空调用热管换热器的设计计算西安工程大学 王晓杰 黄翔 武俊梅 郑久军摘 要： 热管技术以其独特的技术在很多领域得到了广泛的应用，在空调领域热管技术也逐渐受到重视，除了理论研究热管技术在空调领域的应用外，设计出合适的换热设备对热管在空调领域的应用也及其重要。
热管换热器的计算内容主要有热力计算和校核计算。
其中热力设计计算大致可分为常规计算法，离散计算法和定壁温计算法。
空调用热管换热器一般为气－气型换热器，文章主要针对气－气型热管换热器的常规计算法进行介绍，并给出了一个具体实例的计算结果，以进一步促进热管换热器在制冷空调领域的应用研究。
关键词： 热管 空调 热力计算1 引言[1][2][4]热管换热技术因其卓越的换热能力及其它换热设备所不具有的独特换热技术在航空，化工，石油，建材，轻纺，冶金，动力工程，电子电器工程，太阳能等领域已有很广泛的应用，制冷空调领域冷冷热流体温差小，因此热管技术也逐渐受到重视。
根据实际需要设计出合理的热管换热器对于空调领域来说也极为重要。
同常规换热器计算一样，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。
在这里主要对热管换热器的热力计算做个介绍。
热管换热器的热力设计计算目前大致可分为三类：常规计算法，离散计算法，定壁温计算法。
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。
定壁温计算法是针对热管换热器在运行中易产生露点腐蚀和积灰而提出的，计算时将热管换热器的每排热管的壁温都控制在烟气露点温度之上。
从而避免露点腐蚀及因结露而形成的灰堵。
空调系统要处理的对象一般为室外新风或是室内排风，都属于气态介质，因此空调用热管换热设备为气－气热管换热器。
本文将对空调用气－气热管换热器的常规计算法的热力计算做个简要介绍，文中的一次空气是待处理室外新风，二次空气可以是室内排风或室外新风。
2 热管换热器的设计计算[3][4]2.1已知设计参数一次空气质量流量M h , 进出口温度T 1,T 1’，二次空气质量流量M c , 进出口温度T 2,T 2’。
一般六个已知量中，只要给定5个即可，另一个参数可由热平衡方程算出，如需要，还需给出一、二次空气的允许压降，二次空气出口温度未知时的计算过程为：①一次空气定性温度T h=2'11T T + (1)查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度h p C 导热系数h λ粘度h μ 普兰德数hr P②一次空气放出热量)('11T T C M Q hp hh-= (2)③二次空气吸收热量h c Q Q )1(η-= (3)其中η为热损失率④由一次空气温降可假设二次空气出口温度'2T⑤二次空气定性温度T c=2'22T T + (4)查定性温度下的一次空气物性参数：定压比密度cp C 导热系数cλ，粘度c μ 普兰德数c r P⑥校核二次空气出口温度cpc c C M Q T T +=2'2(5) 2.2 基本选择 2.2.1工质选择热管工质的选择主要取决于热管的工作温度，热管工作温度nnT T T V ++=121 (6)n 的取值见表1表1 n 的取值气-气型热管换热 当两侧流体和管长接近时 n=1 气-液型热管换热 当液体为水时n=3-4当液体为有机液体时 n=2-3 气-汽型热管换热 当相变流体为水时 n=4-5当相变流体为有机物时n=3-4所选工质的主要要求为：①应适应热管的工作温度，并有适当的饱和蒸汽压 ②与壳体，吸液芯材料应相容，且具有良好的热稳定性 ③应具有良好的综合热物理性质④其它（包括经济性，毒性，环境污染等）空调用热管多采用氨作为工质。
2.2.2 壳体管材选择壳体的作用是把工质与外界隔开，因此要防漏、耐压，并能向工质传热以及把工质的热量传出，且价廉易得。
对壳体的要求主要为：①与工质有良好的化学相容性，以免产生不凝结气体和腐蚀，影响热管的船传热 ②导热系数高③承压性能好，机械强度高，易于机械加工 ④与工质有良好的浸润性空调用低温热管换热器的管材多采用铜、铝做原料。
2.2.3 放置形式和吸液芯的选择根据需要选用分离式，重力式和水平时，水平式需要吸液芯，吸液芯的作用是产生毛细力，对吸液芯的主要要求为：①与工质和壳体有良好的化学相容性 ②导热性能好③与工质有优良的浸润性④易于加工，与内壁能很好的吻合吸液芯类型多采用的材料为不锈钢、铜、铝、镍等。
2.2.4 管外扩展表面的选择根据要求选择合适的翅片结构，具体参数见表2（单位mm ）。
表2 管外扩展表面参数光 管 内 径 d i 光管外 径d r 翅片外 径d f 翅片厚度δ 翅片间 距 t 翅片高度H2.3 结构设计①热管迎面空气质量流速G 的确定G h ，G c 的范围可在2.4-3.6kg/m 2s,对于气-气型换热器，一次空气和二次空气两端质量流速应满足c h G G =538.1)(ch M M (7)在任何一侧流体的G 值确定后，可由上式确定出另一侧流体的G 值。
②迎风面积A h=h h GM (8) A c =c cG M (9)③热管长度根据用户需求可先确定出热管一端的长度，再根据经济长度比确定另一端热管长度。
L 经=c h LL =538.0)( c h M M (10)④迎风面高度E E h=h h LA (11) E c =c cL A (12)⑤迎风面管子根数B= ThS E (13)实际迎风面高度E ’=BS T (14) 实际迎风面积 A h ’=E ’L h (15) A c =E ’L c (16)实际迎风质量流速G h ’='h h AM (17) G c ’='c cA M (18)2.4 传热系数的计算① 最小流通面积NFA h =[(S T -d 0)-2(H ×δ×n f )]L h ×B (19)NFA c =[(S T -d 0)-2(H ×δ×n f )]L c ×B (20)②流体最大质量流速G maxG max h=h h NFA M (20) G max c=cc NFAM (21) ③以翅片管外表面积计的一、二次空气两侧换热系数计算对叉排环形翅片管且气流垂直绕流翅片管的换热器的换热器管束外的对流换热系数推荐按下式计算（标准误差在5%左右） 对低翅片管束rf d d =1.2—1.7 d r =13.5——16mmα’=075.0164.031667.0max)()()())((1057.0δμλt H t P G d d r r r(22) 对于高翅片管束rf d d =1.7—2.4 d r =12——41mmα’=296.031718.0max)()())((1378.0Ht P G d d r r rμλ(23) ④翅化后以光管为基准的换热系数α与以翅片管外表面积为基准的换热系数α’之间的关系为α=α’βη (24) 其中β为翅化比，定义为翅化后热管的外表面积与光管外表面积之比A A A fb +=β (25)其中： A b ———翅片间光管面积A f ——翅片的外表面积 A 0———翅化端光管外表面积η为翅片效率法一 直接计算得出ff w T T T T --=0η (26)T w ——翅片表面温度平均值 T f ——流体温度T 0——翅片根部温度法二 查表法[5]求出rf d d ，H cw ⨯δλα2值 查传热学中相应的表即可得出w λ——翅片材料导热系数 c δ——翅片平均厚度⑤总传热系数计算（以光管外表面积为基准）热管的传热热阻主要包括外部热阻和内部热阻[6]。
外部热阻：一、二次空气与热管两端管外表面的传热热阻；内部热阻：热管两端管壁径向导热热阻，热管两端吸液芯径向、轴向导热热阻，管壁轴向导热热阻，与工质移动有关的蒸汽轴向流动热阻、蒸发段和冷凝段汽液交界面热阻，污垢热阻。
其中与工质移动有关的蒸汽在管内传递和流动热阻相对较小，可忽略不计。
热管的等温性能好，它的一个突出优点就是具有很小的内部热阻，因此在实际工程计算中，可根据需要忽略不计管内热阻，若污垢热阻较小，也可忽略不计。
因此以一次空气侧光管外表面计的总传热系数为k 为：k=c h c h L L αα111+ (27)2.5 热管数目计算由传热方程计算出热管传热面积mhT k Q F ∆∙= (28)m T ∆——传热平均温差k ——以一次空气侧光管外表面积计的总传热系数 所需热管数目 hL d FN 0π= (29)2.6 阻力计算ρ22maxNG f P ∙=∆ (30) 515.0211316.0max))(()(86.37S S d S G d f r r -=μ(31) 一次空气侧阻力为hhr h h r h h hhG N S S d S G d G N f P ρμρ2)())(()(86.372)(2max 515.0211316.0max 2max ∙=∙=∆- (32) 二次空气侧阻力为cc r c c r c c ccG N S S d S G d G N f P ρμρ2)())(()(86.372)(2max 515.0211316.0max 2max ∙=∙=∆- (33)3 应用实例根据以上的设计过程，我们与无锡某热管生产企业合作，设计出符合我们要求的实验用的热管换热器。
已知条件：新风量与排风量都为3000m 3/h ，新风进口温度为34℃，出口温度为28.5℃，排风进口温度为24℃，通过计算，排风出口温度为29.4℃。
热管管内工作温度为1/2（34＋29.4）＝31.7℃，按各种工质的工作范围，选氨工质合适。
铝与氨相容，故选铝为管材，因实验中要求在不改变管道布置的情况下，可在夏季与冬季分别进行实验，因此要求采用带有吸液芯的水平热管，吸液芯采用与氨相容的不锈钢网，热管两端气流都是气－气换热，因此两端都需带翅片，管外扩展表面具体参数见表3（单位mm ）。
表3 管外扩展表面具体参数光 管 内 径 d i 光管外 径d r 翅片外 径d f 翅片厚度δ 翅片间 距 t 翅片高度H 1621380.31.88.5计算后的热管换热器结构设计参数见表4表4 热管换热器结构设计参数计算出的热管冷凝段与加热段迎面风速都为2.45m/s ，此流速在合理范围内，对应的阻力较小，都为135P a ，总传热系数为24.2w/m 2℃。
4 结论文中以热管换热器的设计过程为基础，给出了针对制冷空调用热管换热器的基本设计过程，并给出了一个实际设计实例。
