1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
前言
空气调节，自其问世以来，一开始主要是着重对温度进行控制和调节，而对湿度的控制则相对较少，因此除湿能耗也比较少然而在科学技术迅猛发展的今天，除湿能耗已经占到空气调节总能耗的20%[1]。空气调节中除湿在某些特定场合，如档案库房生产车间人防工程和国防工程等有严格的要求[2]，制冷除湿能耗占比更高冷冻除湿机目前广泛应用于各种除湿场合，但是空气经过蒸发器后，温度降低，而这部分冷空气的冷量却没有得到充分利用，造成了能源浪费，如果能将这部分冷量用来预冷进入蒸发器之前的空气，那么就能大大增加除湿机的除湿量，节约能源[3]。
1. 冷却除湿技术原理
冷却除湿技术指的是把制冷机作为冷源，以直接蒸发式冷却器作为冷却设备，把空气温度冷却到露点温度以下，析出大于相应状态的饱和含湿量的水分，降低空气的绝对湿度，再利用部分或者全部的冷凝热加热冷却后的空气，降低空气的相对湿度，从而达到除湿的目的 [4]。
冷却除湿设备中最具代表性的是冷冻除湿机。它主要由压缩机、冷凝器、蒸发器，膨胀阀、风机以及风阀等部件组成。图1是冷冻除湿机的工作流程示意图 [4] 。
冷冻除湿机的COP较高，被除湿房间的相对湿度下降快，运行费用低，不需要热源，操作方便。广泛用于国防工程、人防工程、电子业务、精密机械加工、档案馆、图书馆、医药、食品以及农业种子储藏等各种场所。但其最大的缺点是存在再热损失 [4] 。
图1 冷却除湿原理示意图 |
2. 换热器除湿节能分析
大家知道，冷凉除湿机的除湿量，是与除湿机中进蒸发器的空气参数以及制冷系统的冷凝条件有关的。就进风参数而言，在进风量不变的情况下进蒸发器的空气温度越低，则机组的除湿量就越大；就冷凝条件而言，如果冷系统的冷凝温度较高，机组的制冷量就较小，除湿量也就较小。如果制冷系统采用水冷冷凝器，制冷系统的冷凝温度较低，机组的制冷量就较大，除湿量也就较大 [5] 。
传统冷却除湿机组成如图2所示，它是由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀、风机及外壳组成。其中压缩机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀通过铜管连接组成制冷系统。可实现制冷工质的压缩、冷凝、节流、蒸发过程。制冷系统工作时蒸发器吸收外界的热量，冷凝器向外放出热量。风机将湿空气从左边吸人，湿空气通过蒸发器时发生热交换，其温度被降低，当湿空气达到露点温度时发生结露其水分被析出，湿空气的含湿量下降。当低温的干空气通过冷凝器时再次发生热交换使其温度升高，从而达到除湿的目的 [6] 。
图2 传统除湿机的组成 |
由于传统冷却除湿机除湿效率的提高，直接受到系统制冷效率的影响，而制冷效率的提高存在一极限值，针对这一情况，在传统除湿机原理的基础上，在蒸发器与冷凝器之间增设了换热器。其工作原理如图3所示 [7] 。
图3 除湿机换热器原理示意图 |
风机将湿空气从左上方入口吸入，湿空气首先通过空气换热器与来自蒸发器的低温干空气进行热交换，其温度被降低，相应的低温干空气的温度也同时被升高(该过程是等量热交换)，温度被降低后的湿空气继续向前流动到蒸发器进行2次降温使其达到湿空气的露点温度以下将其水分析出，由于在此过程中湿空气不是直接送到蒸发器降温除湿，而是先通过空气换热器与来自蒸发器的低温干空气进行热交换，因此，到达蒸发器的湿空气将比直接送到蒸发器的湿空气的温度低，因而减轻了蒸发器的负担，提高了除湿效率 [7] 。
3. 热管换热器
3.1 热管换热器的基本形式
利用热管能够方便的在热源与冷源间实现热传递，把若干支路热管组装成一体，中间用隔板把热管的蒸发段和凝结段隔开，就形成了冷、热介质的流道，从而把热源中的热量源源不断地传给冷源，这种热管元件的组装体就是热管换热器[8]。
热管换热器就其结构形式可大体分为静止型、回转型和移动型。其中静止型热管换热器是最常见的一种，其整个热管换热器装置中无运动部件，是一种典型的紧凑式换热器[9]。目前具有实用价值的热管换热器均属静止型。
热管空气预热器是气-气换热器的一个典型代表[10]，它利用锅炉、加热炉等排烟余热、预热进人炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率，可以减轻对环境的污染，因此，热管空气预热器在余热回收利用中得到非常广泛的应用。
3.2 热管换热器的应用
热管换热器应用的场合很多，大致有航天器工业锅炉或工业窑炉暖通空调系统以及电子元件等[11]。
3.2.1 航天器元件均温控温
在太空中运行的卫星、太空航天站、宇宙飞船等航天器，都面临共同的冷热难题：就是航天器面向太阳的一侧受到高温煎熬，而背向太阳的一侧则要经受低温考验由于不可能通过空气调节温度，因此飞行器两侧温差竟高达尽管航天器表面经过特殊处理，但如此大的温差下仍会导致其变形，从而造成严重后果 利用热管便可消除航天器向阳面和背阴面的巨大温差[12]。
3.2.2工业锅炉或者工业窑炉的余热回收
热管空气预热器是余热回收的一个典型代表，它利用锅炉等的排烟余热来预热进入炉内的助燃空气，不仅可提高炉子的热效率还可以减轻对环境的污染，因此，热管空气预热器在余热回收利用中得到了非常广泛的应用热管空气预热器外形一般为长方体，主要部件为热管管束壳体和隔板 隔板 壳体内壁和热管束外壁间的空间即为热 冷流体流道，隔板对热管束起部分支撑作用，其主要功能是密封流道，以阻止两种流体相互掺混[13]。
3.2.3 空调系统热（冷）量回收
空调的耗能已成为人们的关注焦点，空调耗能已经占到了整个建筑耗能的，而且在空调系统中，大部分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间，而其余的回风则排出室外这部分回风携带的热（冷）量就白白浪费了，同时送风进入空调房间时必须经过加热（冷却）处理，需要消耗相当多的能量，因而运用热管换热器对空调系统回风热（冷）量回收，再用于空调系统，对空调系统节能具有重要的意义[14]。
3.2.4 电子元件冷却
热管技术已在电器设备及电子元件冷却半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面取得很多应用成果其中最具发展潜力的有：小型及微型热管回路热管及毛细泵回路热管，脉动热管等小型及微型热管已广泛应用于电子冷却随着计算机技术的飞速发展，高性能的电脑的中央处理器（CPU）的发热量越来越大，常规的自然散热方式及风扇强制散热都难以满足要求 高效的热管散热便成为首选的散热手段[15]。
以上仅是从类型方面介绍了热管换热器的发展状况。有关热管换热器的应用实例不少，如在热水炉中的应用[16]，解决了普通表面换热器的低温腐蚀、换热量小及存在安全隐患等；在汽车尾气采暖中的应用[17]，采用热管换热器从汽车尾气中取暖[18]，既可节约能源，又能降低噪声，保护环境在电站锅炉上的应用，可有效地回收余热等。
3.3 国内外发展现状
3.3.1 国内发展状况[19-22]
换热器是一个量大而品种繁多的产品，由于国防工业技术的不断发展，换热器操作条件日趋苛刻，迫切需要新的耐磨损、耐腐蚀、高强度材料[35]。
近年来，我国在发展不锈钢铜合金复合材料、铝镁合金及碳化硅等非金属材料等方面都有不同程度的进展，其中尤以钛材发展较快。钛对海水、氯碱、醋酸等有较好的抗腐蚀能力，如再强化传热，效果将更好，目前一些制造单位已较好的掌握了钛材的加工制造技术。对材料的喷涂，我国已从国外引进生产线。铝镁合金具有较高的抗腐蚀性和导热性，价格比钛材便宜，应予注意。近年来国内在节能增效等方面改进换热器性能，提高传热效率，减少传热面积降低压降，提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。换热器的大量使用有效的提高了能源的利用率，使企业成本降低，效益提高。根据国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要，十一五期间我国经济增长将保持年均7.5％的速度。而石化及钢铁作为支柱型产业，将继续保持快速发展的势头，预计2010年钢铁工业总产值将超过5000亿元，化工行业总产值将突破4000亿元。这些行业的发展都将为换热器行业提供更加广阔的发展空间。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。据统计，在一般石油化工企业中，换热器的投资占全部投资的40﹪50﹪；在现代石油化工企业中约占30﹪40﹪；在热电厂中，如果把锅炉也作为换热设备，换热器的投资约占整个电厂总投资的70﹪；在制冷机中，蒸发器的质量要占制冷机总质量的30﹪40﹪，其动力消耗约占总值的20﹪30﹪。由此可见，换热器的合理设计和良好运行对企业节约资金、能源和空间都十分重要。提高换热器传热性能并减小其体积，在能源日趋短缺的今天更是具有明显的经济效益和社会效益。
3.3.2 国外发展状况[23-26]
对国外换热器市场的调查表明，管壳式换热器占64%。虽然各种板式换热器的竞争力在不断上升，但管壳式换热器仍将占主导地位。随着动力、石油化工工业的发展，其设备也继续向着高温、高压、大型化方向发展。而换热器在结构方面也有不少新的发展。螺旋折流板换热器是最新发展起来的一种管壳式换热器是由美国ABB公司提出的。其基本原理为:将圆截面的特制板安装在拟螺旋折流系统中每块折流板占换热器壳程中横剖面的四分之一其倾角朝向换热器的轴线即与换热器轴线保持一定倾斜度。相邻折流板的周边相接与外圆处成连续螺旋状。每个折流板与壳程流体的流动方向成一定的角度使壳程流体做螺旋运动能减少管板与壳体之间易结垢的死角从而提高了换热效率。在气水换热的情况下传递相同热量时该换热器可减少30%-40%的传热面积节省材料20%-30%。相对于弓形折流板螺旋折流板消除了弓形折流板的返混现象、卡门涡街从而提高有效传热温差防止流动诱导振动;在相同流速时壳程流动压降小;基本不存在震动与传热死区不易结垢。对于低雷诺数下的传热螺旋折流板效果更为突出。
3.4.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，以下列举几个有代表性的研究。
刘效舟等[27]对分离式热管换热器研究表明，由于热管经济器的壁温可以远远高于烟气，的酸露点和水蒸气露点，因此附着在管壁上的灰呈疏松状态，不但利于吹灰，而且还可通过设计适当的烟速使其具有自吹灰的能力，大大延长吹灰周期，从而使热管换热器的安全运行可靠性大大提高 [28、29] 。
孙世梅、张红等[30]提出了热管换热器传热性能及温度场数值模拟的方法，并通过采用数值计算方法研究热管换热器的传热性能及其温度场分布，通过与实验研究结果、ε-NTU法的计算结果分析比较，验证了所提出的数值计算方法的可靠性与可行性，表明所建立的换热器数值模拟计算模型能够较好地预测热管换热器在一定工况下冷、热流体沿换热器长度方向的温度分布，为今后热管换热器的理论研究和工程应用提供参考。
邢振祥、 郭会敏等[31]通过对高效节能热管换热器工作介质的研究，认为热管换热器的工作介质应满足以下要求：
(1)作介质的管壳和吸热芯必须化学相容, 即相容性要好。
(2)工作介质必须不分解, 不变质, 具有热稳定性。
(3)工作介质对管壳和吸热芯的材料具有润湿性。
(4)工作介质的汽化潜热要大, 已减少工作介质的充装量, 或者减少热管的数量或者加大热管的传热能力。
(5)工作介质的导热系数要大, 已减小液膜的径向热阻和温降。
(6)工作介质的表面张力要大, 产生毛细力要大, 便于工作介质回流。
(7)工作介质的液相和汽相的粘度要低, 以便减少流动阻力。
(8)工作介质的凝固点要低, 以防过早凝固。
(9)工作介质在工作温度范围内, 饱和蒸汽压力要低, 以减少热量的强度。
(10)工作介质要无毒、无刺激味、不易燃、不易爆, 要特别安全。
(11)工作介质的工作寿命要长, 这是节能产品最大的节能。
4.计算模型与计算方法
4.1 计算模型
先用常规计算法计算高温热管换热器的整体换热和流动情况，包括:
(1)确定各温度段传热量热流体进出口温度冷流体进出口温度对数平均温差等;
(2)进行结构布置，计算迎面风速，迎面热管排数等;
(3)确定总传热系数，所需换热面积和热管总数等;
(4)求流体通过热管换热器的压力降 [32] 。
(5)最后，再在常规计算结果的基础上，运用离散计算法逐排计算热管的热侧和冷侧管壁温度 [11] 。
通过上述模型计算可分别得到高温段、中温段和低温段的管排布置和温度场分布，然后进行各温度段的衔接高温段使用钾钠热管，管内蒸气温度较高; 中温段使用萘热管，其工作温度受到严格限制，管内蒸气温度必须在350℃以下; 低温段使用性能良好的水热管，可在低于250℃的环境下正常工作。根据各温度段的温度特性，调整热管排数长度翅片间距等参数，使得每排热管温度能在介质安全工作范围之内，且各温度段能平稳过渡 [33] 。
4.2 计算方法
热管换热器的计算内容主要有两部分：热管换热器的热力计算和校核计算。热管换热器的设计热力计算目前大致可分为三类：常规计算法、离散计算法和定壁温计算法 [34] 。 常规计算法将整个热管换热器看成一块热阻很小的间壁，然后采用常规间壁式换热器的设计方法进行计算。离散计算法认为热量从热流体到冷流体的传递不是通过壁面连续进行的，而是通过若干热管进行传递，呈阶梯式变化，不是连续的。因此，利用离散计算法可逐排计算热管的管壁温度和工质温度，可用于检测热管换热器设计的安全性和可行性 [35] 。
高温热管换热器结构复杂计算繁琐，且设备内冷热流体的进出口温差比较大，冷热侧温度场和流场分布的模拟计算较普通热管换热器更为复杂，不能简单地采用常物性处理方法进行设计计算。而且各温度段间的过渡段部分结构较复杂，计算过程中还需注意各温度段的衔接。因此，笔者结合换热器的常规计算法和离散计算法，运用对数温差，通过多次迭代来实现其模拟计算 [9] 。
5. 结语
热管换热技术在不同应用取得了大量成功，并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明，高温热管换热器达到的某些性能指标，是其他类型换热器所达不到的，因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的[36]。为加快高温热管换热器实现工业化进程，应尽快提高高温热管换热器设计的合理性和经济性。具体实施的方法有：
(1)采用数值模拟的方法模拟高温热管换热器内温度场和流场分布,以便实现高温热管换热器在线检测、故障分析和变工况分析。
(2)采用强化换热技术,优化高温热管换热器结构,降低成本，提高设计经济性。加快高温热管换热器在工业中的应用进程。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
1.研究内容
本课题首先要充分了解热管翅片管的传热，熟悉icepak软件，在此基础上运用icepak软件对热管翅片管进行模拟计算，获得相关参数，并以该热管翅片管形式，分析其流体流动和传热特性, 给出翅片间距、翅片厚度、迎面风速和环境温度等因素对表面传热系数、流动阻力等的影响关系。最后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。
2.研究手段
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