空调换热器
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热管换热器在通风换气中的应用研究点击：1854 日期：[ 2014-04-26 22:00:19 ] |
| bsp; 热管换热器在通风换气中的应用研究 赵耀华 杨开篇 刁彦华 刘建荣 于雯静 (北京工业大学建筑工程学院,北京 100124) 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管式通风换热器,并在不同的风量和室内外温差条件下对其热回收效率进行了实验研究.实验结果表明,该小型热管式通风换热器的热回收效率高,阻力损失小,节能效果显著. 关键词：通风换气;节能;热管;热交换器;热回收;空调 中图分类号：TU 834文献标志码：A文章编号：0254-0037(2009)07-0972-05 在人们日常生活中,通过开窗通风换气来改善室内空气品质势必会增加室内的冷(热)负荷和各种能耗.如能将热交换器应用于房间的通风换气,则在改善室内空气品质的同时,也能使室内负荷和能耗大大降低.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,正得到越来越广泛地应用[1].但目前利 用热管换热器进行室内热回收的研究和应用主要针对大型集中式空调系统,利用空调系统的回风预热(冷)新风,或者是与房间空调器结合使用,改善空调房间的温湿度等[2-5].直接利用热管换热器在普通民 用建筑进行换气和热回收的研究[6-7]相对较少,缺少较为真实全面的实验数据.目前市场上出现的几种新 风换气机如静止板翅式、转轮式、高效纳米薄膜式等都存在着诸如换热系数不高、辅助动力过大、配套设施 过多、成本过高等问题,如能开发出高效的小型热管式新风换气机并推广应用于普通民用建筑通风换气时 的余热回收,将能克服和改善现有的新风换气机所存在的问题. 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 样机的热力计算 我国北方普通民用建筑大多采用房间空调器加集中供暖系统的模式,这种系统的特点是: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 为10~40℃,夏季室内外温差为4~16℃;3)房间的通风换气量不大.针对以上3个特点,根据热管换热 器设计方法[8]和优化算法,结合本实验小型化、实用型以及实际工作温度等特点,设计出一款适于普通家 庭通风换气的小型热管式通风换热器.该样机采用铝-氨重力热管,管内真空度为0·1 Pa,充液率为37% 样机共用18根热管,按正三角形错列方式布置成7排.为了测得不同风速下该样机的热回收效果,选取 2~6人标准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[9].据此,设计该样机最大风量为180 m3/h,迎风口尺寸为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 实验台及实验步骤介绍 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.整个实验台系统如图1所示. 实验台由风机段、空气预处理段、实验测量段3 部分组成.其中,风机送风段由左右两侧的 ebmG1G133调速风机、直流电源和2段长为0·6 m 的送风管组成,通过调节直流电源的电压来改变风机 转速和风量.空气预处理段由翅片管换热器和恒温 水浴组成,恒温水浴内部自带循环泵,通过加保温层 的塑料软管将翅片管换热器和恒温水浴连成一个闭 F式水循环系统.恒温水浴内的恒温液体作为翅片 管换热器的冷(热)源,通过调节恒温水浴的温度(4℃以下加入一定比例的酒精作为防冻液)将送入翅片 管换热器的空气预处理成不同的实验工况.热管换热器以及进出该换热器蒸发段和冷凝段的4段长为 1·2 m的风管构成实验测量段.上述风管尺寸及翅片管换热器迎风口尺寸均与热管换热器迎风口尺寸完 全一致,风管与各种设备均采用法兰连接,连接处均做磨口、贴密封胶处理,以保证风管不漏风. 整个实验过程在一间带有外窗的普通办公室中进行.为使实验过程尽量接近真实环境,具体操作流 程如下: 1)将风机1、2的风量调至60 m3/h,经各自送风管道分别进入翅片管换热器5、6; 2)将其中一侧空气处理并保持在24℃,另一侧处理并保持在27℃,分别模拟夏季室内排风和室外 新风进入热管换热器的冷凝段和蒸发段; 3)在实验测量段分别测量热交换前后的风量、空气温度和压降,将测得的值输入计算机; 4)不改变风机转速,将模拟夏季室外新风的一侧空气温度提高1℃后,重复3),直至提高到40℃,转 入5); 5)提高风机转速至风量为90、120、150、180 m3/h,重复2)、3)、4).待所有数据均测完,转入测量冬季 工况. 在模拟冬季工况时,将模拟室内排风的空气处理并保持在18℃.同时结合恒温水浴的制冷机功率, 将模拟室外新风的空气温度处理到2~15℃,具体实验步骤同夏季工况. 2·2 实验数据测量 2·2·1 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.由于气流在进出换热器 时活动较为剧烈,风速变化幅度较大.为了减少测量误差,借鉴工程上的测量方法,选择距热管换热器迎 风口2D处的截面作为测量入口风速的截面,而选择距热管换热器出风口4D处的截面作为测量出口风 速的截面(其中,D为矩形风道长边边长).为了保证精确度,测量时,将各测试截面均分为4等份(如图2 所示) 将风速仪热球分别置于各等份的中心,再对各 测量值取平均值,计算如下: 式中,v为平均风速(m/s);vi为第i等份中心的测量 值(m/s). 则风量为 V=3 600vA (2) 式中, V为风量(m3/h);A为风道截面积(m2); v为风速平均值. 2·2·2 温度测量与热回收效率计算 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.测量上述4个温度值的截面,分别选 取距热管换热器蒸发段入口、蒸发段出口、冷凝段入口、冷凝段出口10 cm处.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. 热回收效率按温度效率计算,具体公式如下: 式(3)、(4)中,ε为热回收效率(%);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(℃). 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,其精度为0·5%×测量值.测压 孔开在进风管和出风管的侧面,距离热管换热器进出口15 cm处. 3 实验结果与数据分析 图3表示在不同风量条件下,夏季新风侧出口温度随进口温度的变化曲线.如图所示,当室内温度维 持在24℃,风量为60 m3/h时,随着新风入口温度从27℃升高到40℃,出口温度仅从25·1℃升到29℃, 表明新风温降随着室内外温差的增大而增大.另外,从图中还可以看出,当新风入口温度不变时,随着风 量从60 m3/h逐步增大到180 m3/h,新风出口温度随之升高,表明新风温降效果随着风量的增大而变差. 图4表示在不同风量条件下,热管换热器在夏季进行冷量回收时的温度效率.从图中可以看出,当风 量不变时,随着新风入口温度的升高,温度效率总体上呈现出上升的变化趋势.而当新风入口温度不变 时,随着风量的增大,温度效率随之减小. 图5表示在不同风量条件下,冬季新风侧出口温度随进口温度的变化曲线.如图所示,当室内温度维 持在18℃,风量为60m3/h时,随着新风入口温度从2℃升高到15℃,出口温度仅从12℃升高到16·8℃,表 明新风温升随着室内外温差的减小而减小.同样,从图中也可看出,当新风入口温度不变时,新风出口温 度随着风量的增大而降低,表明新风温升效果亦随着风量的增大而变差. 图6表示在不同风量条件下,热管换热器在冬季的温度效率随新风入口温度的变化.如图所示,当风 量不变时,随着新风入口温度的升高,温度效率的总体变化趋势是降低的.而当新风入口温度不变时,温 度效率随着风量的增大而减小. 综上所述,夏季新风温降和冬季新风温升都随着室内外温差的增大而增大,而随着风量的增加而减 小.热管换热器在夏季运行和在冬季运行时的温度效率亦随着室内外温差的增大而升高,随着风量的增 大而降低.分析其原因,这是由于在风量和换热面积 不变的情况下,随着新排风之间对数温差的增大,换 热量和新风进出口温差也就随之增大.而随着风量 的增大,虽然由于风速的增大,换热系数有所提高,但 是因为换热量也在成倍的增长,新风进出口之间的温 升或温降总体上呈现逐渐减小的趋势. 图7给出了新、排风经过热管式通风换热器后的 压力损失.在风量为60 m3/h时(即0·5 m/s风速), 新、排风压力损失仅为6 Pa.当风量增大到180 m3/h (即1·5 m/s风速),压力损失随之增大到25 Pa. 4 结论 1)当室内外温差为3~16℃时,夏季新风温降可达1·4~11℃,不同风速下的平均热回收效率达到 52%~67%;冬季新风温升可达1·3~10℃,不同风速下的平均热回收效率达49%~60%.不论夏季或冬 季,温度效率都随着室内外温差的增大而升高,随风量的增大而降低.在实际环境中,由于冬季室内外温 差常大于16℃,所以实际应用中其冬季温度效率将进一步提高. 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结构布置合理,风速较小,新、排风经过 换热器后的压力损失也就较小,仅为6~25 Pa,实际运行中风机所消耗的功率为3~22 W. 3)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. 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