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        空調用環形熱管換熱器的實驗與研究

        點擊:1962 日期:[ 2014-04-26 22:00:46 ]
                                    空調用環形熱管換熱器的實驗與研究                                    田海峰 萬建武     摘要:以R22為工質,對環形熱管換熱器在不同充液率和風量下的換熱性能進行了實驗研究,研究結果表明環形熱管換熱器在實驗條件下的最佳充液率在70%左右,當充液率一定時,環形熱管換熱器的換熱量隨著風量的增加而增加,但換熱量增加的效果隨著風量的增加而逐漸減小。     關鍵詞:環形熱管換熱器,充液率,風量,換熱性能     中圖分類號:TU831文獻標識碼:A     充液量是影響環形熱管換熱器傳熱效果的重要因素之一,也是設計和應用中的重要參數。充液量過大,凝結換熱效果也隨之減弱,從而對熱管換熱器的整體換熱效果產生不利影響[1];充液量過小,則會使加熱段上部管內壁面無液膜覆蓋,引起傳熱惡 化[2]。影響充液量的因素很多,如工作介質特性、熱流密度、工作溫度及熱管的結構形式等[2]。     目前,確定熱管換熱器充液率的方法主要有兩種[3],一種是理論分析及計算的方法,此方法可用于不同的系統和工況,但計算結果的可靠性,依賴于所建模型和實際系統與工況的吻合程度。文獻[3]根據質量守恒原理推導出了熱管換熱器充液率的方程式,并綜合考慮分離式熱管換熱器的尺寸,工質蒸發溫度及熱負荷對充液率的影響,得到了計算膨脹液池高度上邊界的半經驗公式,但本文所采用的蒸發段與冷凝段無高差的環形熱管換熱器與文獻[3]所建模型時采用的有高差熱管換熱器存在明顯差異, 因此不能直接應用其結論。另一種是實驗的方法,此方法以系統實測性能最佳為目標,得出特定系統和工況下的合理充液率。如文獻[4]提出,在采用丙酮為工質,水平排管串聯型分離式熱管在蒸發段加熱功率為1.4 kW,風量為150 m3/h的條件下,其最佳充液率為70%~114%(充液率的定義是工作介質的充注量與蒸發器的容積之比)。     本文所研究的空調用環形熱管換熱器的熱管蒸發段與冷凝段之間無高差,其工作機理與傳統的分離式熱管工作機理有所不同。為了彌補這方面研究的不足,本文采用實驗方法就充液率和風量對環形熱管換熱性能的影響進行了研究,以了解環形熱管換熱器在空調工程應用中的節能效果。本文以R22作為工質對文獻 [5]所提出的環形熱管空調機組的熱管換熱性能進行了實驗研究。在風量為1 600 m3/h,室內設計溫度為21℃~29℃的條件下,對 環形熱管換熱器在10%~90%(工作介質在熱管換熱器蒸發段管 內淹沒高度與蒸發段管長之比)的9種不同的充液率分別進行了實驗研究,并且對環形熱管在充液率為70%時不同風量下的傳熱性能進行了實驗。研究結果可為空調用熱管換熱器合理充液率 的選擇提供理論依據。     1 實驗裝置及實驗方法     1.1 實驗裝置     圖1是環形熱管式空調機組空氣處理的簡化示意圖[6]。系統工作時,液相工作介質在熱管蒸發段中,從熱源中吸熱蒸發后, 由蒸汽管傳輸到冷凝段,然后在冷凝段中向冷源放熱凝結,凝結液體通過液體管線再次回到蒸發段,從而完成一次循環。工作介質在不斷的循環過程中將熱量源源不斷的從蒸發段傳輸到冷凝段。                           1.2 實驗方法     本實驗在焓差實驗室進行,將制作的環形熱管換熱器、表冷器及其測試設備安裝到空調性能測試實驗臺的接入口,在熱管換熱器進出風處與表冷器兩側各加兩個測量斷面,每個測量斷面有 兩個條狀鉑電阻測溫計,分別測量其出風狀態的干、濕球溫度,并將測得的數據輸入計算機進行記錄與儲存。各測量斷面測量得 到的空氣的干、濕球溫度分別用來計算熱管換熱器蒸發段的換熱量與表冷器的換熱量及冷凝段的換熱量,進而測試熱管換熱器蒸發段、表冷器及冷凝段的工作狀況與性能。     本實驗設計風量分別為1 000 m3/h,1 600 m3/h,2 000 m3/h 冷凍水進水溫度7℃,冷凍水流量3.00 m3/h;充液率為10%~ 90%;室內設計溫度為21℃~29℃。     2 實驗結果及分析     2.1 不同充液率下的換熱量比較與分析     圖2是在室內設計溫度29℃,風量1 600 m3/h條件下,不同 充液率對換熱量的影響。                             如圖2所示的環形熱管換熱器的最佳充液率出現在70%。充液率為10%~50%之間時,換熱量相對較低并呈緩慢增加趨勢,但當充液率從50%增大到60%時,其換熱量有明顯的提高。      當充液率超過70%后,換熱量呈下降趨勢。通過實驗表明,環形熱管換熱器存在一個合理充液率,過大或過小的充液率對其換熱性能都有不利的影響。     熱管換熱器的換熱是以熱管管內工作介質的相變為基礎的, 因此要讓熱管換熱器能夠正常工作,熱管管內工作介質就必須是連續的。工質在蒸發段蒸發后,蒸汽必須能夠順利地經過蒸汽管線到達冷凝段凝結,然后凝結液體再通過液體管線到達蒸發段, 完成一次工作循環。當熱管工質的充液率過小時,會導致蒸發段內液相工作介質不足,不能及時補充蒸發掉的工質,從而導致蒸 汽段出口液膜厚度為零,出現過熱蒸汽。此時外部傳輸給熱管的 熱流密度不能及時被工質帶走,會導致出現干涸現象[7]。而當工質的充液率過大時,液態工質在蒸發器中所占容積過大,膨脹后管內液池的長度增加,由于蒸發器總長度一定,使得液膜長度變短,由于液膜的傳熱系數大于液態工質的傳熱系數,所以熱管的效率也將隨之降低。     2.2 不同風量下換熱量的比較與分析     圖3是在充液率R=70%,風量分別為1 000 m3/h,1 600 m3/h, 2 000 m3/h的條件下,在不同室內設計溫度時,風量對換熱量的 影響。                         如圖3所示,在三組不同風量的實驗條件下系統的換熱量都 呈現出隨室內設計溫度的增加而增加的變化趨勢。這是因為,隨著室內設計溫度的變化,工作介質的物性也將隨之變化。在實驗的工作溫度范圍內,隨著溫度的增加,工作介質的表面張力將會下降,液體的密度下降,蒸汽的密度上升,液體導熱系數上升,氣 泡脫離頻率也將隨之增加,從而使得熱管換熱器的換熱量增加[8]。同時,實驗還表明,隨著風量的增加,系統的換熱量也呈現出增大的趨勢,這是因為大風量攜帶更多的熱量,而且還有利于蒸發段翅片管的對流換熱[9]。并且當風量從1 000 m3/h增加到 1 600 m3/h時,換熱量增加了32%左右,而當風量從1 600 m3/h 增加到2 000 m3/h時換熱量只增加了10%左右。這表明,熱管換熱器換熱量增加的效果隨著風量的增加而逐漸減小,這是因為隨著風量的增加,通過熱管蒸發段的風速也將隨之增加,單位體積的風量與蒸發段管壁的換熱時間將減小。     3 結語     本文采用R22作為工作介質,對如圖1所示的環形熱管換熱器的換熱量進行了實驗研究。研究結果表明:     1)本實驗采用的空調用環形熱管換熱器的最佳充液率在70%左右,此時系統的換熱量達到最大,過大或過小的充液率對熱管換熱器的換熱性能都有不利的影響。     2)隨著風量的增加,系統的換熱量也呈現出增大的趨勢,但其換熱量增加的效果隨著風量的增加而逐漸減小。     參考文獻:     [1] 楊友平,王修芝.熱管工質量的探究[J].太陽能,2004(5): 55-56.     [2] 莊 俊,張 紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工 業出版社,2000:401.     [3] 湯發廣,劉 娣,趙福云.分離式熱管充液率運行邊界探討 [J].湖南大學學報(自然科學版),2005,32(1):63-68.     [4] 陳 嵐,蘇俊林,伍貽文.分離式熱管充液率的實驗研究 [J].上海理工大學學報,2003,25(3):285-288.     [5] Wan JW,Zhang JL,Zhang WM.The effect of heat-pipe air- handling coil on energy consumption in central air-conditioning system[J].Energy and Buildings,2007,39(9):1035-1040.     [6] 張景玲,萬建武.熱管式空調機組在空調系統的節能應用研 究[J].廣州大學學報,2006,5(6):81-85.     [7] 李菊香,徐通明.分離式熱管的傳熱極限[J].南京化工大學 學報,1998,20(1):80-83.    [8] 柯 玲,陳遠國,謝歡德.低溫水熱管的特性研究[J].重慶 大學學報,1995,18(3):36-41.     [9] 趙 芳.空調用環形熱管換熱器傳熱機理研究[D].廣州:廣 州大學,2008:13-68. 
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