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小型热管能量回收机组的实验及其研究点击：1860 日期：[ 2014-04-26 21:39:37 ] |
| 小型热管能量回收机组的实验及其研究 王立平1,梁 忠2 (1.机械工业第四设计研究院,河南洛阳471039;2.北京工业大学,北京100124) 摘 要:根据传热学原理,对热虹吸管换热器的传热热阻进行分析,得出影响其热传效率的主要因素为外部对流换热热阻。如何强化热管与外界传热是热虹吸管换热器设计的关键。同时在研究热虹吸管传热的基础上,根据风机盘管的结构,研制出小型吊装单元式热虹吸管能量回收机组。在冬季工况下,通过实验分析了室外新风温度、倾角、迎面风速、室内外温差等参数对样机温度效率的影响,以及样机回收热量与迎面风速的关系,并对样机做经济效益分析,为工程应用提供了参考依据。 关键词:热阻分析;热虹吸管;能量回收;换热器 中图分类号:TV83 文献标志码: 文章编号: 1009-3230(2010)07-0022-05 随着世界能源危机的不断加剧,在满足人类能源需求的同时节能已成为广泛共识。空调系统能耗约占建筑能耗50% ~60%[1]。而新风能耗占建筑总能耗的10% ~15%[1]。如果在排风系统中采用热回收装置回收排风系统中的废热(冷)来预热(冷)新风,可以有效降低能耗和改善室内空气环境。国家颁布了有关法规要求在某些建筑中必须采用热回收装置。如《民用空调建筑节约用电的若干规定》中规定:“凡是空调面积在300m2以上的建筑,空调系统应选用匹配的热回收设备”。 在空调热回收系统中,热虹吸管能量回收机组与其他换热设备相比,具有热传递速度快、传递温降小、结构简单和无冷热源交叉感染等特点[2]。因而在空调系统中得到了广泛应用。根据吊顶风机盘管的工作原理,对小型建筑的空调系统能量回收提出新思路—采用吊装单元式热虹吸管能量回收机组。并开发研制出吊装单元式热虹吸管能量回收样机,然后对样机进行实验研究,测量换热器两侧进出口空气温度。在定义能量回收效率的基础上,探讨新风温度、倾角、迎面风速等参数对样机回收效率的影响,并对其经济性进行分析。 1·样机研制及传热分析 在空调系统中,鉴于近年地球环境及能源回收利用等问题,国内外许多业内人士和企业对热管换热器做了大量理论和实验研究,并取得了许多成果。热虹吸管换热器与转轮换热器、板翅式换热器相比,在空调余热回收上有明显的优势。目前用于大型商场的热管能量回收设备效率可达65%[1]。由于传统余热回收装置安装空间受到限制,对于小型建筑空调余热回收投资成本也较高,因此目前小型商场、办公场所余热回收受到很大限制。针对以上问题,借鉴风机盘管结构形式,以风机盘管为基础将其研制开发成吊顶单元式热虹吸管能量回收机组,它不仅具有普通热虹吸管换热器的优点,同时又具有安装方便,使用灵活、造价低等特点,在工程中有非常好的应用前景。 热虹吸管换热器由多根热虹吸管组成。每根热虹吸管由蒸发段、绝热段、冷凝段三部分组成。当热源对蒸发段加热时,管内工质吸热蒸发,蒸气流向冷凝段,在冷凝段受到外界冷源的冷却作用凝结成液体,在重力作用下,凝结液回流到蒸发段,如此反复便把热量由热源传至冷源。热管的工作原理见图1所示,热量从热源到冷源的传递热阻有下列8部分组成[3](等效热阻见图2)。 (1)热源与蒸发段外壁的换热热阻R1; (2)蒸发段管壁的导热热阻R2; (3)蒸发段管内沸腾换热热阻R3; (4)蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R4; (5)冷凝段管内凝结换热热阻R5; (6)冷凝段管壁导热热阻R6; (7)冷源与凝结段外壁的换热热阻R7; (8)热管管壁轴向导热热阻R8。 对于热管管壁的轴向导热,由于管壁很薄且热管轴向较长,其导热热阻与其他环节相比要大得多,因此热管管壁轴向导热热阻R8可忽略不计[3]。蒸发段到冷凝段工质流动换热热阻R4数量级大约在10-3,R3、R5数量级大约在10-3。它们与热阻R1、R2相比是小量[3],在计算过程中可以忽略不计。因此热管整体热阻可简化表示为: 热虹吸管换热器与板式换热器一样,影响其热传效率的主要因素为外部对流换热热阻,若热管换热器采用光滑管时,用在建筑空调余热回收上显示不出优越性。 但热管换热器的吸热和放热段都在外表面,这样可以在其表面方便的增加翅片以达到强化换热的目的,而对于板式或管式换热器虽然也可以在外表面增加翅片扩大换热面积,但是内部受工艺限制很难做到[3],现假定热管换热器的肋化效率为η,忽略热管管壁的导热热阻,则加上翅片后的热管热阻为: 对于板式或管式换热器,忽略热管管壁的导热热阻,同样假定外表面肋化效率为η则加上翅片后的热阻为: 由于η>1,因此无论管式换热器肋化效率有多大,其传热效率最多增大1倍,而热管换热器从理论上传热效率可以提高η倍(一般η≥1)。由于热管换热器与其他换热器相比KF较大,根据传热学公式Q=KFΔt,可知,热管换热器可以在小温差下传递相同的热量。 对于建筑空调余热回收用的热虹吸管换热器,在合理的工作介质和倾角范围内,热管内部的传热极限要大于外界输入的热量,因此如何强化热管与外界传热是热虹吸管换热器研制的关键。 2·结构特点及实现 根据以上传热分析可知,提高热虹吸管换热器的肋化效率是提高其热效率的有效途径。因此在热虹吸管表面设置铝制波纹翅片能有效强化传热,而目前技术比较成熟的风机盘管外形结构恰好符合这一要求。根据风机盘管的结构特点,确定研制的吊装单元式热管能量回收机组的尺寸为1 400mm×120mm×180mm,并且均分为等截面的两部分,分别作为模拟工况下空调系统的新、排风侧。 热虹吸管正三角形错排, 8根×3排,肋片间距为2. 54mm,单根热虹吸管采用9. 52mm×0. 3mm的紫铜管制成。样机下部设有凝结水盘并吊装在测试房间内。样机上装有调节机构,通过按钮,倾角可以在10°范围内正反向任意调节。试验系统如图3所示,温度测量采用经过校准的2×0. 3mmT型电偶,符合国家标准GB/T 2903—1998。系统所有热电偶均与DWY—20多点温度记录仪连接,数据采集时间间隔为10 s,记录仪有存储功能,实验数据定时导入电脑记录分析。 3·运行效率分析 3.1 温度效率E 温度效率是热虹吸管换热器能量回收的性能指标,也是影响设备经济性、投资回收年限的主要因素,它与换热器的迎面风速、管排数等因素有关,其定义为: 3.2 新风温度对温度效率的影响 实验过程中,保持室内温度在15~19℃之间。风机风速为1. 5 m/s,倾角以水平方向为基准,分别选取3°、6°、9°进行比较,温度效率随空调系统新风温度变化的规律结果如图4所示。图4表明随着空调新风温度的升高,样机的温度效率不断增加。在倾角为9°,新风温度为8℃时,温度效率最高,为0. 327;在倾角3°,新风温度为-3℃时,温度效率最低,为0. 217;对某一倾角,效率随室外新风温度增加略有提高,但效果不明显,这是由于一方面室外新风温度提高,室内外温差变小,理论最大传热量降低,温度效率提高,但是另一方面室外新风温度提高,热管冷凝段换热效果减弱,温度效率又会降低。 3.3 倾角对温度效率的影响 在室外新风温度为3℃时,对样机的性能进行测试比较,结果如图5所示,随着倾角增大,温度效率逐渐提高,在测试倾角范围内,当倾角达到9°时效率达到最大值,风速1. 5m/s时,最大值为0. 317,最小值为0. 226。这是因为在0°~9°倾角范围内,对于一定的工质充注率,当倾角增大时,热虹吸管的垂直高度增加,有利于冷凝段液滴的及时回流,以保证热虹吸管内工质自循环的连续性,使换热得以持续,换热效果明显,温度效率升高。同时温度效率与迎面风速有关,从图上可以看出随迎面风速减少温度效率会有所增加,这是因为迎面风速减少会促使新风与热虹吸管换热器的接触时间变长,换热就越充分,新风侧进出口空气的温差就越大,热虹吸管换热器的温度效率也就越高。 3.4 迎面风速对回收热量的影响 实验结果表明,随着迎面风速的增大,样机回收的热量不断增加,并且新风温度越低,所能回收的热量越多。在新风温度5℃时,迎面风速由1. 5m/s增大到3. 0 m/s,样机回收的热量由1. 2 kW增加到1. 5 kW,在新风温度-6℃,迎面风速由1. 5m/s增大到3. 0m/s,样机所能回收的热量由1. 4 kW增加到2. 1 kW。因为迎面风速增大,空气与热管表面的对流换热系数增强,同时流过热虹吸管换热器的空气流量增大,导致样机回收热量也相应增加。 3.5 室内外温差对温度效率的影响 由实验数据表明,随室内外温差增大,温度效率呈下降趋势,在样机倾角9°的条件下,室内外温差由6℃增加到20℃时,温度效率由34%下降到30%左右;在样机倾角6°条件下,室内外温差由6℃增加到20℃时,温度效率由26. 5%下降到24. 5%。这是由于虽然室内外温差增大,换热器的实际传热量有所增大,但理论最大传热量也增大,最终导致温度效率有所下降。 4·节能、经济效益分析 利用热虹吸管换热器回收建筑空调中余热(冷),在满足空调房间舒适度同时有很好的节能效果。在空调面积较小的商场、办公场所由于技术、投资、经济等问题,很少安装余热回收装置。吊装单元式热虹吸管能量回收装置可很好解决以上问题,该实验设计的吊装单元式热虹吸管能量回收装置样机,回收热量约2 kW,最大新风送风量1 000m3/h。样机风机耗电量共计0. 1 kW,以北京为例,采用锅炉集中供热采暖。采暖费为30元/m2,采暖热指标按60W /m2计算,回收热量折合成能源费用为: 采暖季机组耗用的电费为(电费按每度0. 5元计算): 0. 1(kW)×0. 5(元/kWh)×24×115=138(元) 因此整个采暖季节省能源费用为1 000-138=862元。加上夏季使用空调制冷时使用该装置,每年可节能能源费用1 600元左右,设备投资回收周期约1. 5~2年,由此可见该装置有很好的经济效益。 5·结论 吊装单元式热虹吸管能量回收机组的冬季温度效率随室外温度升高略有增加,在室外新风温度为3℃,风速1. 5m/s,倾角9°条件下,样机的测试效率为0. 317;在倾角一定条件下,吊装单元式热虹吸管能量回收机组的温度效率随室内外温差加大而减少。在倾角9°条件下,当室内外温差为6℃时,温度效率为34%;当室内外温差为20℃时,温度效率为30%。当其他条件不变时,倾角在3°~9°范围内,温度效率随倾角的增大而增大,随迎面风速的增大而减少。 吊装单元式热虹吸管能量回收机组的回收的热量随迎面风速的增大而增大,且新风温度越低,回收的热量越多。 该实验研制的吊装单元式热虹吸管能量回收机组安装方便,占地空间少,用在空调面积较小的商场、办公场所进行余热回收,有很好的经济效益。 参考文献 [1]周峰,马国远.热虹吸管能量回收设备夏季工作特性的实验研究[J]. 2007, 37(12): 5-62. [2]付祥钊.冷暖地板换热性能分析方法[J].暖通空调, 2000, 30(4): 9-11. [3]吴和英.热虹吸管换热热阻分析[J].中国科技信息, 2006(11): 327-328. [4]俞昌铭.热传导及其数值分析[M].北京:清华大学出版社, 1981. |
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