哈雷釬焊板式換熱器
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                波紋管強化換熱的計算機理及其實驗

                點擊:1644 日期:[ 2014-04-26 21:35:16 ]
                                        波紋管強化換熱的計算機理及其實驗                                 石 巖1,2     (1.吉林大學環境與資源學院,長春130026;2.吉林建筑工程學院,長春130118)     摘 要:針對波紋管的強化傳熱特性,采用理論程序分析與實驗研究相結合的方法優化工程設計,提出了浸入式波紋管污水換熱器的設計計算方法,并實測了利用該換熱器的城市污水熱能回收與利用系統的運行參數。測試結果顯示:采用該計算程序設計的污水換熱器的換熱量完全滿足建筑物的負荷要求。同時,與其他非金屬污水換熱器(鋁塑管污水換熱器、PP-R管污水換熱器)的換熱效果進行了對比實驗,為浸入式污水換熱器的優化設計和工程應用提供理論依據和技術參數。     關鍵詞:污水熱能;污水換熱器;波紋管     中圖分類號:X706  文獻標志碼:A  文章編號:1671-5497(2011)Sup.2-0364-05     波紋管換熱器推出時間還不是很長,國內外一些學者對其進行了流動和傳熱方面的實驗研究[1-4],結果表明:流體在波紋管中從層流過渡到湍流時的臨界雷諾數要比直管低得多,這就意味著,當直管中的流動剛剛進入湍流狀態時,波紋管中的流動勢必處于中等或高度湍流狀態,故此時波紋管相對于直管的強化傳熱效果最佳。其強化傳熱倍數可達到相同條件下直管的1.5~3倍。但目前多數研究僅限于單純的管內流動及傳熱或是僅限于單純的套管式換熱的研究。而針對污水換熱中采用浸入式波紋管換熱器的研究較少。本文從波紋管換熱的傳熱機理出發,對浸入式波紋管污水換熱器的設計程序和實際運行效果進行研究,首次提出了此類換熱器的計算方法,為其在污水熱能回收與利用領域的工程應用提供了理論依據和技術參數。     1 浸入式波紋管污水換熱器的設計     1.1 污水賦含冷量計算     本項擬設計計算項目是吉林省一幢30?。埃埃埃恚泊〞^,夏季冷負荷Ql為3600kW。冬季熱負荷Qr為2700kW。在污水流量穩定情況下,其流量為3000m3/h,則污水賦含冷量Qw為     Qw=ρcvΔt(1)     式中:v為污水體積流量,m3/s;Δt為污水利用的最小溫差,一般?。丁?。     經式(1)計算,Qw=21?。埃埃埃耄?,QwQl(Qr),因此判斷該建筑采用城市污水熱能回收與利用系統具有可行性。     1.2 換熱器盤管長度計算     文獻[5]針對波紋管傳熱強化效果與機理進行了研究。參考文獻[5]的分析結果,采用目前工業上常用的一種波紋管,其技術參數為:小徑D1=25mm、大徑D2=32mm、波距為20mm、壁厚為0.8mm、λ=10W/(m·℃)。     1.2.1 換熱器換熱量基本計算式     Q=±KLΔt·L(2)     式中:Q為換熱器的換熱量,Q≈Ql;KL為單位管長傳熱系數;L為換熱器盤管長度;Δt為管內外介質溫,取污水利用的最小溫差6℃。     可見,只要計算出單位管長傳熱系數KL即可確定換熱器的盤管長度L。     1.2.2 換熱器數學模型基本表達式流體滿足的控制方程的通用形式如下[6]:                 與上式對應的控制方程包括X、Y、Z方向動量方程、湍流動能方程、耗散率方程、能量方程。定解條件如下:介質為水-水,管外污水流量為3000m3/h,進出口溫差6℃,γ=1.216×10-6m/s,λw=58.15×10-2?。祝ǎ怼ぁ妫?。管內流量1.2m3/s,γ=1.126×10-6?。恚玻?,pγ=8.02,μ=1.125×10-3。     1.2.3 換熱器傳熱系數KL的確定                   (2)管內流動換熱     波紋管的對流換熱不同于普通光管,按照換熱器數學模型基本表達式,采用遺傳算法,當采用基管外徑為25.5mm的波紋管換熱時,管內換熱準則關聯式為:                  (3)管外流動換熱     浸入式螺旋盤管換熱器管外污水至管壁的放熱系數可按自然對流換熱來考慮,同時水池內設有潛水泵驅動污水流動[3]。因此,αo的計算為:                               1.2.4 換熱器傳熱計算程序的建立     通過上述運算建立換熱器設計計算程序(見圖1),計算結果為KL=67.75W/(m·℃)。將KL代入式(2),換熱器的盤管長度L為8856m。在該地區夏季冷負荷大于冬季熱負荷,浸入式波紋管換熱器的長度滿足夏季冷負荷要求時,即可滿足冬季熱負荷要求。                   1.3 換熱器盤管布置方式     參考文獻[7-9]的研究成果,螺旋盤管的管間距一般應大于管外徑的5倍。同時水平管的自然對流換熱效果好于垂直管和斜管,因此污水換熱盤管在一般情況下選擇水平布置。又據文獻[7]的介紹,螺旋管換熱效果比直管好,而且在單位空間內螺旋盤管的傳熱面積較大,綜合換熱效果較好。綜合上述分析,換熱器采用水平螺旋盤管的布置方式。當需多個盤管換熱器時,應采用并聯方式。     2 實驗過程     2.1 實驗系統的建立     為驗證上述計算方法的合理性,按此設計方法計算出60m2實驗室所需波紋管污水換熱器的長度為21.6m。按照相似理論建立了模擬實驗臺,對采用波紋管污水換熱器的熱泵空調系統進行測試。試驗系統示意圖如圖2所示。本實驗系統由水源熱泵、污水換熱池、風機盤管空調裝置、循環水泵及流量、溫度、電功率等測試系統組成。試驗系統以污水池中的污水為冷源,對60m2的試驗室進行制冷。                  采用TFX1020P手持時差式超聲波流量計,分別測量熱泵用戶側流量、熱泵水源側流量、風機盤管流量。本實驗臺共設置了16個溫度測點,溫度測試儀表選用WJK-E微機復路數據采集儀,通過計算機實現溫度的自動測量和記錄。為測量實驗臺各設備的耗電量,選用6臺上海欣靈電氣股份有限公司生產的DDS232型電子式單相電能表,分別測量水源熱泵機組、風機盤管、兩臺循環水泵及整個系統的耗電量。     2.2 實驗研究方法     隨室外溫度的變化,制冷房間的冷負荷也發生變化,實驗系統的波紋管污水換熱器的換熱量也需隨之變化,以滿足房間設計溫度的要求,并在允許的范圍內波動??梢酝ㄟ^室內溫度變化曲線,考察城市污水熱能回收與利用系統的制冷效果及冷負荷調節能力。     (1)分別選取整個制冷測試期間(2010年8月12日至8月20日)及典型實驗日(2010年8月10日),通過對實驗室室內溫度及室外溫度的變換情況,監測采用波紋管污水換熱器的熱泵空調系統是否滿足制冷效果及冷負荷調節能力。     (2)分別選取整個制冷測試期間(20天),考察采用波紋管污水換熱器的熱泵空調系統在整個制冷測試期間每天平均制冷工作性能并對結果進行分析。     3 實驗數據分析     3.1 整個制冷測試期間溫度的變化     整個制冷測試期間,每天室內平均溫度、室外平均溫度的測試結果如圖3所示。在室外溫度變化較大的情況下,室內溫度變化較平穩,基本維持在22℃左右,如圖4所示。                  3.2 系統制冷量、耗功量及系統制冷系數的測定     采用波紋管換熱器的日平均制冷量、日平均耗功量及制冷系數隨時間的變化如圖5所示。測試結果顯示:采用波紋管污水換熱器的系統平均制冷量為8.60kW,平均耗功量為1.90kW,平均制冷系數為4.53,性能指標穩定。                  3.3 測試結果的對比分析     分別對鋁塑管和PP-R管污水換熱器進行了測量,采用鋁塑管換熱器的系統平均制冷量為7.6kW,平均耗功量為2.12kW,平均制冷系數為3.58。采用PP-R管換熱器的系統平均制冷量為6.9kW,平均耗功量為2.66kW,平均制冷系數為2.6。     單位管長的污水換熱器的換熱量是衡量換熱器換熱效果及經濟性的重要指標,三種不同管材的對比情況見圖6和圖7。                 4·結 論     (1)通過計算程序分析和實驗研究總結出波紋管污水換熱器的設計方法。實驗結果顯示,該換熱器滿足建筑冷熱負荷要求,具有較好的實用性及針對性。     (2)通過對比實驗發現,浸入式波紋管污水換熱器的換熱效果明顯優于鋁塑管及PP-R塑料管污水換熱器,其單位管長換熱量是鋁塑管的5.2倍,是PP-R塑料管的8.1倍;其性價比是鋁塑管的2.44倍,是PP-R塑料管的2.54倍,而總造價僅是鋁塑管污水換熱器的46%,是PP-R管污水換熱器的70%。因此,波紋管污水換熱器是適合于污水熱能回收與利用的高效換熱設備。     參考文獻:略
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