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        新型平板熱管換熱器熱回收效率特性實驗研究

        點擊:2175 日期:[ 2014-04-26 21:14:37 ]
                          新型平板熱管換熱器熱回收效率特性實驗研究                        于雯靜  刁彥華  趙耀華  張冀                    (北京工業大學建筑工程學院,北京100124)     摘要:本文針對普通住宅房間設計了一臺新型平板式熱管換熱器,該換熱器結構緊湊、體積小巧.為研究該換熱器的使用條件,本文開展了不同工質(Rll3、R141b以及這兩種工質的混合物)對該熱管換熱器換熱效率影響的實驗研究.整個實驗在夏季工況下進行,熱管真空度為l×10-3Pa,充液量(灌入熱管換熱器內的工質體積與熱管換熱器體積之比)為1/3.實驗結果表明:該熱管換熱器熱回收效率較高。在整個風量范圍內,R141b作為工質的熱管換熱器換熱效果最好,最高效率達到了58.2%。     關鍵詞:平板熱管換熱器;工質;換熱效率     中圖分類號:TU831文獻標識碼:A文章編號:0253一231×(2011)11一1921一04     0·引言     為了滿足人們的舒適度,提高室內空氣品質,對于新風量的要求一直在不斷增加,這必然使空調系統的能耗增多,加劇我國能源匾乏與高需要之間的矛盾。為解決這一矛盾,各種熱回收裝置被廣泛應用于空調系統中。由高效傳熱元件熱管組成的熱管換熱器具有結構緊湊,阻力小,傳熱性能好,無需動力,新回風不會交叉污染等優點。這些優良的特點決定了其在空調熱回收方面更具有應用潛力,目前國內外對于熱管換熱器的研究日趨成熟。對于熱回收裝置的性能有2個重要參數,效率和壓降,也即是節能和節能的代價,因此對于熱回收裝置的研究主要就是針對這兩個方面的研究。對于熱管換熱器,影響它換熱效率的因素有很多,除了熱管幾何特征、材料、換熱面積、風量、溫差,還有真空度、充液量、蒸發段長度、工質等。楊昭、吳志光[1]對熱管熱回收裝置在空調系統中的應用進行了研究。討論了不同的熱空氣流量比,迎面風速和管排數對換熱效率的影響。結果表明為提高熱管熱回收裝置的熱交換效率,需采用翅片式熱管,增加管排數,迎面風速限制在2~3m/s的范圍內。唐志偉等[2]對具有短管束的小型分離式熱管的傳熱特性進行試驗研究,對6種不同的充液率進行了試驗,結果說明小型分離式熱管最佳充液率按蒸發段總容量計為48%~63%,按管束總容量計為20%~40%。劉娣等[3]設計了一個分離式熱管回收樣機,探討了充液率(在冷態條件下蒸發段內的工作液淹沒高度與蒸發段的有效加熱高度之比)對熱管傳熱效果的影響以及最佳運行工況下的充液率。充液率分別為60%、80%、100%,由實驗結果推斷出對空調系統排風能量回收的熱管換熱器,其充液率宜取80%左右。豈興明等[4]以丙酮、乙醇和水為工質,對小型平板熱管在充液率為20%~90%的傳熱性能進行了試驗研究。得出了該平板熱管以乙醇為工質的傳熱性能最好,并得到最佳充液率為50%。     本文針對普通住宅房間設計了一臺小型平板式熱管換熱器,并討論了不同真空度對該換熱器換熱效率的影響,結果表明真空度對該換熱器換熱效率的影響較小[5]。本文針對小型平板式熱管換熱器換熱效率的影響因素工質,進行了實驗研究。     1·熱管換熱器     圖1(的所示為平板重力熱管,選擇鋁作為制作材料。該換熱器尺寸為340mm×32mm×2mm。熱管分為冷凝段、絕熱段以及蒸發段三個部分。圖l(b)所示為熱管剖面圖,該熱管由11個槽道構成,以強化熱管換熱性能。                  圖2(a)所示為由上述熱管所構成的熱管換熱器,在熱管與熱管之間有很多鋁制翅片與之相連,以增加換熱面積。為了增強換熱效果,本實驗將兩個熱管換熱器焊接在一起,焊接方式如圖2(b)所示。整個換熱器尺寸為:220mm×64mm×340mm,換熱面積為3.2m2。               2·實驗系統及過程     實驗臺如圖3所示。實驗裝置主要山熱管換熱器、風道、翅片管換熱器、恒溫水浴、直流電源和風機構成。為保證實驗效果,風道外加保溫材料,減少熱量損失。實驗臺兩側的風機提供不同風速的空氣作為新風和排風,通過改變恒溫水浴的溫度來控制經過翅片換熱器的空氣的溫度,從而模擬實際的冬夏季工況。實驗過程中新風和排風的風量保持一致。     本文通過一系列實驗研究了不同工質對熱管換熱器換熱效率的影響。根據國內相關標準規定[6],室內最小新風量是30m3/(h·人),所以本實驗針對2~5個人,選取了4組風量:60、90、120、150m3/h作為實驗條件。本文溫度測量采用熱電阻(Ptl00),并且通過數據采集儀器記錄數據。溫度的測點如圖3所示,熱電阻分布在熱管換熱器的兩側,距離熱管換熱器100mm,每個風道上平均分布3個測點,各點間距離均為35mm。所有的熱電阻都經過標定,且測量誤差為士0.1℃。實驗條件包括:選擇夏季工況,室外新風溫度變化范圍定為27~40℃,室內排風溫度恒定在24℃不變.熱管真空度為1×10-3Pa,充液量為1/3(灌入熱管換熱器內的工質體積與熱管換熱器體積之比),也即灌入熱管換熱器內的工質體積為113mL。本文所選工質為R141b和Rll3,以及混合工質?;旌瞎べ|采用R141b與Rll3以不同摩爾比(9:1、7:3、5:5、3:7)配合而成,通過摩爾比和所需工質的總體積計算所需工質的質量。設混合工質中R141b有X1mol,Rll3有X2mol,R14lb與Rll3的摩爾比為a,則有Xl=aX2,計算公式如下:                 式中,M—工質分子量(g/mol);     X—工質摩爾數(mol)。     最后采用分析天平來量取所需工質的質量。分析天平量程為。0~410g,精度為0.1mg。實驗步驟如下:     l)將熱管換熱器抽真空、灌液、封裝并裝入實驗臺內準備實驗。     2)取風量60m3/h。排風溫度控制在24℃不變,新風溫度從27℃開始測試,每提高1℃測一組數據,直至40℃。     3)改變風速,重復上一步驟。     4)改變工質,測量并計算不同工質下的熱管換熱器的換熱效率。     在做每一組實驗時,都要在溫度穩定后再進行測量記錄,每5S采集一次數據,每個溫度點采集10min的數據,并將平均值作為測量值。熱回收效率按溫度效率計算,計算公式如下:                              3·實驗結果分析     如圖4~7所示,為在不同風量下,熱管換熱器換熱效率隨新風進口溫度和工質的變化情況。實驗結果顯示在同一風量下,換熱效率隨新風進口溫度的增加而增加。Rll3作為工作液體時,熱管換熱器的換熱效果最差,效率在8%~44%之間。從圖中可以看出,R141b作為工質時,在整個新風進口溫度的范圍內,熱管換熱器換熱效率都很高,并且在27~32℃之間,隨新風進口溫度的增加,換熱效率明顯增加,而在32~40℃之間,增長比較緩慢。當新風進口溫度為40℃,風量為120m3/h時,換熱效率最高,達到了58.2%。                               對于混合工質,可以從圖中看出當室外新風溫度高于32℃時,換熱器換熱效率較高。在風量為90m3/h、120m3/h和150m3/h的情況下,R141b與Rll3的摩爾比為7:3的時候熱管換熱器的換熱效率較高,與采用R141b作為工質時的換熱效率相差無幾,效率隨新風進口溫度的變化趨勢也較為一致,并且同樣在風量為120m3/h,溫度為40℃時,效率達到最高值,約為59.3%。R141b與Rll3的摩爾比為5:5和3:7時,熱管換熱器的換熱效率低于45%,與最優混合比的情況相差20%左右。     風量為60m3/h時,熱管換熱器換熱效率普遍較低,原因是風量太低,風速太小,換熱器本身存在阻力,換熱不夠充分。在風量為60m3/h時,使用R141b作為工質的換熱器效率明顯高于使用混合工質(R141b:Rll3—7:3)的情況,說明在低風量的條件下,R14lb作為工作液體時該熱管換熱器依然具有較高的應用價值。     4·結論     本文針對所設計的新型平板式熱管換熱器充裝工質對其換熱效率的影響進行了實驗研究,得出以下結論:     l)夏季工況下,熱回收效率隨新風進口溫度的增加而增加。     2)不同風量下,同一工質的熱回收效率變化趨勢基本一致,風量為60m3/h時,熱回收效率低于其他風量情況下的效率值。     3)夏季工況下,在整個風量范圍內,Rll3作為工質的熱管換熱器換熱效果最差,R141b作為工質的熱管換熱器換熱效果最好,最高效率達到了58.2%。 參考文獻 [1]楊昭,吳志光.熱管熱回收裝置在空調系統中的應用研究[J]·能源研究與利用,2004,(3):1416 [2]唐志偉,馬重芳,蔣章焰.小型分離式熱管工作溫度與傳熱特性的實驗研究團.工程熱物理學報,2004,25(6):1043-1045 [3]劉娣,湯廣發,趙福云.分離式熱管熱回收器的性能實驗[s].暖通空調,2005,35(4):56一59 [4]豈興明,蘇俊林,矯津毅.小型平板熱管的傳熱特性[s].吉林大學學報(工學版),2006,36(5):669一672 [5]于雯靜,刁彥華,趙耀華,等.新型平板熱管換熱器熱回收特性實驗研究[C]//中國工程熱物理學會學術會議傳熱傳質學學術會議論文集.青島,2009 [6]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T18883一2002室內空氣質量標準[s].北京:中國標準出版社,2003:2
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