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空調用熱管換熱器性能研究

點擊:1533 日期:[ 2014-04-26 21:08:24 ]
                          空調用熱管換熱器性能研究                         林海佳 趙鵬 肖洪海 馬亞國 吳凡                    (珠海格力電器股份有限公司珠海519070)     摘要:本文研究了以R22作為工作液體的熱管換熱器在不同空調工況下的運行性能,發現在強制對流換熱狀態下,熱管換熱器EER值較高,換熱效果理想。實驗結果表明熱管換熱器將在空調節能領域發揮重要作用。     關鍵詞:空調;熱管換熱器;R22;節能     1·引言     在建筑耗能中,空調系統耗能所占比重較大。如何降低空調系統耗能,提高其運行效率已引起業內人士廣泛關注。熱管換熱器(如圖1所示)具有換熱效率高、節能效果好、結構簡單、制造方便等優點[1,2],有研究表明,在大型空調系統中,熱管的使用將使其比普通空調系統節能25%~30%左右[3],因此,在空調系統中采用熱管換熱器是一種有效的節能方法。本文主要工作就是研究熱管換熱器在空調工況下的工作性能。熱管換熱器有多種結構形式,本文的研究對象是分離式氣—氣熱管換熱器。                    分離式熱管換熱器的主要優點表現在以下幾個方面[1,2,4]:     1)可以在熱管換熱系統里面設置兩個或兩個以上的冷凝器,即一套系統可以同時預熱兩種或兩種以上的流體。     2)熱管換熱器換熱過程為二次間壁換熱,冷熱流體不會發生交匯現象,從而有效保證了室內空氣的品質。       3)熱管換熱器可以遠距離加熱流體,因此加熱燃爆性較強的流體相對來說便比較安全,在用于空調系統時,可避免安裝過長的風道。        2·實驗對象及實驗方案     實驗對象為分離式熱管換熱器(系統),主要有四部分組成:蒸發器、冷凝器、四臺軸流風機(具體形式如圖2、圖3)、氣體上升總管和液體下降總管。兩器的具體形式為沿氣體流動方向為4排銅管,垂直于空氣流動方向為26根銅管,單根銅管的長度為1.2m,直徑為9.52mm,通過脹管與鋁質翅片結合在一起。氣體上升總管和液體下降總管材質均為紫銅管。熱管蒸發段安裝視液管用于調整沖灌量觀察液位變化對換熱性能的影響。          主要基于以下三個因素考慮,工作液體選用常規制冷劑R22:1)有色金屬能易與有機工作液體相容[5];2)使用R22作為工作液體的分離式熱管換熱器具有良好的啟動性能[6];3)R22目前在空調企業容易獲得。     實驗測試在焓差法實驗臺進行,主要測試參數為:熱管換熱器蒸發段側的風量、熱管換熱器蒸發段各支路溫度、熱管換熱器冷凝段各支路溫度、氣體上升總管壓力、液體下降總管壓力。     測溫工具選用熱穩定性好的銅-康銅熱電偶。壓力測量采用電容式壓力傳感器。     實驗方案:1)保持冷凝側溫度為15℃,在25~40℃范圍內調整蒸發側溫度,每隔5℃設立一個試驗工況,測試不同溫差對熱管換熱器性能的影響;2)保持蒸發側溫度為27℃,在-20℃~10℃范圍內調整冷凝側溫度,每隔5℃設定一個試驗工況,同時調整冷凝器風扇運行數量,測試熱管換熱器運行性能情況。3)改變充灌量,觀察不同充灌量下的熱管換熱器性能變化趨勢。     3·實驗結果分析     從圖4可知,冷凝側和蒸發側溫差越大,熱管換熱器的換熱量越大,在此試驗中,耗功裝置為四臺風機,在四個工況下,風機的耗功基本相等,因此EER也隨兩側溫差增大而增大。                                     從圖5看出,在一定溫差范圍內,冷凝側開單、雙風機時,熱管換熱器的制冷量隨冷凝側和蒸發側溫差增大而增大,但是當冷凝側溫度低于-10℃時,熱管換熱器的制冷量急劇下降,這是因為蒸發端出現結霜現象,結霜部分熱阻增大,同時迎風面積減小,掠過蒸發端銅管及翅片的風量也隨之下降,換熱情況惡化。通過調整熱管冷凝段風量,改為開單風機時,制冷量因冷凝側和蒸發側溫差的增大而增大,在試驗溫差較大時,出現凝露,但對冷量衰減影響有限。圖6所示兩種狀態下的EER變化趨勢與制冷量變化趨勢基本相同,但在溫差較小的幾個工況下,開雙風機雖然使耗功增加,但帶來的制冷效益較理想。在按試驗方案2測試時,發現在開雙風機結霜的工況下,開單風機時,蒸發端結霜現象不明顯,停止風機運行,無結霜現象,但冷凝段的換熱變為自然對流換熱,換熱系數下降,制冷效果不佳。因此需對冷凝側風機運行進行合理控制,在規避結霜現象的同時,獲得理想的制冷效果。                                     圖7所示為冷凝側單開風機時不同充灌量下的熱管換熱器的性能變化情況,該熱管換熱器充灌量在11kg且冷凝側與蒸發側溫差較小時,制冷量較充灌量為10kg的大,當溫差增大時,制冷量因結霜而減小,而充灌量為10kg的熱管換熱器運行情況相對較好。因此在溫差較大且冷凝側溫度較低工況下工作的熱管換熱器的灌注量與其它工況下的要有所區別。在不同工況下,熱管換熱器主要能耗來自三臺軸流風機,相差不大,所以EER的變化趨勢與制冷量變化趨勢基本一致,在此不再列圖敘述。本實驗沒有專門測試噪音值,但是熱管空調器因沒有壓縮機,噪音值較裝有壓縮機的空調系統小。     4·結論     空調用熱管換熱器可以用在室外溫度低于室內溫度,但為保證室內空氣品質,不能將室外空氣直接引入室內的場所,如一些對空氣質量要求較高的基站中。從實驗結果可以知道熱管換熱器是一種高效換熱裝置,不僅節能效果好,而且能夠避免室內外空氣混合而將室內余熱排走,有力保證室內側空氣質量。同時,在熱管換熱器中,風機是主要噪聲源,相對于傳統有壓縮機和風機的空調器來說,噪音值極大降低。熱管換熱器高效換熱的優點,無論設計為末端換熱設備或小溫差傳熱機構,都將在空調節能領域起到重要作用,應用前景廣闊。 參考文獻 [1]莊駿,徐通明,石壽椿.熱管與熱管換熱器[M].上海:上海交通大學出版社,1989. [2]張紅,楊峻,莊駿.熱管節能技術[M].北京:化學工業出版社,2009. [3]敖永安,謝忠奎,李志新.熱管式空調系統的節能分析[J].沈陽建筑工程學院學報,1998,14(3):270-273. [4]YU,Z,T,HU,Y,C,Cen,K,F.Optimal design of theseparate type  heat pipe heat exchanger[J].Journal of ZhejiangUniversity,2005,6A (Suppl.I):23-28. [5]高鵬.新型高效熱管式空調系統節能裝置研究[D].上海海事大學碩士學位論文,2006. [6]王一平,鄧林,朱麗,等.銅-R22分離式熱管傳熱特性的試驗研究[J].節能技術,2007,25(3):236-237. 作者簡介:林海佳(1978—),男,工程師,主要研究商用空調、換熱設備。
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