熱管熱交換器之運作原理與應用

刊登日期:2015/11/5
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過去二十年,環境氣候變遷已成為一股最強大的驅動力,迫使人類在近兩個世紀以來,首次急需在工業上發揮創意,驅使工程師與設計師發展更為永續與有效率的能源系統,以改善工業製程與環境。在二十一世紀,每一家企業都必須意識到該公司各項不同形式的相關作為,很可能會對環境造成傷害,諸如廢棄物的產生、溫室氣體排放與廢熱的處理。

針對熱能而言,廢熱的排放可透過熱交換器的回收,讓熱能重新使用於工廠製程之中,或提供附近廠區使用。熱交換器,顧名思義就是可將熱能從廢氣中取出,並將熱能轉換至其他需要的應用場合。由於環境法規的要求,現代工業製程中處處可以看到該項裝置的存在,其中包含熱管熱交換器。本文將介紹熱管熱交換器的基本操作原理,讓熱管熱交換器更廣為人知;同時本文將介紹熱管熱交換器的傳統應用與近期發展現況,以利熱管熱交換器的推廣。

運作原理
熱管熱交換器主要是由熱管、鰭片、中央隔板與殼體所構成,如圖二所示。熱管由管殼、毛細結構與工作流體等所組成的一個高真空封閉系統,其結構與工作原理如圖三所示。使用熱管時,將蒸發端置於較高溫度流體處,而將冷凝端置於較低溫流體處,此時熱傳現象便開始發生。熱流首先由高溫流體穿過金屬管壁傳給毛細結構,使毛細結構中的工作流體開始蒸發,同時蒸氣往熱管的冷凝端流動。由於熱管的冷凝端置於低溫流體處,所以當氣態的工作流體到達冷凝端時,便開始冷凝成液態的工作流體,同時熱量由氣態工作流體傳給毛細結構與金屬管壁,進而傳遞給冷凝端外部的低溫流體。冷凝後的液態工作流體因毛細現象從冷凝端流回蒸發端,如此工作流體循環不停,熱量就持續由高溫流體傳遞至低溫流體處。

由於熱管內的蒸發與冷凝現象在幾乎相同的氣壓下進行,屬兩相流,因此管內的工作流體溫度幾乎是相等,熱管兩端的溫差非常的小。熱管外殼兩端的溫差主要是由於熱管內外壁的熱傳導熱阻,因熱量經過毛細結構與管壁所致。由於毛細現象的作用,在冷凝端的液態工作流體不須外力的作用即可回流至蒸發端,這樣的特性使熱管成為一個完全獨立而沒有活動零件的高效導熱元件。



圖五、氣對液熱管熱交換器結構

應用現況
由於熱管具有熱阻小、低溫差及可傳熱之特性,又不需特別的主動元件,因此適合用於製造熱交換器。本文將針對熱管熱交換器在傳統應用與近期應用研究兩方面,進行相關說明。
2. 近期應用研究現況
熱管在寒冷氣候地區應用於熱能回收,已是廣為人知的應用案例。透過熱管的低壓損特性與迴路構造,使得回收的熱能得以用於緩和嚴寒的氣候環境。不過在建築空調的應用領域中,除了熱能可回收用於提供暖氣外,另一種具有足夠經濟價值的可能應用方式則是「冷能的回收」。在這樣的應用方式中,熱管熱交換器可用於增加傳統空調機的除濕能力,成為一項極具吸引力的應用案例,如圖八所示。透過使用熱管除濕器,空調機可降低空調區域的相對濕度(一般可達10%),藉此顯著地改善室內空氣品質與降低能源需求  ……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。



圖八、熱管熱交換器應用於冷凍空調系統的除濕強化

作者:林貴添、簡國祥/工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」347期,更多資料請見下方附檔。

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