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基于显热回收的分离式热管传热特性的实验研究点击：1817 日期：[ 2014-04-26 21:14:40 ] |
| 基于显热回收的分离式热管传热特性的实验研究 熊翰林1，李满峰1，2，王占伟1，贾新龙1，陈战魁1 (1．华北水利水电学院环境与市政工程学院，郑州450011;2．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240) 摘要:针对新风空调机组，采用倾角为15°的分离式热管用于显热回收。研究充液率，迎面风速及空气进口温度对显热效率的影响，分析了其影响规律。研究表明，采用热管空调机组设计风速范围内，充液率介于66%～75%时，其换热效率最高。迎面风速较低时，空气进口温度介于34℃～36℃，其显热效率较高。因此，采用分离式热管机组适合用于高热地区作为新风机组，可最大限度回收显热。 关键词:显热回收;效率;分离式热管;传热特性 1·引言 热管借助于工质在蒸发段和冷凝段的相变传递热量，是一种高效的传热元件。分离式热管换热器由于冷热端分开、布置灵活，因而广泛用于余热回收和能量的综合利用中。小型分离式热管的启动特性及沸腾、流动和凝结换热过程的影响因素很多，因此研究热管不同工况的传热特性尤为重要。空调机组常用于舒适型空调降温除湿、对温湿度精度要求比较高的场合，需要提高送风温度以减少人体不舒适感，应进行再热。舒适性空调机组将空气通过蒸发器除湿降温后，采用蒸汽、热水或电加热提高出风温度以满足人体舒适感，既浪费了冷量又需要增加热源，造成能源的二次浪费。因此提出热管辅助进行预冷和再热，可以有效减少能源浪费，极大提高能源的利用率。 Wodowski等人认为，空气中含湿量的增加导致了热管换热器全热效率急剧的降低［1］。Hill等人研究表明，回风和送风温差越小导致热管换热器效率降低［2］。Yau研究了热管用于暖通空调中除湿时，8排管热管在不同进口的干湿球温度和风量时，倾角分别为0°和30°时，对其显热效率和全热效率的影响［3］。刘旭等人建立了分离式热管蒸发段充冷过程的数理模型，分析了在不同热管介质入口温度下热管蒸发段管外冰层厚度、热管介质出口温度、热管外蓄冷介质温度、单位时间蓄冷量以及总蓄冷量随时间的变化关系［4］。郝莹等人探讨了蒸发器进风面风温及分离式热管蒸发器与冷凝器之间高度差、工质充注量对分离式热管的影响［5］。石定明等人比较了间壁式传热和分离式热管传热对热侧面积相等的情况下在低温烟气中的传热，并在同样总面积比的情况下，做多种热管管排组合，通过管排组合改变热管换热器局部的温度分布，总结有利于避免露点腐蚀发生的管排组合规律［6］。本文基于空调机组采用分离式热管，采用R22工质，根据蒸发器的结构尺寸和型式设计了分离式热管，分析研究热管冷凝段和蒸发段传热特性，研究不同风量、充液率对分离式热管温度和传热效率特性的影响。 2·空调机组用分离式热管基本原理及评价指标 2．1空调机组用分离式热管的基本原理 空调机组的新风与回风混合后先经过热管蒸发段预冷，降低混合风的显热后流经蒸发器降温除湿，由于蒸发器表面温度低于露点温度，送风温度较低，通过热管冷凝段再热后有2～5℃温升，能基本满足舒适性空调送风温度的要求。通过热管内R22工质的蒸发和冷凝实现了预冷和再热，提高了能量的利用率。空调机组用分离式热管示意如图1所示。 2．2评价指标 热管的显热效率η定义为通过热管的空气实际吸收的热量与理论上可吸收的最大热量之 3·分离式热管实验装置及测量系统 3．1实验装置 图2所示为分离式热管结构布置图，从图上可以看出热管由蒸发器管和冷凝盘管组成。蒸发器盘管和冷凝器盘管之间靠两根φ42mm的U形铜管连接成一个整体。具体参数如表1所示。 3．2整体机的布置结构 根据设计风量我们选择了型号为KAT10－8S的风机，型号为DM1 90S4A、功率为1．1KW的电机，290×265mm的风管，5HP的室外机。另外将室外机的风扇对准样机的新风入口，模拟夏季室外空气工况。风管一侧连接在风机出口处，另一侧加装一个风阀，方便调整风量从而得到试验所需的迎面风速。样机的整体布置如图3所示: 3．3样机测试步骤 (1)连接室外机，用铜管和膨胀阀将主抽湿盘管与5HP的室外机连接起来。并将室外机平行放置在距样机新风入口约1．5m处，以保证室外机运行时产生的热风能将新风加热到我们试验所需的温度。 (2)样机的风机出口接290×265mm的风管，方便调整风阀以得到试验所需的迎面风速。 (3)系统运行前要抽真空，进行保压检漏，而后充注制冷剂R22。 4·分离式热管热效率影响因素 4．1充液率对显热效率的影响 充液率是影响分离式热管传热性能的重要因素，充液率过小会导致蒸发段上部烧干，热管无法正常运行;充液率过大，液体可能被带入冷凝段而影响冷凝段的传热。因此必须计算出合理的充液率，使其工作在最佳状态，充分发挥分离式热管的高效传热效果。 充液率定义为热管蒸发段制冷剂液面高度与热管蒸发段高度的比值，以%为单位。先以32%的充液率进行测量，调节风阀的大小，用热球式电风速计测得1．5m/s、2m/s、2．5m/s的迎面风速工况下，记录各工况的实验数据;而后每次增加40mm的充液高度，一直增加到84%的充液率。不同风速时，充液率对显热效率的影响如图4所示。 在1．5m/s的迎面风速下，充液率为66%时，显热效率达到最高点，充液率为31．5%时对应的显热效率最低，随着充液率的增加，显热效率也随之增大，充液率高于66%时，显热效率又有下降趋势，可见在1．5m/s的迎面风速下充液率对显热效率的影响还是比较明显的;在2．0m/s的迎面风速下，充液率为75%时，显热效率最高，各充液率对应的显热效率波动不大，可见在2．0m/s的迎面风速下充液率对效率的影响并不明显。在2．5m/s的迎面风速下，充液率为75%时，显热效率最高，充液率对应的显热效率上下波动很大。因此，舒适性空调用热管换热的机组，迎面风速(1．5～2．5m/s)下，充液率介于66%～75%时，其显热效率最高。舒适性空调设计风速范围内，合理的充液率能保证热管高效的换热，提高其显热效率，最大限度的余热回收。 4．2进口温度对显热效率的影响 基于空调用热管，热管蒸发段预冷温度越低，则蒸发器所需的制冷量也相应降低;热管冷凝段温度越高，则需再热量越小，因此热管空气进口温度影响其显热效率。不同充液率下，进口温度的对显热效率影响如图5所示。 在1．5m/s的迎面风速下，随着热管蒸发段进口温度的逐渐增加，显热效率逐渐降低，随着充液率的增加，显热效率也随之增大，在1．5m/s的迎面风速下，充液率为75%时，效率最高;充液率一定的情况下，当空气进口温度在(34℃～36℃)时，显热效率最大;不同迎面风速时，随着充液率升高，显热效率呈增大趋势，但增大趋势不明显。提高进口温度，增大热管蒸发段的换热量强化沸腾换热的外在负荷，并不能提高其显热效率，因此应考虑热管冷凝段的换热及回液速度，保证冷凝段和蒸发段在运行工况内，冷凝压力和蒸发压力压差较大并相对稳定尤为重要。因此，迎面风速较低时，充液率介于66%～75%时，空气进口温度介于34℃～36℃，其显热效率最高。 5·结论 采用R22为工质的分离式热管具有良好的启动性，由于汽化潜热较小而极易发生相变，本文针对用于空调机组回收显热采用分离式热管，针对不同的充液率、迎面风速及空气进口温度研究对其显热效率的影响，并得到以下结论: (1)迎面风速(1．5～2．5m/s)下，充液率介于66%～75%时，其显热效率最高。合理的充液率能保证热管高效的换热，提高其显热效率，最大限度的余热回收。 (2)迎面风速较低时，充液率介于66%～75%时，空气进口温度介于34℃～36℃，其显热效率最高。 (3)用分离式热管换热器的舒适性空调机组，适合用于高热地区作为新风机组，最大限度的利用其显热回收的能力。 参考文献：略 |
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