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发表于 2010-3-10 23:02:24
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来自: 中国浙江杭州
热管换热器在通风换气中余热回收的应用
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摘要:
T; O+ z. J+ f+ u7 u热管换热器通过余热装置来冷却空调中传入的新鲜空气。关于热管换热器两种新排风气流是被用来研究热性能及节能热回收系统。新排风之间流量比率为1:1.5或1:2.3是为验证传热和新风温度变化而设置的。新风进口温度被控制在32℃到40℃之间,而入口排风温度被保持在大约26℃左右。结果表明,新排风的温度变化是随着新风的进口温度的增加而增加。当新风入口温度增加至40℃,蒸发段和冷凝段的传热效率也增加约48%。在流量比率的影响下,对蒸发段的传热效率是积极的,冷凝段是消极的。热回收与常规空气混合之间的焓比率随新风入口温度的增加而提高至85%左右。在热管换热器最佳效益与目前实验数据的比较中,结果显示出最佳效果接近于新风入口温度附近热管的流体工作温度。
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* `: x/ c" |' j7 V由Elsevier公司2006年出版- u7 l, H/ F% k/ Y/ K8 x
关键词:热管,热回收,换热器,空调) q$ D5 ~6 `& r9 X' t9 F# G
: a/ n2 \3 m o' X, v: C) ?- O4 H4 |! Y8 b6 _* ~
# W8 J: [( {/ m8 e U# X. J1. 介绍2 L6 Q/ ~# f0 x- ^2 U
热管换热器热回收装置的目的是回收余热及那种进出口空气不应该被混合地方像医院手术室还有化学和生物实验室等。传统热管的使用优点是,大量热量可以在没有额外能量进入系统中通过相当远的距离的一小段截面积来进行传递,(除了风扇驱动空气流之外),设计简单,易于制造[1]。努力已成功开发了一系列热管设备,像热管气气换热器,热管蒸汽发生器,高温热管热空气炉,和在冶金,石化,化工,电力,建材工业等领域的实验和理论研究的基础上取得进步 [2,3]此外,热管换热器适用于在热带国家的空调系统中的能源回收,高温度环境中的新鲜空气可以在进入制冷设备之前通过冷废气流来预先冷却下来。[4]任何一个在建筑物中的空调系统的研究应主要集中于室内的空气质量,热度,节能和环保。[5]
2 F" O4 v$ H N4 ^( y& Z通过大量研究已增强了热性能,及确保了热管换热器有效和可靠操作[6-10]。使用汽车排气的热管换热器进行了简单的实验[11] 很明显的看出热管换热器热随废气温度上升而热转移。输出传热率的影响下,对工作液装载率和蒸发器热虹吸管的长度进行了研究[12]。热管换热器的设计,制造,并在15-35℃低温下的检测 [13]。结果表明,最低传热远远高于所需的传热率,而且热管换热器的效率提高,管数增加和翅片管也被使用。提出了利用热管换热器减湿作用的流体动态模拟设计方法 [14]。这项研究表明,模型是能够预测的热性能和优化热管翅片栈的。3 e% [* F q5 b3 Y" Y
这项研究是通过测量热管换热器蒸发段和冷凝段热的新风和冷的排风之间的温度差,来达到研究热性能和空调中的热管换热器余热回收效率的目的。传热和比焓在热量回收与常规混合空气中也是有指标的。在热管换热器最佳效益的计算与实验结果进行了比较。 t4 @ `! S) A
/ ^+ R: E+ S. h: g g+ ] N3 v2. 实验台和步骤介绍
+ b- U8 ]1 o* G+ S" W' \; M% n5 z. m. U ^* Y5 y# y, ?
实验台的设计构造如图1所示。 1测试段由两个0.3 *0.22平方米的空气管与翅片管换热器相连而组成。一个0.3 *0.3平方米方孔是在安装有热管换热器的两个管道的一面。这个实验室的制冷设备由蒸发器,压缩机,冷凝器,和扩展装置组成,扩展装置包括用来测量输给换热器冷凝段的冷排风的检测仪器。在冷却盘之前该装置安装了一个变速风机。被R-134a控制的制冷器和由铜翅片管冷却盘制成的蒸发器都被安装在尺寸0.3*0.3m2风管内。新风管是被配置在有风机送风的热管换热器蒸发段。冷排风和热的新风被绝缘在厚度为50毫米的保温棉的导管内,最小化的热传递给周围空气。+ b( F; F2 N& }; v4 L9 }
两管子里风的速率通过皮托静电管测量。当排风控制在0.4,0.6和0.933Kg/s时,新风持续维持在每秒0.4Kg。新排风之间的比率是1:1.5或1:2.333。两进出口管道的空气温湿度通过温湿度装置测量和将测得的数据进行稳态。制冷器的操作同时运行新排风的两个送风机。经过足够长的时间,之前的新排风的温湿度和热管换热器之后的记录接近常数。获得了新排风的风量速率。温湿图上表示出了得到的数据。在这项研究中,通过使用Cool Pack和NIST软件获得湿气的热力学性质和工质[15,16]。每个运行着的焓与湿度率从冷却辅助程序中计算出,通过干球温度和热管换热器的进出口相对湿度的工程方程求解
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$ g1 s4 h3 G' e8 M. B# @7 o4 h9 i" E2.1试验段的热管换热器
1 A3 C3 j N) y两个面积0.3*0.22平方米和长1米的风管是由厚度0.5毫米的镀锌薄钢板制成的。每个风管长度为1米。喷嘴被安装到连接风扇出口和新风管。喷嘴是由厚0.5毫米的镀锌钢板做的,它有0.1 •0.1平方米入口段和长0.3米面积0.3 •0.22平方米的出口段。热管换热器由25个长0.5米及内部和外部直径分别为10.2和12.7毫米的铜管组成。热管由长0.2m蒸发段,0.1m绝热处还有0.2m的冷凝段这三部分组成。4层丝直径0.125毫米的100目铜屏,被安装在管道内的协助液体从蒸发段到冷凝段。热管被封闭在疏散空气的两端,控制在0.127MPa 下的工作介质R-11,相当于饱和温度达到30摄氏度。注意到是,这液体换成了R – 123。热管安排成了横向交错的形式如图2所示。蒸发段和冷凝段由50平方米的铝板组成翅片区,厚0.5毫米,面积0.29*0.29m2。% ?7 O& C1 d) F( Z7 H
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2.2空气流程和数据4 `) S: }3 Z' B3 _, T8 \
冷却新风和加热排风的温湿图如图1所示。在蒸发段的热量可以被计算:( s7 u' r0 P& R) b- m
(1)
7 i+ A5 h; |# b3 n( k' e换热效率的定义是实际的传热率即在两个气流之间换热器的最大可能的传热率[13,17]。假设,空气中没有冷凝水,而且假设通过蒸发段和冷凝段的空气比热为常数,那么以蒸发段的热管换热器的传热率表示为:
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/ M9 n8 t* {% L' F$ W' @0 V5 h1 ~余热回收与常规混合空气的焓比定义为:
8 t. W- a3 M2 s6 }2 X( S(3)
+ w g' E1 N p上述公式的计算式对在32-40℃的新风温度及排风温度保持在大约26℃下,不同流量比1,1.5,2.33的实验得出的。5 H: x8 Q( I( T& s6 {4 _$ R
' O5 y( ]# [7 r; [3 b4 ?$ S
3.讨论的结果
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在不同进口温度和风速下的新风,热风,排风和冷风的不同温度变化如图3所示.据观察所得,新排风的温度变化随新风入口温度的增加而增加。新风温度的变化随新排风之间风量的增加有利。但是,冷排风温度的变化随风量的增加而降低。/ Y2 @2 u9 I' a; f2 t3 t
新排风的计算结果如图4所示。
3 L$ p: p2 t! h7 z) Q/ E6 l在传热率上风速对蒸发段产生积极影响,但不利于冷凝段。有趣的是发现当回风的风量流率约两倍的增加导致了新风温度增加了大约20%,蒸发段的传热率增加了约26%。否则,冷排气返回值几乎在所有实验中保持不变。显然,考虑的新风进口温度是增强蒸发段传热率的最主要的参数。, M8 Q- U/ J6 D; P m
余热回收率与常规混合空气的比, ,用Eq定义(3),如图5所示。
. L' v1 B: |+ A2 z( P结果发现,热回收的增加随新风入口温度增加而增加,当温度达到40℃时,热回收率增加了85%。而且当风量流量比增加约两倍时热回收下跌10%左右。" S# k7 P8 F4 P+ }
, L0 L6 v9 o8 @: X7 r$ e1 p3.1传热分析和最佳效益
+ d; M$ Q. Z" W某些热管换热器的设计的最佳操作条件受到传热的局限性。这些限制在特定工作条件下实现最大传热率。在这个实验中为这声限和热量的携带限的管束中使用了这一研究[13]。当 声限的发生是,蒸发器出口蒸发速度是音速。最高热转移计算如下:: I" A! ]! e2 o+ ^% @6 ^
(4)
* o6 a7 M" r c* _& W! U- N8 d" Y4 ~携带限发生,当流体和蒸汽在热管中相反方向移动,蒸汽温度足够高,以致于液体从芯面夹带变成水蒸气
7 ~9 x8 N! ]" m' W3 Q最高热传播计算如下:
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# @' H; U; a/ W2 j1 \( P+ J g/ ?! o5 @
! n* z+ n2 Y; n; @
其中()在液/气界面的特征尺寸是100目被认为0.036毫米,接触角()趋向于零[16]。热管最低转移热量的能力必须在15-55℃范围内。 设计得出热管的效率[18,19]如下:
, K. u" p6 W. U" q: d" f0 m8 k(6)
8 g& x; {6 Q2 ^第二多项式方程可以得到最佳的效益值如下:7 |& [/ O- @' U6 r' H" [
(7)& p4 ]8 g1 V+ z" k' m, R8 X! [
其中:
9 V R1 \5 x, @( y(8)* J. X4 T3 C) t+ Q5 i
(9)
6 v p1 {5 V5 U$ q(10)" L/ t" g1 O) ?5 F" C
(11)
5 Y* K9 a6 e( a6 J3 x' I(12)
; B4 E! H* B( a" V, f当()介于0和1之间时,()的平方根的标志表示 |
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