用于除湿的顺排H型翅片热管换热器的传热分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1背景介绍

在潮湿的季节或潮湿的环境，对湿度的控制和调节，对居民日常生活、办公环境的舒适性等有很大影响，除湿也是工农业生产工艺流程、物资储存保管的重要问题。因此除湿广泛应用于办公室、档案、资料、图书馆、电脑房、精密仪器室、医院及贵重物品仓库等场所，使电子产品、光学仪器、精密设备及贵重物品避免了潮湿、霉变的噩运。

空气除湿一般有露点除湿和吸附除湿：是利用冷却方法使水蒸气在露点温度下凝结分离；压缩含湿空气，提高水蒸气的分压，使之超过饱和点，成为水滴分离除去；采用吸附剂，吸附空气中的水分：使用液体吸收剂来吸收空气中的水分。其中利用冷却使空气低于露点温度除湿的优点主要是结构紧凑、性能稳定、使用可靠性高，能够连续除湿、维护简便，在小型除湿中采用压缩制冷除湿方式优势明显。但其最大的缺点是能耗较大，此外，一般经过除湿的空气温度比较低，直接进入房间并不是通常的舒适温度。其运行的经济性有许多可挖潜之处。

图1有回热的冷却除湿系统图

在冷却除湿中，常用的节能方式是在制冷系统蒸发器的前后增加换热器回热如图1，即从低湿低温的空气中回收部分冷量，对除湿前的空气进行预冷，不仅能提高除湿后空气的温度，还可以在一定程度上提高除湿系统的效率^[1]。实验证明，用热管做为换热器的除湿系统效率会有很大的提高^[2]。

热管是一种高效传热元件，其导热性能比相同尺寸的铜棒高出几十倍到几百倍，其概念首先是由美国通用发动机公司的Gaugler于1944年提出的^[3]。典型的热管工作原理都类似，从加热段吸收热量，通过内部相变传热过程，把热量输送到冷却段，从而实现热量转移^[4]。由于热管内工质在加热端的吸热和在冷凝端的放热都是气液相变过程，即通过潜热传递热量。热管的传热能力因此大大高于纯金属材料。

此外，热管还具有均温性能好，热流密度便于设计中调节、传热方向可逆、结构紧凑等优点^[5]。用它组成的热管换热器传热量大、温差小、体积小、重量轻、热响应迅速等优点，作为产品它还具有安装方便、维修简单、寿命长、阻力损失小、进排风完全隔离互不渗漏等优点。研究表明热管的使用优越性特别明显，增加热管换热器后机组除湿量可提高15%左右，具有较大的单位电能除湿量^[6-8]。

2热管换热器的发展与应用

热管技术从总的方面来看，尚处于在发展的阶段，无论从理论上和实际应用上都有很多值得进一步研究和要做的工作。从近几年的发展情况来看，热管技术是具有发展前途的^[9]。第一，随着科技的不断发展，促使生产技术要有不断的革新或突破。在各种生产技术的不断发展过程中，热的传送、赊存和交换等越来越成为限制其他技术(电、机械等) 得不到充分发挥的因素，因而高效传热的设备必定要在许多工艺过程中得到广泛应用，第二，由于有效地利用热能和回收余热是节能中不可缺少的重要环节，所以性能良好的热管换热技术，会在节能中得到充分应用；第三，生产技术的发展和产品质量的日盘提高，迫切需要恒温性能好，调节性能好和控制精度高的热元件，因而热管技术在这些方面也必将会得到应用。

热管及由此而构成的热管换热器作为一种高效热交换器正在开拓它的应用领域，例如在余热回收方面的应用、在航天器上散热及控制温度的应用、在电机及电器设备冷却的应用、在电子元件及微型组件散热的应用等等^[10,11]。

3热管换热器的研究现状

为了能更好的了解热管换热器的工作特性，学者们做了不少研究，发现换热元件其性能优劣主要取决于换热元件的传热特性及阻力特性^[12-14]，这一理论也适用于热管换热器。归纳一下，关于热管换热器的传热研究可以分为实验研究和理论研究。

3.1实验研究

曹小林，曹双俊等^[15]提出一种新型结构形式的重力热管换热器，该热管由一些并排的矩形通道而不是通常的圆管组成。通过对比实验，重点分析加热功率、工质充液率、倾角及冷凝段风速对其运行热阻的影响。研究结果表明：加热功率对热管的运行性能有重要影响；当工质充液率约为20％时，热管换热器具有最小运行热阻；在最佳充液率为20％和加热功率为360W时，运行热阻随倾角的增加有减小趋势，但当加热功率较大时，倾角对热管换热器的运行热阻影响不大；随着冷凝端风速的增加，热管换热器的运行热阻不断减小。

苏俊林，陈岚等^[16]对高强化传热分离式热管换热器的传热性能进行了实验研究，得到了换热器冷凝侧及蒸发侧传热系数的经验公式，以及外部通道对流换热表面传热系数的准则方程式。其研究成果可作为干燥系统中此种换热装置设计的参考依据。

3.2理论研究

万夏红，欧阳惕等^[17]通过案例分析，分析了GB/T20109-2006 所述全新风除湿机节能的5个方面：1、冷凝热回收。2、室内回风热回收。3、冷凝水冷回收。4、处理后新风冷回收。5、新风热回收。得出采用板翅式热回收器或热管换热器对新风处理后新风进行冷回收预冷新风，能够降低制冷系统冷负荷 20％- 30％，显著提高全新风除湿机的单位输入功率除湿量。

严大炜，邹琳江等^[18]采用多孔介质模型，利用Fluent软件来近似模拟了热管换热器内部的传热情况，将程序计算结果与模拟所得数值进行了比较和误差分析，并研究了各排热管内外温度的协同作用。

蒋建强，桂秋静^[19]以空调用热管式换热器为对象，对其几何参数、传热性 能的分析，建立了应用于空调系统的热管换热器的设计数学模型。通过热管换热器的初步设计，并结合VB语言编程对热管进行的计算分析得出热管的结构、工况等对传热性能的影响，改善热管换热器的设计，从而提高传热性能。

4翅片管换热器的研究现状

作为换热器的主要元件,换热管的强化换热一直被许多学者所重视 ，加装不同形式的翅片及改变基管形状都是强化换热的主要措施^[20]。文献^[21,22]研究了加装有涡发生器的各种管翅式换热器的流动换热特性。

4.1实验研究

陈听宽，田永生等^[23]通过对顺排翅片管的实验研究发现，与叉排相比，顺排翅片管束的传热能力比叉排约低l5 %，流动阻力约可降低一半。在顺排翅片管束中加入扰流件可进一步强化传热，阻力有所增加。在实际应用条件下，由于加扰流件后积灰可有所减少，其增强传热的效果会更大些。

李飞，史月涛等^[24,25]基于换热元件其性能优劣主要取决于换热元件的传热特性及阻力特性^[12]，以及H型翅片管由于其特殊沟槽结构带来的较好传热及积灰磨损性的研究热点^[26]，对椭圆H型翅片管的传热及阻力特性进行试验研究。在试验中对比得出椭圆H型翅片管阻力特性远远好于圆形H型翅片管，椭圆H型翅片管在强化换热上具有重要优势，围绕其强化换热问题已有多人进行试验及数值研究^[27]。

4.2理论研究

赵展，金苏敏^[28]利用F1uent软件对不同管排组合方案下的分离式热管换热器的蒸发段进行了数值模拟，发现了管排组合主要影响传热能力和温度分布而对压力降的影响很小。模拟结果与传热理论相符，并且印证了理论计算的结论，即：单对单方案热回收量最大，但安全效果不好；整体对整体方案的安全效果好，但热回收量最小；混合方案能同时满足安全效果和较大的热回收量，效果最优。

陈俊华，陶丽等^[29]利用数值模拟方法，以纵向翅片扁管换热器为研究对象，分析了翅片长度对换热性能的影响，对换热器的翅片长度进行优化。宋富强等人^[30]用三维适体坐标的网格生成技术对翅片管散热器进行了低速下流动和换热的数值模拟,得到了流速与换热系数的关系,以及不同流速下翅片管流动与换热的温度场、速度场和速度与温度梯度的夹角场,并首次利用场协同原理进行了分析。

5展望

本课题针对所给的参数要求，基于Icepak 平台对翅片热管换热器进行传热分析，寻找最佳工况，以求利用分析数据设计一款综合性能都有所提高的翅片热管换热器，在除湿工作中充分发挥热管换热器的优点，达到节能高效的目的。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

研究内容：

本课题是对翅片热管换热器进行传热分析和设计，研究翅片间距、翅片厚度、翅片高度、re、介质等参数对热管翅片管传热的影响，获得相关计算公式，为热管翅片管应用提供理论基础。通过理论数值模拟得出的最佳工作参数，并以该热管翅片管形式，设计出一台符合工程应用的热管换热器，绘制出图纸。并能根据设计参数，绘制出相应重要的零件图和装配图。

研究手段：