Using a heat pipe as a waste air heat exchanger in a central air conditioner

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The present study is a review of the literature on heat pipes. The aim is to determine the feasibility of using this type of heat exchanger in air-conditioning (AC) systems. This paper deals with the principle of operation and design of the heat pipe, provides various ways to return condensate, and describes in detail its thermodynamic cycle. Considerable attention is paid to wick structures and working fluids. The restrictions on the heat transfer of heat pipes that affect heat exchanger performance are noted. Design recommendations found in scientific literature and on the websites of manufacturing companies are also described. The diagrams of the heat pipe designs used in central air conditioners and AC systems are given. An example of an installation using heat pipes as a waste air heat exchanger in a central air conditioner is given. Further, the efficiency and thermal power of various methods of heat recovery are compared with the same initial parameters of the flow rate and temperatures of outdoor/exhaust air. A conclusion is reached regarding the advantages of using heat pipes in AC systems for heat recovery. The reason for the rare use of this heat exchanger is also explained. Different methods of heat recovery are compared, and the prospects of using a heat pipe in AC systems are assessed. Recommendations are given on the direction of further research on this topic.

About the authors

Anton A. Zharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: zharov_a@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9945-0850
SPIN-code: 8581-1809

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Ian M. Timashpolskiy

Bauman Moscow State Technical University

Email: ian.timash@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3774-1825
Russian Federation, Moscow

Artem V. Borisenko

Bauman Moscow State Technical University

Email: borart@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4818-3702
SPIN-code: 2859-5006

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Anna V. Valiakina

Bauman Moscow State Technical University

Email: valiakina@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-7709-1209
SPIN-code: 7679-2022

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Sevastian M. Timashpolskiy

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: timsevmih@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5908-8105
Russian Federation, Moscow

References

  1. Chi SW. Heat pipe theory and practice: A sourcebook. New York: Hemisphere Pub. Corp; 1976.
  2. Dunn PD, Reay DA. Heat Pipes. Oxford, New York, Toornto, Sydney, Paris, Braunschweig: Pergamon Press; 1976.
  3. Abd El-Baky MA, Mohamed MM. Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning. Appl. Therm. Eng. 2007;27(4):795–801. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2006.10.020
  4. Mahajan G, Cho H, Smith A, et al. Experimental analysis of atypically long finned oscillating heat pipe for ventilation waste heat recovery application. J. Therm. Sci. 2020;29(3):667–675. doi: 10.1007/s11630-019-1178-5
  5. Faghri A. Heat pipes: review, opportunities and challenges. Frontiers in Heat Pipes (FHP). 2014;5(1):1–48. doi: 10.5098/fhp.5.1
  6. Vasiliev LL. Heat pipes in modern heat exchangers. Appl. Therm. Eng. 2005;25(1):1–19. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2003.12.004
  7. Barrak AS, Saleh AAM, Naji ZH. An experimental study of using water, methanol, and binary fluids in oscillating heat pipe heat exchanger. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2020;23(2):357–364. doi: 10.1016/j.jestch.2019.05.010
  8. Eidan AA, Alshukri MJ, Al-fahham M, et al. Optimizing the performance of the air conditioning system using an innovative heat pipe heat exchanger. Case Studies in Thermal Engineering. 2021;26:101075. doi: 10.1016/j.csite.2021.101075
  9. Wang C, Tang S, Liu X, et al. Experimental study on heat pipe thermoelectric generator for industrial high temperature waste heat recovery. Appl. Therm. Eng. 2020;175(5):115299. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2020.115299
  10. Han ZX, Wang DX, Wang F. Visual experimental study on operation characteristics of condensation segment of gravity-assisted heat pipe. CIESC Journal. 2014;65(8):2934–2939. doi: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.08.012
  11. Li Q, Ma L, Xuan YM. Experimental investigation of cryogenic loop heat pipe. J. Eng. Thermophys. 2010;31(1):120–123.
  12. Jadhav TS, Lele MM. Theoretical energy saving analysis of air conditioning system using heat pipe heat exchanger for Indian climatic zones. Int. J. Eng. Sci. Technol. 2015;18(4):669–673. doi: 10.1016/j.jestch.2015.04.009
  13. Ahmadzadehtalatapeh M, Yau YH. The application of heat pipe heat exchangers to improve the air quality and reduce the energy consumption of the air conditioning system in a hospital ward—A full year model simulation. Energy and Buildings. 2011;43(9): 2344–2355.
  14. Ahmadzadehtalatapeh M. An air-conditioning system performance enhancement by using heat pipe based heat recovery technology. Scientia Iranica. 2013;B20(2):329–336. doi: 10.1016/j.enbuild.2011.05.021
  15. HHP, VHP Heat Recovery Heat Exchangers Catalogue [internet] Available from: https://karyergroup.com/ru/продукты/рекуперация-tепла-теплообменники/item/hhp-vhp-5?category_id=355 accessed: 13.12.2022
  16. Clima Gold [internet] Available from: https://ru.climagold.com/ дата доступа: 13.12.2022
  17. Advanced Cooling Technologies, Inc. [internet] Available from: https://www.1-act.com/ accessed: 13.12.2022
  18. HVAC energy recovery [internet] Available from: https://www.1-act.com/hvac/ accessed: 13.12.2022
  19. Air-to-air heat pipe heat exchanger (HP-AAHX) selection tool [internet] Available from: https://www.1-act.com/hvac/aahx/ accessed: 13.12.2022
  20. Advanced heat exchangers [internet] Available from: https://www.1-act.com/innovations/heat-exchanger/ accessed: 13.12.2022
  21. Sukarno R, Putra N, Hakim II, et al. Multi-stage heat-pipe heat exchanger for improving energy efficiency of the HVAC system in a hospital operating room1 [Heat pipe heat exchanger for heat recovery in air conditioning]. Int. J. Low-Carbon Technol. 2021;16(2):259–267.
  22. Sukarno R, Nandy P, Hakim II, et al. Utilizing heat pipe heat exchanger to reduce the energy consumption of airborne infection isolation hospital room HVAC system. Journal of Building Engineering. 2021;35:102116. doi: 10.1016/j.jobe.2020.102116
  23. Abdelaziz GB, Abdelbaky MA, Halim MA, et al. Energy saving via Heat Pipe Heat Exchanger in air conditioning applications “experimental study and economic analysis”. Journal of Building Engineering. 2021;35:102053. doi: 10.1016/j.jobe.2020.102053
  24. Enteria N, Cuartero-Enteria O, Sawachi T. Review of the advances and applications of variable refrigerant flow heating, ventilating, and air-conditioning systems for improving indoor thermal comfort and air quality. International Journal of Energy and Environmental Engineering. 2020;11:459–483. doi: 10.1007/s40095-020-00346-0
  25. Eidan AA, Najim SE, Jalil JM. An experimental and a numerical investigation of HVAC system using thermosyphon heat exchangers for subtropical climates. Appl. Therm. Eng. 2017;114:693–703. doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2016.12.027
  26. Al-fahham M, Eidan AA, Ahmed AQ, AlSahlani A. Improving the performance of air conditioning system experimentally by a new type of heat pipe heat exchanger. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020;928:022124. doi: 10.1088/1757-899X/928/2/022124

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diagram of a conventional heat pipe showing the principle of operation and the circulation of the working fluid.

Download (310KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Thermodynamic cycle of a heat pipe.

Download (96KB)
Indexing metadata
4. Рис. 3. Схемы расположения теплообменных аппаратов на основе тепловых труб: a) Петлевая схема. b) с раздельным расположением потоков воздуха; c) с близким расположением потоков воздуха [18].

Download (223KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Operating periods: a) Summer mode; b) Winter mode [18].

Download (181KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Example of an AC system using a heat pipe.

Download (283KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Zharov A.A., Timashpolskiy I.M., Borisenko A.V., Valiakina A.V., Timashpolskiy S.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».