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波纹管强化换热的计算机理及其实验点击：1985 日期：[ 2014-04-26 21:35:16 ] |
| 波纹管强化换热的计算机理及其实验 石 岩１，２ （１．吉林大学环境与资源学院，长春１３００２６；２．吉林建筑工程学院，长春１３０１１８） 摘 要：针对波纹管的强化传热特性，采用理论程序分析与实验研究相结合的方法优化工程设计，提出了浸入式波纹管污水换热器的设计计算方法，并实测了利用该换热器的城市污水热能回收与利用系统的运行参数。测试结果显示：采用该计算程序设计的污水换热器的换热量完全满足建筑物的负荷要求。同时，与其他非金属污水换热器（铝塑管污水换热器、ＰＰ－Ｒ管污水换热器）的换热效果进行了对比实验，为浸入式污水换热器的优化设计和工程应用提供理论依据和技术参数。 关键词：污水热能；污水换热器；波纹管 中图分类号：Ｘ７０６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１１）Ｓｕｐ．２－０３６４－０５ 波纹管换热器推出时间还不是很长，国内外一些学者对其进行了流动和传热方面的实验研究［１－４］，结果表明：流体在波纹管中从层流过渡到湍流时的临界雷诺数要比直管低得多，这就意味着，当直管中的流动刚刚进入湍流状态时，波纹管中的流动势必处于中等或高度湍流状态，故此时波纹管相对于直管的强化传热效果最佳。其强化传热倍数可达到相同条件下直管的１．５～３倍。但目前多数研究仅限于单纯的管内流动及传热或是仅限于单纯的套管式换热的研究。而针对污水换热中采用浸入式波纹管换热器的研究较少。本文从波纹管换热的传热机理出发，对浸入式波纹管污水换热器的设计程序和实际运行效果进行研究，首次提出了此类换热器的计算方法，为其在污水热能回收与利用领域的工程应用提供了理论依据和技术参数。 １ 浸入式波纹管污水换热器的设计 １．１ 污水赋含冷量计算 本项拟设计计算项目是吉林省一幢３０ ０００ｍ２待建会馆，夏季冷负荷Ｑｌ为３６００ｋＷ。冬季热负荷Ｑｒ为２７００ｋＷ。在污水流量稳定情况下，其流量为３０００ｍ３／ｈ，则污水赋含冷量Ｑｗ为 Ｑｗ＝ρｃｖΔｔ（１） 式中：ｖ为污水体积流量，ｍ３／ｓ；Δｔ为污水利用的最小温差，一般取６℃。 经式（１）计算，Ｑｗ＝２１ ０００ｋＷ，ＱｗＱｌ（Ｑｒ），因此判断该建筑采用城市污水热能回收与利用系统具有可行性。 １．２ 换热器盘管长度计算 文献［５］针对波纹管传热强化效果与机理进行了研究。参考文献［５］的分析结果，采用目前工业上常用的一种波纹管，其技术参数为：小径Ｄ１＝２５ｍｍ、大径Ｄ２＝３２ｍｍ、波距为２０ｍｍ、壁厚为０．８ｍｍ、λ＝１０Ｗ／（ｍ·℃）。 １．２．１ 换热器换热量基本计算式 Ｑ＝±ＫＬΔｔ·Ｌ（２） 式中：Ｑ为换热器的换热量，Ｑ≈Ｑｌ；ＫＬ为单位管长传热系数；Ｌ为换热器盘管长度；Δｔ为管内外介质温，取污水利用的最小温差６℃。 可见，只要计算出单位管长传热系数ＫＬ即可确定换热器的盘管长度Ｌ。 １．２．２ 换热器数学模型基本表达式流体满足的控制方程的通用形式如下［６］： 与上式对应的控制方程包括Ｘ、Ｙ、Ｚ方向动量方程、湍流动能方程、耗散率方程、能量方程。定解条件如下：介质为水－水，管外污水流量为３０００ｍ３／ｈ，进出口温差６℃，γ＝１．２１６×１０－６ｍ／ｓ，λｗ＝５８．１５×１０－２ Ｗ／（ｍ·℃）。管内流量１．２ｍ３／ｓ，γ＝１．１２６×１０－６ ｍ２／ｓ，ｐγ＝８．０２，μ＝１．１２５×１０－３。 １．２．３ 换热器传热系数ＫＬ的确定 （２）管内流动换热 波纹管的对流换热不同于普通光管，按照换热器数学模型基本表达式，采用遗传算法，当采用基管外径为２５．５ｍｍ的波纹管换热时，管内换热准则关联式为： （３）管外流动换热 浸入式螺旋盘管换热器管外污水至管壁的放热系数可按自然对流换热来考虑，同时水池内设有潜水泵驱动污水流动［３］。因此，αｏ的计算为： １．２．４ 换热器传热计算程序的建立 通过上述运算建立换热器设计计算程序（见图１），计算结果为ＫＬ＝６７．７５Ｗ／（ｍ·℃）。将ＫＬ代入式（２），换热器的盘管长度Ｌ为８８５６ｍ。在该地区夏季冷负荷大于冬季热负荷，浸入式波纹管换热器的长度满足夏季冷负荷要求时，即可满足冬季热负荷要求。 １．３ 换热器盘管布置方式 参考文献［７－９］的研究成果，螺旋盘管的管间距一般应大于管外径的５倍。同时水平管的自然对流换热效果好于垂直管和斜管，因此污水换热盘管在一般情况下选择水平布置。又据文献［７］的介绍，螺旋管换热效果比直管好，而且在单位空间内螺旋盘管的传热面积较大，综合换热效果较好。综合上述分析，换热器采用水平螺旋盘管的布置方式。当需多个盘管换热器时，应采用并联方式。 ２ 实验过程 ２．１ 实验系统的建立 为验证上述计算方法的合理性，按此设计方法计算出６０ｍ２实验室所需波纹管污水换热器的长度为２１．６ｍ。按照相似理论建立了模拟实验台，对采用波纹管污水换热器的热泵空调系统进行测试。试验系统示意图如图２所示。本实验系统由水源热泵、污水换热池、风机盘管空调装置、循环水泵及流量、温度、电功率等测试系统组成。试验系统以污水池中的污水为冷源，对６０ｍ２的试验室进行制冷。 采用ＴＦＸ１０２０Ｐ手持时差式超声波流量计，分别测量热泵用户侧流量、热泵水源侧流量、风机盘管流量。本实验台共设置了１６个温度测点，温度测试仪表选用ＷＪＫ－Ｅ微机复路数据采集仪，通过计算机实现温度的自动测量和记录。为测量实验台各设备的耗电量，选用６台上海欣灵电气股份有限公司生产的ＤＤＳ２３２型电子式单相电能表，分别测量水源热泵机组、风机盘管、两台循环水泵及整个系统的耗电量。 ２．２ 实验研究方法 随室外温度的变化，制冷房间的冷负荷也发生变化，实验系统的波纹管污水换热器的换热量也需随之变化，以满足房间设计温度的要求，并在允许的范围内波动。可以通过室内温度变化曲线，考察城市污水热能回收与利用系统的制冷效果及冷负荷调节能力。 （１）分别选取整个制冷测试期间（２０１０年８月１２日至８月２０日）及典型实验日（２０１０年８月１０日），通过对实验室室内温度及室外温度的变换情况，监测采用波纹管污水换热器的热泵空调系统是否满足制冷效果及冷负荷调节能力。 （２）分别选取整个制冷测试期间（２０天），考察采用波纹管污水换热器的热泵空调系统在整个制冷测试期间每天平均制冷工作性能并对结果进行分析。 ３ 实验数据分析 ３．１ 整个制冷测试期间温度的变化 整个制冷测试期间，每天室内平均温度、室外平均温度的测试结果如图３所示。在室外温度变化较大的情况下，室内温度变化较平稳，基本维持在２２℃左右，如图４所示。 ３．２ 系统制冷量、耗功量及系统制冷系数的测定 采用波纹管换热器的日平均制冷量、日平均耗功量及制冷系数随时间的变化如图５所示。测试结果显示：采用波纹管污水换热器的系统平均制冷量为８．６０ｋＷ，平均耗功量为１．９０ｋＷ，平均制冷系数为４．５３，性能指标稳定。 ３．３ 测试结果的对比分析 分别对铝塑管和ＰＰ－Ｒ管污水换热器进行了测量，采用铝塑管换热器的系统平均制冷量为７．６ｋＷ，平均耗功量为２．１２ｋＷ，平均制冷系数为３．５８。采用ＰＰ－Ｒ管换热器的系统平均制冷量为６．９ｋＷ，平均耗功量为２．６６ｋＷ，平均制冷系数为２．６。 单位管长的污水换热器的换热量是衡量换热器换热效果及经济性的重要指标，三种不同管材的对比情况见图６和图７。 ４·结 论 （１）通过计算程序分析和实验研究总结出波纹管污水换热器的设计方法。实验结果显示，该换热器满足建筑冷热负荷要求，具有较好的实用性及针对性。 （２）通过对比实验发现，浸入式波纹管污水换热器的换热效果明显优于铝塑管及ＰＰ－Ｒ塑料管污水换热器，其单位管长换热量是铝塑管的５．２倍，是ＰＰ－Ｒ塑料管的８．１倍；其性价比是铝塑管的２．４４倍，是ＰＰ－Ｒ塑料管的２．５４倍，而总造价仅是铝塑管污水换热器的４６％，是ＰＰ－Ｒ管污水换热器的７０％。因此，波纹管污水换热器是适合于污水热能回收与利用的高效换热设备。 参考文献：略 |
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