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新型平板热管换热器热回收效率特性实验研究点击：2214 日期：[ 2014-04-26 21:14:37 ] |
| 新型平板热管换热器热回收效率特性实验研究 于雯静 刁彦华 赵耀华 张冀 (北京工业大学建筑工程学院，北京100124) 摘要：本文针对普通住宅房间设计了一台新型平板式热管换热器，该换热器结构紧凑、体积小巧.为研究该换热器的使用条件，本文开展了不同工质(Rll3、R141b以及这两种工质的混合物)对该热管换热器换热效率影响的实验研究.整个实验在夏季工况下进行，热管真空度为l×10-3Pa，充液量(灌入热管换热器内的工质体积与热管换热器体积之比)为1/3.实验结果表明:该热管换热器热回收效率较高。在整个风量范围内，R141b作为工质的热管换热器换热效果最好，最高效率达到了58.2%。 关键词：平板热管换热器;工质;换热效率 中图分类号:TU831文献标识码:A文章编号:0253一231×(2011)11一1921一04 0·引言 为了满足人们的舒适度，提高室内空气品质，对于新风量的要求一直在不断增加，这必然使空调系统的能耗增多，加剧我国能源匾乏与高需要之间的矛盾。为解决这一矛盾，各种热回收装置被广泛应用于空调系统中。由高效传热元件热管组成的热管换热器具有结构紧凑，阻力小，传热性能好，无需动力，新回风不会交叉污染等优点。这些优良的特点决定了其在空调热回收方面更具有应用潜力，目前国内外对于热管换热器的研究日趋成熟。对于热回收装置的性能有2个重要参数，效率和压降，也即是节能和节能的代价，因此对于热回收装置的研究主要就是针对这两个方面的研究。对于热管换热器，影响它换热效率的因素有很多，除了热管几何特征、材料、换热面积、风量、温差，还有真空度、充液量、蒸发段长度、工质等。杨昭、吴志光[1]对热管热回收装置在空调系统中的应用进行了研究。讨论了不同的热空气流量比，迎面风速和管排数对换热效率的影响。结果表明为提高热管热回收装置的热交换效率，需采用翅片式热管，增加管排数，迎面风速限制在2~3m/s的范围内。唐志伟等[2]对具有短管束的小型分离式热管的传热特性进行试验研究，对6种不同的充液率进行了试验，结果说明小型分离式热管最佳充液率按蒸发段总容量计为48%~63%，按管束总容量计为20%~40%。刘娣等[3]设计了一个分离式热管回收样机，探讨了充液率(在冷态条件下蒸发段内的工作液淹没高度与蒸发段的有效加热高度之比)对热管传热效果的影响以及最佳运行工况下的充液率。充液率分别为60%、80%、100%，由实验结果推断出对空调系统排风能量回收的热管换热器，其充液率宜取80%左右。岂兴明等[4]以丙酮、乙醇和水为工质，对小型平板热管在充液率为20%~90%的传热性能进行了试验研究。得出了该平板热管以乙醇为工质的传热性能最好，并得到最佳充液率为50%。 本文针对普通住宅房间设计了一台小型平板式热管换热器，并讨论了不同真空度对该换热器换热效率的影响，结果表明真空度对该换热器换热效率的影响较小[5]。本文针对小型平板式热管换热器换热效率的影响因素工质，进行了实验研究。 1·热管换热器 图1(的所示为平板重力热管，选择铝作为制作材料。该换热器尺寸为340mm×32mm×2mm。热管分为冷凝段、绝热段以及蒸发段三个部分。图l(b)所示为热管剖面图，该热管由11个槽道构成，以强化热管换热性能。 图2(a)所示为由上述热管所构成的热管换热器，在热管与热管之间有很多铝制翅片与之相连，以增加换热面积。为了增强换热效果，本实验将两个热管换热器焊接在一起，焊接方式如图2(b)所示。整个换热器尺寸为:220mm×64mm×340mm，换热面积为3.2m2。 2·实验系统及过程 实验台如图3所示。实验装置主要山热管换热器、风道、翅片管换热器、恒温水浴、直流电源和风机构成。为保证实验效果，风道外加保温材料，减少热量损失。实验台两侧的风机提供不同风速的空气作为新风和排风，通过改变恒温水浴的温度来控制经过翅片换热器的空气的温度，从而模拟实际的冬夏季工况。实验过程中新风和排风的风量保持一致。 本文通过一系列实验研究了不同工质对热管换热器换热效率的影响。根据国内相关标准规定[6]，室内最小新风量是30m3/(h·人)，所以本实验针对2～5个人，选取了4组风量:60、90、120、150m3/h作为实验条件。本文温度测量采用热电阻(Ptl00)，并且通过数据采集仪器记录数据。温度的测点如图3所示，热电阻分布在热管换热器的两侧，距离热管换热器100mm，每个风道上平均分布3个测点，各点间距离均为35mm。所有的热电阻都经过标定，且测量误差为士0.1℃。实验条件包括:选择夏季工况，室外新风温度变化范围定为27～40℃，室内排风温度恒定在24℃不变.热管真空度为1×10-3Pa，充液量为1/3(灌入热管换热器内的工质体积与热管换热器体积之比)，也即灌入热管换热器内的工质体积为113mL。本文所选工质为R141b和Rll3，以及混合工质。混合工质采用R141b与Rll3以不同摩尔比(9:1、7:3、5:5、3:7)配合而成，通过摩尔比和所需工质的总体积计算所需工质的质量。设混合工质中R141b有X1mol，Rll3有X2mol，R14lb与Rll3的摩尔比为a，则有Xl=aX2，计算公式如下: 式中，M—工质分子量(g/mol); X—工质摩尔数(mol)。 最后采用分析天平来量取所需工质的质量。分析天平量程为。0~410g，精度为0.1mg。实验步骤如下: l)将热管换热器抽真空、灌液、封装并装入实验台内准备实验。 2)取风量60m3/h。排风温度控制在24℃不变，新风温度从27℃开始测试，每提高1℃测一组数据，直至40℃。 3)改变风速，重复上一步骤。 4)改变工质，测量并计算不同工质下的热管换热器的换热效率。 在做每一组实验时，都要在温度稳定后再进行测量记录，每5S采集一次数据，每个温度点采集10min的数据，并将平均值作为测量值。热回收效率按温度效率计算，计算公式如下: 3·实验结果分析 如图4~7所示，为在不同风量下，热管换热器换热效率随新风进口温度和工质的变化情况。实验结果显示在同一风量下，换热效率随新风进口温度的增加而增加。Rll3作为工作液体时，热管换热器的换热效果最差，效率在8%～44%之间。从图中可以看出，R141b作为工质时，在整个新风进口温度的范围内，热管换热器换热效率都很高，并且在27~32℃之间，随新风进口温度的增加，换热效率明显增加，而在32~40℃之间，增长比较缓慢。当新风进口温度为40℃，风量为120m3/h时，换热效率最高，达到了58.2%。 对于混合工质，可以从图中看出当室外新风温度高于32℃时，换热器换热效率较高。在风量为90m3/h、120m3/h和150m3/h的情况下，R141b与Rll3的摩尔比为7:3的时候热管换热器的换热效率较高，与采用R141b作为工质时的换热效率相差无几，效率随新风进口温度的变化趋势也较为一致，并且同样在风量为120m3/h，温度为40℃时，效率达到最高值，约为59.3%。R141b与Rll3的摩尔比为5:5和3:7时，热管换热器的换热效率低于45%，与最优混合比的情况相差20%左右。 风量为60m3/h时，热管换热器换热效率普遍较低，原因是风量太低，风速太小，换热器本身存在阻力，换热不够充分。在风量为60m3/h时，使用R141b作为工质的换热器效率明显高于使用混合工质(R141b:Rll3—7:3)的情况，说明在低风量的条件下，R14lb作为工作液体时该热管换热器依然具有较高的应用价值。 4·结论 本文针对所设计的新型平板式热管换热器充装工质对其换热效率的影响进行了实验研究，得出以下结论: l)夏季工况下，热回收效率随新风进口温度的增加而增加。 2)不同风量下，同一工质的热回收效率变化趋势基本一致，风量为60m3/h时，热回收效率低于其他风量情况下的效率值。 3)夏季工况下，在整个风量范围内，Rll3作为工质的热管换热器换热效果最差，R141b作为工质的热管换热器换热效果最好，最高效率达到了58.2%。 参考文献 [1]杨昭，吴志光.热管热回收装置在空调系统中的应用研究[J]·能源研究与利用，2004，(3):1416 [2]唐志伟，马重芳，蒋章焰.小型分离式热管工作温度与传热特性的实验研究团.工程热物理学报，2004，25(6):1043-1045 [3]刘娣，汤广发，赵福云.分离式热管热回收器的性能实验[s].暖通空调，2005，35(4):56一59 [4]岂兴明，苏俊林，矫津毅.小型平板热管的传热特性[s].吉林大学学报(工学版)，2006，36(5):669一672 [5]于雯静，刁彦华，赵耀华，等.新型平板热管换热器热回收特性实验研究[C]//中国工程热物理学会学术会议传热传质学学术会议论文集.青岛，2009 [6]国家质量监督检验检疫总局.GB/T18883一2002室内空气质量标准[s].北京:中国标准出版社，2003:2 |
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