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热管式通风换热器热回收的实验研究点击：1828 日期：[ 2014-04-26 22:00:18 ] |
| 热管式通风换热器热回收的实验研究 杨开篇,刁彦华,赵耀华,刘建荣,于雯静 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100022) 摘要：针对普通住宅日常通风换气的特点设计出一台小型热虹吸管式通风换热器的样机,并利用热虹吸管换热器 对房间通风系统中的冷量(热量)进行热回收实验研究。通过实验测试了该换热器在不同风量和新、排风温差条件 下的热回收效率,以及新、排风的压力损失随风速的变化情况。实验结果表明,新风的温降(升)随着新、排风温差 的增大而增大,随着风量的增大而减小;该样机的最大热回收效率在夏季可达70%,冬季为63%,新、排风的最大 阻力损失仅为25 Pa,节能效果显著。 关键词：通风换气;热回收;节能;热虹吸管换热器;空调 中图分类号：TU 834 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2009)07-0017-04 随着生活水平的提高,空调在人们生产生活中 的应用越来越广泛,然而在享受空调带给我们的舒适环境的同时,却也让我们付出了许多代价。一方面,越来越多的空调带来的电能消耗让国家能源吃紧,拉闸限电在各大城市频频发生;另一方面,空调 所带来的“空调综合症”又严重威胁着人们的身体 健康。为了改善室内空气品质,最普遍的做法就是直接开窗通风换气,但这势必会增加空调负荷和采 暖能耗。现阶段,随着我国加快建设节约型社会的 步伐,各项节能措施也相继出台。关于建筑能耗大 户的空调和供热方面的改革势在必行。如果能将房 间通风换气时的余热进行回收并预热新风,则在改善室内空气品质的同时,也能使室内空调负荷和采暖能耗大大地降低。在众多热回收方式中,由高效 传热元件热管组成的热管换热器因其具有结构简单、耗材少、新排风之间无交叉污染、换热效率高、压力损失小以及动力消耗少等优点,正得到越来越广泛的应用[1]。但目前利用热管换热器直接在普通 建筑进行通风换气和热回收的应用性研究[2-3]相对 较少,缺少较为真实全面的实验数据。如果能利用热管的优点,将其应用在普通住宅通风换气时的余热回收,将能克服和改善现有的新风换气机普遍存 在的换热系数不高、辅助动力过大、配套设施过多、成本过高等问题。鉴于市场上还未有此类成型产品,本研究根据实际情况加工出一台适合于进行普通房间热回收的样机,通过实验测试其在不同的风量和室内外温差条件下的热回收效果。 1 热管式通风换热器的设计 1.1 热管式通风换热器工作原理 热管式通风换热器工作原理如图1所示。热管式通风换热器是由若干根热管按一定方式排列组装 而成。按照热管的工作原理,其工作段可分为蒸发 段和冷凝段,中间用隔板将其分隔成为热空气换热 腔体和冷空气换热腔体。夏季时,室外较热的新风 通过蒸发段,室内较冷的排风通过冷凝段;热管内部工质在蒸发段吸收热量产生相变,将热量传到冷凝 段放出热量,这部分热量随着室内排风带走,而冷凝后的工质通过内置毛细芯力(水平式)或重力(重力 式)回流至蒸发段,周而复始。这样,就实现了降低室外新风温度的目的。冬季时,将室内较热的排风 通过蒸发段,而将较冷的室外新风通过冷凝段,则可实现预热室外新风的目的。 1.2 样机热力计算与结构设计 我国北方住宅大多采用房间空调器和集中供 暖系统,这种系统的特点就是:①室温常年较为稳 定,冬季室内保持在16—20℃,夏季保持在24— 26℃;②房间的室内外温差较大,冬季室内外温差 范围为10—40℃,夏季室内外温差范围为4— 16℃;③房间的通风换气量不大。针对以上3个 特点,本研究根据热管换热器设计方法[4]和优化 算法,结合本实验的小型化、实用型以及实际工作 温度等特点,设计出一款适合于普通家庭通风换 气的小型热管式换热器。该样机采用铝-氨热管, 管内真空度为1×10-1Pa,充液体积分数为37%。 样机共用18根热管,按正三角形错列布置成7排。 为了测得不同风速下该样机的热回收效果,并结 合一般家庭房间实际容纳人数情况,选取2—6人 所需的新风量为实验测试范围。按照我国《室内 空气质量标准》规定,住宅建筑必须保证 30 m3/(h·人)的新风量[5]。据此,设计该样机的 风量为60—180 m3/h,换热效率按65%计,迎风口 面积为144 mm×230 mm,样机整体外部尺寸为 200 mm×520 mm×310 mm。 2 热管式通风换热器热回收效率实验 2.1 实验台介绍 本研究搭建了一小型的可测试热管换热器热回收效率的实验台。整个实验台的系统如图2 所示。 实验台由风机、恒温水浴、翅片管换热器、热管 换热器以及各连接风管所组成。室内空气经风机分 别送入预处理空气的翅片管换热器,将其处理成不 同工况下的室内外空气温度后,模拟室外新风和室 内排风经长为1. 2m的风管进入热管换热器进行热 交换。风量和风速通过调速风机改变转速来调节, 翅片管换热器中的管内液体温度通过恒温水浴来 调节。 2.2 实验数据测量 2.2.1 温度测量 实验采用二等标准水银温度计(分度值0. 1℃, 精度±0. 1℃)测量温度,包括蒸发段空气入口温 度、蒸发段空气出口温度、冷凝段空气入口温度、冷 凝段空气出口温度。各截面平均布置3个测点,待 各点温度均稳定10 min以上再读数,并取各读数的平均值作为测量值。换热量及热回收效率计算公式 如下: 式中:Qe为蒸发段换热量,kW;Qc为冷凝段换热量, kW; cp为比定压热容;ρ为空气密度,kg/m3;V为风 量,m3/h;A为风道截面积,m2;u为风速平均值; tein 为蒸发段空气入口温度,℃; teout为蒸发段空气出口 温度,℃; tcin为冷凝段空气入口温度,℃; tcout为冷凝 段空气出口温度,℃;ε为热回收效率, %。 2.2.2 风量测量 风量可通过风速测量间接得到。实验采用 Testo425热球风速仪来测量风速,为了减少测量误 差,测量入口风速的截面选择在距离热管换热器迎 风口2D处,测量出口风速截面选择在距离热管换 热器出风口4D处(D为风道长边边长)。在各测试 截面分为4等分正方形,将风速仪热球分别置于各 等分正方形的中心,再对各测量值取平均值。计算 风量的公式由式(1)给出: V=3 600uA(5) 2.2.3 压力损失测量 实验采用Testo512压差计测量新、排风通过热 管换热器的压力损失Δp,其精度为0. 5%×测量 值。 3 实验结果与数据分析 为使实验尽量接近真实情况,在模拟夏季工况 时,通过恒温水浴将经过冷凝段的空气入口温度 (模拟夏季空调房间的排风温度)tcin恒定在24℃, 将经过蒸发段的空气入口温度(模拟夏季室外新风 温度)tein控制在27—40℃范围之内。而在模拟冬 季工况时,将经过蒸发段的空气入口温度(模拟冬 季空调房间的排风温度)tein控制在18℃,将经过冷 凝段的空气入口温度(模拟冬季室外新风温度)tcin 控制在27—40℃之内。风量则根据2—6人新风量 标准选取60, 90, 120, 150, 180 m3/h这5种工况,其 分别对应风速为0. 5, 0. 75, 1, 1. 25, 1. 5 m/s。 对图3—7中各符号代表的含义作出如下说明 夏季新、排风温差Δt1=tein-tcin;夏季新风温降 Δt2=tein-teout;冬季新、排风温差Δt3=tein-tcin;冬季新风温升Δt4=tcout-tcin;冬夏二季新风能耗均用 Q来表示。 图3和图4分别表示在不同风量条件下,夏季新风温降和冬季新风温升随室内外新、排风温差的变化曲线。如图所示,当风量不变时,随着新、排风温差的增大,夏季新风温降和冬季新风温升也随之 升高;而当新、排风温差不变时,夏季新风温降和冬季新风温升随着风量的增大而减小。 从图3中可以看出,当夏季风量为60 m3/h, 新、排风之间的温差为3—16℃时,新风温降可达到 1. 9—11℃;将风量增大到180 m3/h,新风温降为 1. 4—9. 2℃。夏季的热回收效率达到46%—70%。 从图4中可以看出,当冬季风量为60 m3/h,新、排 风之间的温差为3—16℃时,新风温升可达到1. 8— 10℃;当风量增大至180 m3/h,新风温升为1. 3— 7. 9℃。冬季的热回收效率达到43%—63%。 图5表示新、排风经过热管式通风换热器后的 压力损失随风速的变化情况。由图中可以看出,在 风速为0. 5—1. 5 m/s(对应风量为60—180 m3/h) 时,新、排风的压力损失随着风速的增大而增大。由 于本实验采用调速风机,当风量为60 m3/h,新、排 风的压力损失为6 Pa,单台风机能耗为3W;当风量 为180 m3/h,新、排风的压力损失增大至25 Pa,单台风机能耗增至22W。 图6和图7分别表示60 m3/h和180 m3/h风 量,经热管式通风换热器进行热回收和不经过热回收装置的条件下,夏季和冬季的新风能耗。从图中可以看出,经过热回收后的新风能耗大大降低。如当夏季风量为180 m3/h,新、排风之间的温差为16℃时,将新风不经过热交换直接冷却到室内工况 所消耗的冷量为909W,而先经过热管式通风换热器进行热回收后,再冷却到室内工况并考虑风机能耗后,所需总能耗仅为424W。 4 结论 (1)当室内外的新、排风温差为3—16℃时,夏 季新风温降可达1. 4—11℃,热回收效率为46%— 70%;冬季新风温升可达1. 3—10℃,热回收效率为 43%—63%。不论夏季或冬季,热回收效率都随着 新、排风温差的增大而升高,随风量的增大而降低。 由于在实际环境中,冬季新、排风温差常大于16℃, 所以实际应用中其冬季热回收效率将进一步提高。 (2)由于经过优化设计,在相同风量下,该热管 式通风换热器的尺寸结构较合理,风速较小,新、排 风经过换热器后的压降较小,仅为6—25 Pa。单台 风机能耗仅为3—22W。 (3)实验结果表明利用小型热管式通风换热器 进行日常通风换气时的热回收,热回收效率高,阻力 损失小,节能效果显著。 参考文献: [1] DUNN P D, REAY D A.热管[M].周海云,译.北京: 国防工业出版社, 1982: 232-242. [2] 潘阳,王修伟.热管式空调换气换热器的设计与研究 [J].江西能源, 1997, 14 (1): 32-35. [3] ABD EL-BAKYM A, MOHAMEDM M. Heatpipe heat exchanger for heat recovery in air-conditioning[J]. Appl Therm Eng, 2007, 27(4): 795-801. [4] 庄骏,张红.热管技术及其工程应用[M].北京:化学 工业出版社, 2000: 191-205. [5] 国家质量监督检验检疫总局.GB/T18883-2002室内空 气质量标准[S].北京:中国标准出版社, 2003. |
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