哈雷釬焊板式換熱器
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                組合式熱管換熱器在熱泵系統中的試驗研究

                點擊:1581 日期:[ 2014-04-26 21:57:54 ]
                                      組合式熱管換熱器在熱泵系統中的試驗研究                          李娟,金蘇敏,向南宏,謝敬田,胡敏東                             (南京工業大學,南京210009)     摘要:采用組合式熱管換熱器作為生活濁水余熱熱泵熱水器的熱管蒸發器,并在試驗臺上進行了不同污水進口溫度和不同污水流量的可視化試驗,通過分析試驗結果,發現組合式熱管上升管和下降管的溫差很大的現象,這與熱管特性相矛盾。采用理論分析和實驗相結合的方法,研究了熱管中產生溫差的原因。它主要是由于下降管壓力損失較大,使熱管工質在熱管蒸發器中的滯留引起。     關鍵詞:組合式熱管;熱泵;溫差;壓力差     1 引言     熱管換熱器作為一種新型的換熱設備,在煙氣余熱回收、能量的綜合利用等方面具有獨特的性能。分離式換熱器的主要優點是可以靈活布置,可實現較遠距離的熱量傳輸;受傳熱極限的制約較少,可實現更高的熱流密度的傳輸;冷熱源完全隔離,不存在相互污染,同時分離式熱管換熱器具有熱管基本特性:等溫性,因為熱管腔內的蒸汽處于飽和狀態,飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,溫降亦很小[1]。     本文充分利用分離式熱管換熱器的優勢和原理,將它改成一種組合式熱管換熱器,作為污水廢熱回收換熱器用在生活濁水余熱熱泵系統中,回收效率很高,同時整個系統的能效也很高;但是在試驗中發現了上升管和下降管溫差很大,與分離式熱管換熱器特性不符合。所以,本文結合試驗分析了引起傳熱溫差的原因,其中著重研究了組合式熱管換熱器冷凝段板式換熱器的傳熱性能。     2 試驗系統和試驗方法     集中浴室或家用浴室排出的浴室廢水成為生活濁水的主要部分,這部分廢水平均溫度在25℃左右,熱回收潛力很大。本文的余熱回收熱泵系統就是采用生活濁水作為低溫熱源,以達到廢熱回收的目的[2]。系統流程圖見圖1。     本系統中廢熱回收部分采用新型熱管廢熱回收蒸發器。熱管廢熱回收蒸發器與一般的熱管換熱器相同,由蒸發側和冷凝側兩部分組成。為了保證蒸發端的低濁污水不會泄露污染冷凝端(由于只有蒸發端接觸污水,即使蒸發端有污水泄露,只會污染到熱管工質,而對整個系統不會產生影響),同時也為了方便清洗,選管殼式換熱器作為熱管的蒸發端換熱器,板式換熱器為其冷凝端換熱器。根據換熱器設計法則,管式換熱器中污水走管程,制冷劑走殼程。     3 試驗結果     本文以熱泵的冷凝溫度40℃(運行穩定時)分析試驗結果:相同的污水進口溫度(29℃)、不同的污水流量下(0. 2m3/h, 0. 4m3/h, 0. 65m3/h,0. 75m3/h)(調節污水流量最大為0. 75 m3/h,最小為0. 2m3/h),試驗結果如圖2所示。從圖2中可以看出相同的污水進口溫度(29℃),上升管蒸汽隨流量的增大而增大,同時上升管和下降管溫差隨著污水流量的變大溫差也變得越來越大。                             用測得的上升管的壓力計算R22蒸汽的飽和溫度,結果如圖3所示。在相同的蒸汽壓力下,上升管實際飽和蒸汽溫度與理論計算溫度很接近,這樣說明出現溫差的原因不是由于管殼式換熱器換熱引起過熱導致,而是由于過冷引起(主要在組合式熱管冷凝段,也就是熱泵系統的熱管蒸發器部分)。     如圖4所示,上升管蒸汽和下降管壓力隨著污水流量的變大也變得越大,壓力上升是由于污水流量變大、換熱量變大、制冷劑蒸發溫度升高(見圖2),所以壓力升高。同時可以看到上升管蒸汽壓力與下降管液體壓力差值很小,說明引起上下降管溫差不是由于在分離式熱管內制冷劑在冷凝段的板式換熱器中的換熱壓降引起的。如圖5所示,熱泵中蒸發器出口制冷劑有很大的過熱度,說明熱管蒸發器內熱泵工質與熱管工質的換熱量很大,同時是隨著流量的增大而增大。                     結合以上試驗結果,可以初步認定引起上升管蒸汽和下降管液體溫差較大的原因,是由于制冷劑滯留在板式換熱器內,熱管工質的過度換熱,導致過冷而引起。     4 經驗關聯式和結果的理論分析     根據試驗結果可以知道,在板式換熱器內工質是逆流,存在三種形式的換熱,如圖6所示,區為熱管中的過冷液體與熱泵蒸發器內兩相工質進行換熱,既是單相與沸騰換熱, 2區為熱管中兩相區的飽和工質與熱泵蒸發器內兩相工質進行換熱,既是凝結與沸騰換熱, 3區為熱管中的兩相工質與熱泵蒸發器內的過熱工質進行換熱,既是凝結與過熱換熱。     4. 1 板式熱管蒸發器的換熱經驗關聯式     過冷區液態制冷劑黏度變化較大,雷諾數處于2000~10000范圍內,換熱系數計算按下式                                     從圖7中可以看到,隨著流量的增大, 1區和3區傳熱系數都在增大,但是2區換熱系數同時在緩慢減小;同時對照圖8可以看到, 1區的換熱面積在漸漸減少,而2區和3區的換熱面積在增大(詳細數據可以參看表1),其中3區的換熱面積增大得很明顯,說明熱泵工質在蒸發器中過熱面積隨著流量的增大而增大,對照圖7,此區的傳熱系數也在增大,這就說明了過熱區換熱量在增大,這與試驗結果(見圖5)的過熱度隨著流量變大而變大是一致的。                     從圖9中可以看到,隨著流量的增大,滯留的過冷液體在板式換熱器中高度越來越小,這是由于過冷液體與兩相工質換熱面積在減小(見圖8),引起高度的降低,這直接導致過冷液體所提供壓力的減小,從圖10中可以看出來。圖10中還可以看到,下降管提供的總壓力也是隨著流量的增大而減小的,同時看表2,可以看到下降管出口處的壓力比下降管中部的壓力大。這就說明了是由于下降管出口的壓力大于下降管進口的壓力,導致熱管工質不能順暢流下來,導致滯留在冷凝段,過度換熱,引起溫度下降至過冷;還說明了前面的初步想法是合理的。     我們在試驗臺上做了少許改動,在下降管出口增加了測壓口,在相同的工況下,測試了下降管出口處的壓力,試驗數據見表2,可以看到與理論計算結果誤差很小,這進一步說明了上面的理論分析是合理的。                       進一步分析試驗和理論結果,發現隨著污水流量的增大,下降管的壓力降在減少,說明污水流量增大,導致熱管工質壓力增大,質量流量增大,流速也增大,同時工質的密度在下降,根據流體在管道內流動壓降計算公式[5] Δp=ρghw                      式中:V-工質的流動速度,m/s;l-管道長度,md-管道直徑,m。     局部阻力包括閥門的阻力,截面突然擴大阻力,直角匯流阻力,折管阻力以及彎頭阻力等,在本實驗臺中,在分離式熱管換熱器下降管管路中包括3個直角彎頭, 1個折管彎頭, 1個閥,下降管出口的截面突然擴大以及管路的沿程阻力。     根據公式計算,結果如圖11所示,隨著污水流量的增大,沿程阻力在上升,但是局部阻力在下降對照表2說明總壓降在下降。     5 小結     本文主要對組合式熱管換熱器進行了試驗研究,解決了熱管中上升管飽和蒸汽與下降管液體的溫差問題。通過分析試驗結果和理論分析可得到     (1)組合式熱管換熱器在相同污水進口溫度時,污水流量越大,熱管工質蒸發溫度與壓力越大換熱量也增大,同時熱泵系統工質過熱度也增大;     (2)組合式熱管中下降管出口壓力大于下降管中部壓力,導致熱管冷凝段中的冷凝液不能順暢流下來,滯留在板式換熱器內,進一步換熱,熱泵工質的過熱度增加,引起熱管工質過冷;     (3)隨著污水流量的增加,下降管的沿程阻力在上升,局部阻力在下降,但總壓降在下降;同時冷凝液在板式換熱器的換熱面積在下降,在板式換熱器內內的滯留高度降低。     綜合以上分析,說明在試驗中調節污水流量對組合式熱管換熱器影響很大,污水流量不能太小,否則會影響換熱,同時壓降增大;下降管阻力引起的壓力損失增大,會導致現有的下降管高度不足以彌補此損失,迫使熱管工質滯留,增加下降管的壓頭,使熱管工質能夠順利流動。雖然這樣熱管工質過冷會使熱泵工質過熱度增加,但是根據能量平衡原理,這犧牲了更多了污水的能量,降低了系統的能效系數;同時也可以看出在本試驗臺中組合式熱管換熱器下降管部分仍然需改進:管徑需增大,同時需要盡量減少下降管的彎頭和閥門等,以減少圧力損失而引起的能量損失。     參考文獻     [1]莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用[M] .北京:化學工業出版社, 2000.     [2]王路,金蘇敏.生活濁水余熱回收熱泵熱水器的研究[D].南京:南京工業大學碩士論文, 2009.     [3]孟登居.空氣源熱泵熱水器的仿真與試驗研究[D].南京:南京師范大學, 2008.     [4]程寶華,李先瑞.板式換熱器及換熱裝置技術應用手冊[M].北京:中國建筑工業出版社, 2005.     [5]歸柯庭,汪軍.工程流體力學[M].北京:科學出版社,2003.
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