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热管热回收的设计参数及计算 | 北京德天节能 |
一、 热管的工作原理及构造
热管是蒸发¬—冷凝器型的换热设备，中间热媒在自然对流或毛细管压力作用下实现其中的循环。
一个单根热管是由铜、铝等管材两头密封经抽真空后充填相变工质（如氟里昂-12等）制成。水平安装的热管，在管内装有紧贴管内壁的毛细芯层。热管的一端接触热源，另一端接触冷源，毛细芯层是把放热冷凝的液态工质传输到受热蒸发端去的通道，见图1。
热管在投入运行之前，内部工作介质的状态取决于当时环境温度和介质在该温度下对应的饱和压力。这就是热管工作前介质的初始参数。
热量自高温热源（T1）传入热管时，处于与热源接触段的热管内壁吸液芯中的饱和液体吸热气化，蒸气进入热管空腔，该段称为蒸发段（也叫加热段或气化段）当蒸气分子不断进入气化段空腔，空腔内的压力不断升高，蒸气分子便由气化段经传输段流向热管的另一端。蒸气在这里遇到冷源T2凝结成液体，同时对冷源放出潜热，液体为吸液芯层所吸收。这段叫冷凝段（也叫冷却段）。
由于热管内气相和液相工质同时存在，所以管内压力由气液分界面的温度所决定。如果热管的蒸发段和冷凝段由于外界的加热和冷却作用引起一个温差，而管内又存在这个气液分界面，那么两段之间的蒸汽压力就会不同，在此蒸汽压差的推动下，蒸汽就从这个发端流向冷凝段，并在冷凝段凝结成液体，经毛细芯层流回蒸发段，从而完成一个循环。
通常，热管热回收器要由多根热管组成，为了增大传热面积，管外加有翅片，肋化系数（翅化比）一般为10~25。沿气流方向的热管排数通常为4~10排。
空调工程中可采用重力热管或零重力热管，重力热管性能受工作时热管倾斜角度的影响，一般垂直使用，倾斜使用时，控制倾斜角度，是一个很关键的问题。一般重力热管换热器倾角为5~7°,倾角在热端。零重力热管则只能水平使用。
利用热管进行空调热回收时，由于冷、热空气的温差较小，为了提高换热效率，必须计算热管内的管阻，使其满足最大压力下气流的流动速度
1． 低温热管热回收器尺寸、性能
北京德天节能设备有限公司生产重力和零重力热管热回收器，其中KLS型系由两端密封的铝轧翅片管，经清洗并抽成真空后注入适量液态工质而成。将热管元件按一定行列间距采用等边三角型布置方式，成束装在框架的壳体内，用中间隔板将热管的加热段和散热段分隔开，构成热管换热器，其主要外型尺寸如图7-22所示。各种型号的尺寸、迎风面积、传热面积、质量如表7-9所示。
1） 热管热回收器的效率定义
t1-t2
t1- t3
η= (1-1)
t1、t2——新风的进、出口温度（℃）
t3、 t4——排风的进、出口温度（℃）
2）热管热回收器的设计计算
取新风量Lx 与排风量LP 相等。即 Lx = LP ，新风和排风的出口温度按下列公式计算：
t2=t1－η(t1－t3) (1-2)
t4=t3＋η(t1－t3) (1-3)
热回收的热量Q (kW)为（负值时为冷量）：
Q(kW)= LxρXCx（t2-t1）/3600 (1-4)
式中 Lx——新风量（ m3/h ）
ρx——新风的密度（kg/m3）（一般取1.2 kg/m3）
Cx——新风的比热容，一般可取1.01kJ/ (kg •℃ )。
2．选用热管热回收时，应注意：
（1） 重力热管热回收器倾斜安装时，倾斜5°~7°，热端在倾角侧。如果冬夏季都使用，由于冬夏季的热端相反，因此换季时要使用转换机构对调角度。
（2） 零重力热管必须水平安装，应使用800mm以上的水平尺校核水平度。
（3） KLS型低温热回收的使用温度范围在-40~80℃之间。
（4） 迎风面风速宜采用2.5~3.5m/s。
（5） 冷、热端之间的隔板，宜采用双层结构，以防止因漏风而造成交叉污染。
（6） 当热气流的含湿量较大时，应设计凝水排除装置。
（7） 启动热回收器时，应使冷、热气流同时流动，或使冷气流先流动；停止时，应使冷、热气流同时停止，或先停热气流。
（8） 考虑热管及翅片上积灰等因素，应考虑一定的安全因素。建议按图7-23查出的η值乘以0.95。
（9） 对于冷却端为湿工况时，加热端的η值应增加，即回收热量增加。亦可按上述公式计算（增加的热量作为安全因素）。需要确定冷却端（热气流）的终参数时，可按下式确定处理后的焓值，并按处理后的相对湿度为90%左右。
h1-3.6Q
Lρ
H2= （1-5）
式中h1、h2——热气流处理前、后的焓值（kJ/kg）；
Q——按冷气流计算出的回收热量（W）；
L——热气流的风量（m3/h）;
ρ——热气流的密度（kg/m3）。
计算举例： 已知当地大气压接近993hpa；新风与排风量相等，Lx=Lp=10000m3/h;夏季新风温度33.2℃，70% RH, 排风温度25℃；冬季室外温度为-12℃ ，室内排风温度为20℃ ，40% RH，试选用热管热回收器。
【解】
1) 按迎风面风速 υx =3m/s求迎风面积Fx：
Lx
3600υx
10000
3600×3
Fx= = =0.926m2
2) 查表1，选用 KlS 15×1412 型 Fx=0.998㎜
Lx
3600× 0.998
υx = =2.78m/s
3) 按υx=2.78m/s，查效率阻力表得：
6排管时：η=61%，阻力＝96Pa
8排管时：η=67%，阻力＝128Pa；出于经济效率综合考虑，选用6排管，热回收效率61％；
4) 求新风出口温度[按公式1-2计算]
夏季： t2=33.2－0.61(33.2－25)=28.2℃
冬季： t2=-12－0.61(-12－20)=7.52℃
查h-d图，当t1=33.2 ,h1=93kJ/kg时，其露点温度tL=26.3℃ ，新风出口t2大于tL，无冷凝水析出。
5) 求排风出口温度[按公式1-3计算]
夏季： t4=25+0.61(33.2－25)=30.1℃
冬季： t4=20+0.61(-12－20)=0.5℃
查h-d图,冬季排风露点温度为10ºC 左右，排风温度低于露点温度，有冷凝水析出，故排风段应有冷凝水盘，排风后的温度也比0.5℃要高，如需要求排风后的终参数，按公式【】计算。
6 ) 回收冷、热量计算，[按公式1-4计算]
1
3600
夏季： Q= ×10000×1.2×1.01(28.2－33.2)= -16.83kW(冷量)
1
3600
冬季： Q= ×10000×1.2×1.01(7.52＋12)=65.72kW(热量)
4.利用热管的配套产品
北京德天节能设备有限公司还生产了一系列利用热管配套的产品。
（1） 热管与空调器其它配件（过滤、加热、冷却、加湿、风机等）组成的JNK直流式和非直流式热回收空调机组，其构造见图2。
（2） 由热管、风机和进风过滤器组成的RHS新风换气或热回收回机组。
（3） 由热管、风机、进风过滤器和自控装置组成的JFJ冬季机房专用节能空调机组见图3。
热管热回收是一种换热效率很高的热回收装置，每10℃温差可以使温度升高或降低6℃，北京地区夏季1万风量每小时可回收16.6KW冷量，相当于7P空调的制冷量，冬季每小时可回收64.6KW热量，相当于每小时节约6.5Nm3天燃气。另外，热管换热器基本不需要维修，不消耗动力，是静止状态的换热器，寿命长（12年以上），运行管理简单，一次投资，最多2～3年即可回收成本。在国外被大量用于民用及商业建筑。
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