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摘要：中国的能源消耗在逐年增长。2019年，中国能源消耗48.6亿标准煤，比上年增长3.3%。虽然我国能源消费的增长速度逐年下降，但能源消费依然巨大，节能任务依然艰巨。节能一直是世界各国的共同目标。因此，节能技术已成为降低能源消耗的关键。近年来，热管因其较高的导热能力而受到越来越多的关注和发展。热管技术已越来越多地应用于微电子、能源等一系列工业领域，以提高换热器的热性能。热管换热器作为热管技术的优秀代表产品，在工业上得到了广泛的应用。热管换热器的性能也因其突出的优势在空调领域的研究和应用在快速发展,不仅应用在空调领域的热管换热器结构紧凑,热效率高,尽管早期的应用热管换热器在空调系统与传统换热器相比偏高,但其节能效益巨大，综合指标较高，因此受到广泛关注。近年来，热管换热器的仿真研究不断推进。仿真研究更有效、方便地辅助实验研究。两者的结合使得热管换热器的发展更加顺利。
关键词：热管换热器；研究现状；应用
1热管换热器系统的介绍
热管是一种高效导热的两相传热装置。热管可以嵌入金属板进行传热，也可以与散热器组装在一起进行流体传热。带热管的热交换器由于具有较高的导热能力，在处理高热流密度时，其体积比传统的热交换器小很多。热回收设备用热管换热器是为了回收显热而设计的。使用热管换热器的优点比传统方法,大量的热量可以转移在一个相对长的距离在一个较小的截面没有任何额外的电源输入到系统(除了风扇用于驱动气流),设计简单,易于制造。
基于热管换热器的优点，热管换热器的研究越来越受到国内外学者的重视。目前热管系统的主要研究内容包括:热管换热器的尺寸及参数设计、热管换热器的换热性能、热管换热器的仿真研究等。
2热管换热器热性能研究
2.1热管换热器参数的影响
热管直径的影响:在其他参数不变的情况下，随着热管直径的增大，换热面积也会增大，因此换热也会增大。在一定管径范围内，换热增量随管径的变化近似呈线性关系。当管径增大到一定程度时，换热速率的变化率效应逐渐减小，即对换热的影响变小。
翅片间距的影响:在热管换热器中添加翅片是增强传热的有力手段。随着翅片间距的逐渐增大，单位长度的翅片数减小，附加延伸面积减小，换热减小。
翅片高度的影响:热管换热器的换热率随着翅片高度的增加而明显增加，但当翅片高度继续增加时，换热率的增加会突然减小。翅片高度增加换热的能力有限，一旦超过极限，就会影响换热效果。
2.2充液量的影响
充液量对热管换热器换热影响的研究大多偏重于试验研究。热管内的充液量首先要保证换热器在工作时不会出现干涸情况,其次还要保证一定的液池高度。但充液量过大会导致不稳定传热,因此充液量的多少是影响热管换热器换热效率的重要因素。
最恰当的充液量是使管内汽液混合物的高度等于或略大于加热段的高度,这样可使热管有最好的工作状态,他们对此进行试验研究,得到的结果是,最佳充液率为v=20%~33%,其中V为液体的容积与蒸发段容积之比。提出V=0.250.30为合适。得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18%~20%。国内的一些资料表明,热虹吸管的充液量为热虹吸管总容积的10%~20%范围内为宜。
3热管换热器的研究与应用
3.1热管换热器的理论研究
选用90根重力热管按正三角叉排的排列方式垂直布置构成热管换热器，以水为工质，对热管换热器进行性能实验研究。
试验结果显示,当换热器效率在37%~65%之间时,应尽量避免两侧流体热容量相近,否则不利于换热导致换热效率低。
提出了多孔介质孔隙率和分布阻力两个新型概念，为今后常规热管的模拟研究打下了坚实的理论基础，奠定了热管换热器数值模拟研究的理论基石，为热管换热器在余热回收方面提供了良好的条件。进行试验来确定HVAC管道系统中热管换热器的有效性和热回收值。热管换热器是无源模块，可在HVAC系统中提供能量回收功能。在试验研究中，热管换热器模块由42个热管组成，在蒸发器和冷凝器部分装有120个波浪状翅片。HPHE模块通过三排配置设计进行了测试，入口气流温度为28℃、30℃、35℃、40℃和45℃。气流速度也以1m/s、1.5m/s和2m/s的速度变化。结果表明，在三排配置中，入口温度最多降低了10.3℃。此配置的HPHE有效性值也介于47.9%~54.4%之间。在进气速度和温度分别为1m/s和45℃时，可获得最高效率值（54.4%）。在2m/s的进气速度下，最高的热管换热器热回收值为5368W，热管换热器的有效等级为51.7%。
3.2热管换热器的模拟研究
提出了一种使用CFD模拟热管换热器进行除湿过程进而预测除湿液热性能的方法。建立了一种热模型，用于模拟家用电器的干燥循环过程，得出回收废热的热管系统的性能。在该模型中，预测了冷凝和蒸发过程的整体性能。研究表明，CFD建模能够通过热管换热器预测除湿溶液的热性能。
在计算流体力学的基础上通过模拟研究在风冷换热器中使用脉动热管（PHP）代替散热片对换热过程的影响。选用R134a为工作流体，在不同的空气流速和温度下进行了模拟。结果表明，使用脉动热管作为散热片对改善热传递具有显著作用。在自然对流的情况下，与翅片相比，使用热管可获得更好的性能，并且在最佳情况下，总传热系数提高了310%。在强制对流的情况下，这种改善约为263%。
3.3热管换热器的实际应用
在废热回收系统中应用了热管换热器。应用前他们先进行了数值模拟仿真,并在丙酮、水、甲醇三种工质的比较中最后选择甲醇作为工质,设计并制造了工作温度10%~55℃的气—气热管换热器。他们通过试验得出使用翅片管以及增加热管行数等方法对提高换热效率有着至关重要的作用。
将热管热交换器用于热回收系统中，以冷却空调中传入的新鲜空气。热管换热器连接两股新鲜空气和回流空气，以研究热回收系统的热性能和效率。首先，新鲜空气之间的质量流量之比分别为1、1.5和2.3，以调节新鲜空气的传热和温度变化。新鲜空气入口温度已控制在32~40℃，而入口回流空气温度保持恒定在约26℃。结果表明，新鲜空气和回风的温度变化随着新鲜空气入口温度的升高而增加。当入口新鲜空气温度增加到40℃时，蒸发器和冷凝器的效率和热传递也增加到约48%。质量流量比对效率的影响在蒸发器侧为正，而在冷凝器侧为负。随着新鲜空气入口温度的增加，热回收和常规空气混合之间的焓比增加到约85%。结果表明，在新鲜空气入口温度接近热管的流体工作温度时，该效率接近最佳效率。
结束语
将热管换热器与可再生能源相结合也是一个重要的研究方向。充分利用可再生能源是符合国家政策和号召的。热管换热器的研究还有很大的空间。目前国内外热管换热器的结构设计还存在一定的局限性。热管换热器的结构优化设计对提高热管换热器的热性能起着至关重要的作用。不断探索结构的变化，在不同的系统中有不同的节能效果，设计不同类型的热管换热器来匹配不同的系统，实现“量身定制”的高适配、节能一如既往的坚持目标。
参考文献
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