热器（图1b）不仅减少了能源消耗，而且保护了环境。无论如何，对于使用热管进行热回收，特别是关于节约能源和环境效益的研究都是有必要的。对于传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）换热器的应用进行综述。本文的结论也提供了关于热管换热器的设计和此领域未来的研究的一些建议。图1用于预热的热回收装置2.热管换热器的类型热管换热器也被作为利用汽化潜热以较小的温差在长距离间传递热量的热传递设备。它是由一根充满了适当的工作液体的封闭的管子构成。热管分为三类：传统热管（CHP）、两相闭式热虹吸管（TPCT）和振荡热管（OHP）。在实际过程中，当热量进入蒸发器，平衡被打破并在稍高的压力下产生蒸气和温度。增加的压力使蒸汽流向管子的冷凝段，冷凝段稍低的温度使蒸汽冷凝并且释放汽化潜热。冷凝后的液体通过传统热管吸液芯的毛细作用或者两相闭式热虹吸管的重力作用返回蒸发段。符号说明ID内径（m）OD外径（m）FR充液率W壁厚（mm）L管长（m）Q导热系数（W）T温度（℃）V速度（m/s）下标说明a绝热c冷凝段e蒸发段in进口out出口两相闭式热虹吸管在本质上是热管，但是没有吸液芯结构。传统热管与两相闭式热虹吸管的不同在于两相闭式热虹吸管使用重力将热量从冷源下方的热源进行传递的。结果导致，蒸发段位于冷凝段下方。工作液体在冷凝段蒸发、冷凝，并且在重力的影响下回流到蒸发段。如果能够利用重力，两相闭式热虹吸管是最佳的选择，因为传统热管的吸液芯会对冷凝液体的流动产生一个额外的阻力。图2展示了传统热管与两相闭式热虹吸管的主要区别[1]。振荡热管或脉动热管（PHPs）是热管技术最新的发展之一。工作液体在传统热管中通过毛细作用以逆流的形式在热源与冷源之间不断循环。与传统热管不同的是，工作液体在振荡热管中在其轴向方向振动。脉动热管的基本传热机制是与相变（蒸发和冷凝）有关的振荡运动现象。振荡热管是由一根连续的毛细管弯曲而成。毛细管的直径要足够小以允许液体和蒸汽能够共存。振荡热管的基本原理是当弯曲的毛细管的一段受到高温影响时，内部的工作液体蒸发并提升蒸汽压力，这将导致蒸发区产生气泡。这会将液柱推向低温端（冷凝器）。低温端的冷凝将会进一步增加两段的压差。由于相互连接的管子，液滴和气泡在管子里往冷凝器的运动这使他们向着高温端（蒸发器）运动。从而，使热量从加热部分传递到冷却部分。振荡热管的优势在于不需要吸液芯来传递液体。也不需要泵提供动能，所以振荡热管的传热是被动的。事实上，它不需要热源吸收的热量以外的能源。但是，振荡热管的整体阻力一般要大于传统热管，振荡热管能够适应更大的流量。热管换热器是自成一体，自我维护的被动能源回收装置。利用蒸汽液体流动使它有非常大的传热系数。管子中液滴的蒸发和气泡的形成使液滴和气泡在振荡热管中保持振荡。驱动力是由核沸腾和工作液体的冷凝提供的。热管换热器能够将热量从高温段转移到低温段。振荡热管有几点优势：成本较低，热传递性能出色，热响应速度快，可操作性高以及操作灵活。振荡热管分为三类（图3）图3a为闭环振荡热管（CLOHP），取名闭环振荡热管是因为它由长的封闭的环形毛细管构成。工作流体在管子纵轴线方向的振荡导致热量传递。图3b为带止回阀的闭环振荡热管（CLOHP/CVs）。它由一根在末端以接合的方式形成封闭环形的毛细管构成。带止回阀的闭环振荡热管在闭环上合并了一个或多个可控方向的单程止回阀，这样就可以让工作液体只向指定的方向流动。图3c为封闭式振荡热管（CEOHP），它由一根长的毛细管构成，毛细管两段都封闭。这样，热传递仅仅通过快速的振荡和脉动压力波扰动发生。图2传统热管（CHP）和两相闭式热虹吸管（TPCT）图3振荡热管的类型3.热管在热回收方面的应用最近，研究人员对于使用热管回收热量越来越感兴趣。也有论文开始分析热管的应用、设计、结构和热力性能。Noie-Baghban和Majideian[2]介绍了用于手术室废热回收的传统热管。该热管是为低温源（15~55℃）设计的。研究发现常规热管的效率是0.16，虽然它取决于热管的直径和翅片间隙。但是该值还是太小，因为该热管是为低温工况设计的。AbdEl-Baky和Mohamed[3]为了冷却新风将传统热管应用于空调系统的新风和回风之间的热回收上。测试回风与新风的质量流率之比（1,1.5和2.3）来验证热传递和新空气温度的变化。在测试过程中，新空气的进口温度控制在32-40℃之间，而回风进口温度约为26℃且保持不变。Martinez等人[4]为空调设计了一种由两根传统热管和间接蒸发换热器构成的混合能源回收系统。混合能量的能量表征回收系统与实验设计技术同时进行。一个主要结论被应用于空调的由两根传统热管和间接蒸发换热器构成的混合能源回收系统的安装，能回收回风的部分热量，从而提高能源效率以及减少对环境的影响。表1传统热管，两相闭式热虹吸管和振荡热管的几何特征。热管管数工作流体/充液率翅片吸液芯作者CHP材料:铜OD:15mmtW:3mmeL:300mm,tL:600mm,cL:300mm8材料:甲醇无100孔不锈钢Noie-BaghbanandMajideian[2]CHP材料:铜OD:12.7mmtW:50cmeL:20cm,aL:10cm,cL:20cm25材料:R11,R123类型:连续翅片材料:铝厚度:0.5mm100孔黄铜AbdEl-BakyandMohamed[3]CHP材料:-OD:12.7mmtW:2.1mmtL:62cm12材料:3.04克氨无350孔不锈钢Martinezetal.[4]1类TPCT材料:铜OD:15.88mmtW:1.22mmeL:300mm,aL:150mm,cL:300mm24材料:水充液率:蒸发段60%类型:连续翅片材料:铜(蒸发段)铝(冷凝段)间隔:每米472片厚度:0.162mm无Lukitobudietal.[5]2类TPCT材料:钢OD:26.27mmtW:7.65mmeL:300mm,aL:150mm,cL:300mm10材料:水充液率:蒸发段60%类型:螺旋形翅片材料:钢间隔:每米315片厚度:0.8mm直径:52.7mm无3类TPCT材料:铜OD:15.88mmtW:1.22mmeL:300mm,aL:150mm,cL:300mm24材料:水充液率:蒸发段60%无无TPCT材料:钢OD:20mmtW:1.5mmeL:150mm,aL:5mm,cL:150mm50材料:水充液率:蒸发段35%类型:板式翅片材料:钢间隔:每米315片厚度:1.5mm高度:8mm无Yangetal.[6]1类TPCT材料:铜OD:0.127mtW:1.5mmtL:0.45m7材料:甲醇充液率:–类型:板式翅片材料:铜数量:共计70片厚度:0.45mm高度:0.048m无RiffatandGan[7]2类TPCT材料:铜OD:0.127m3材料:甲醇充液率:–类型:柱形翅片材料:铜无tW:1.5mmtL:0.45m数量:共计300片厚度:0.45mm直径:0.7mm3类TPCT材料:铜ID:18mmtL:365m6材料:甲醇充液率:–类型:百叶窗翅片材料:铝数量:共计96片间隔:2mm高度:60mmTPCT材料:铜ID:15mmtL:660mm,eL:300mm,cL:300mm24材料:R22充液率:蒸发段60%类型:板式翅片材料:铝间隔:每米32片厚度:0.164mm高度:140mmWuetal.[8]CEOHPID:2mmeL:190mm,cL:190mmtL:600mm1材料:水充液率:蒸发段50%–Rittidechetal.[9]CLOHP/CVsID:2mmeL:190mm,aL:8mmcL:190mm,tL:358mm1材料:R134a充液率:蒸发段50%–Meenaetal.[10]在两相闭式热虹吸管的应用方面，Lukitobudi等人[5]的设计，他们制造并测试了一台用于面包店的中温两相闭式热虹吸管换热器。该换热器十分高效（65%），但是作者声明运行过程中超载的压力可能会对换热器造成损伤。杨峰等人[6]研究了一种可能的应用使用两相闭式热虹吸管换热器回收大型客车发动机产生的废热为乘客供暖。Riffat和Gan[7]探讨了自然通风建筑的两相闭式热虹吸管换热器效率。在他们的研究中，他们在两个测试室测试了三种两相闭式热虹吸管换热器的热回收部件。第一种两相闭式热虹吸管换热器由七对翅片的热管组成，第二种有螺旋状的翅片，第三种是由两排交错的两相闭式热虹吸管构成。使用计算热力学模拟来求解部件的压力损失特性。根据实验结果，空气的流速显著地影响了两相闭式热虹吸管热回收部件的效率。对于相同的速度，换热器的效率在16%到17%之间，并且将翅片从一排变为两排能够提高效率。根据计算热力学模拟的结果，当速度为1m/s时，2排平行安装的6根热管的预测压力损失系数为3.3，而交错安装的为4.2，7个小平板的换热器为3.7。研究建议对于自然通风的底层建筑，除去风的影响后，风速的设计平均值应小于1m/s。吴晓平等人[8]研究了两相闭式热虹吸管换热器在空调系统中的湿度控制。这种类型的换热器对于取代传统再热器有很大的优势，只需要少量或无需外部能源能够节约能源并增强冷却盘管的冷却能力。图4用于热回收的传统热管换热器对于振荡热管换热器，Rittidech等人[9]使用封闭式振荡热管空气预热器对空气进行烘干。该方法需连接冷凝段和新空气段，并且蒸发段要与热源连接。封闭式振荡热管空气预热器需要一台适当的烘干机。对热传输速率与效率进行测量并与预测值比较。研究发现在干燥系统中的空气预热环节使用封闭式振荡热管换热器能够节约能源。一个与之类似的研究，Meena等人[10]设计了一种带止回阀的闭环振荡热管用于在干燥系统中减少相对湿度。研究展示了在空气预热时使用带止回阀的闭环振荡热管能够减少相对湿度并且节约能源。图5面包店用于热回收的两相闭式热虹吸管换热器图6封闭式振荡热管预热器图7带止回阀的闭环振荡热管预热器4.气-气热管换热器及试验台表1总结了传统热管[2-4]，两相闭式热虹吸管[5-8]，振荡热管[9,10]的几个特点。以之前的研究为基础，以传统热管，两相闭式热虹吸管，振荡热管为基础设计了不同形式的热回收装置(图