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氣液雙熱源耦合管翅式換熱器性能研究

點擊:1717 日期:[ 2014-04-26 21:08:26 ]
sp;      氣液雙熱源耦合管翅式換熱器性能研究                         劉寅,崔四齊,周光輝                (中原工學院能源與環境學院,鄭州450007)     摘要:設計了一種由管翅式換熱器和套管式換熱器耦合而成的氣液雙源耦合式換熱器,該換熱器可以實現一種介質同時與氣態熱源和液態熱源進行同步耦合換熱。對該換熱器進行了詳細的介紹,并對其耦合換熱特性及該換熱器在耦合熱源熱泵空調中應用時的制熱工況進行了的性能測試。研究結果證明,使用該氣液雙熱源耦合式換熱器的耦合熱源熱泵空調系統,氣液雙熱源模式與單空氣熱源模式相比,制熱量和COP均有明顯提高,低溫時性能提高更為顯著。當空氣溫度為-15℃時,制熱量及系統COP提高50%以上。     關鍵詞:雙熱源;換熱器;熱泵;熱特性     1·引言     換熱器是一種使得兩種或多種過程流體之間能夠進行熱交換的傳熱設備,是廣泛應用于化工、石油化工、動力、醫藥、冶金、制冷、輕工等行業的一種通用設備[1]。換熱器的種類繁多,按其傳熱面的形狀和結構進行分類可分為管型、板型、延伸表面換熱器和其它型式換熱器。管型換熱器包括蛇管式換熱器、套管式換熱器、管殼式換熱器。板型換熱器包括螺旋板式換熱器、板式換熱器、板殼式換熱器。延伸表面換熱器包括管翅式、板翅式等[2]。在眾多類型的換熱器結構中,管型換熱器和管翅式是廣泛應用于制冷空調領域的換熱設備。按傳熱方式可以分為間接接觸式換熱器和直接接觸式換熱器,上述的換熱器多為間接接觸式換熱器,直接接觸式換熱器主要形式是冷卻塔。     在過去的幾十年,隨著能量種類的不斷增加和設備系統的不斷改進,換熱器的開發和應用得到了快速的發展。但是,目前廣泛使用的間接式換熱器只能實現兩種物質之間的換熱,不能實現一種物質與另外兩種互不接觸的物質之間的換熱。如果需要三種物質之間的換熱,或者是一種物質與另外兩種互不接觸的物質之間的換熱,就需要兩個或兩個以上的換熱器,但仍不能夠很好的實現它們之間的同時換熱。     2·換熱器設計     當前,空調設備已經成為全球生產和生活不可缺少的設備,被廣泛應用于各個領域。隨著空調的廣泛應用,空調的高能耗逐漸被人們所關注,有資料顯示,生活用空調能耗已經占到社會總能耗的20%以上,且有逐年上升的趨勢[3],空調系統節能已經成為空調設備及系統設計的研究重點。以太陽能、地能、廢熱為熱源的空調系統成為空調系統研究和應用新的方向,甚至還出現了以多種能源為熱源的耦合熱源式空調系統。為了實現多種熱源在空調系統中的應用,通常在空調系統中的熱源側安裝多個不同形式的換熱器[4],以實現對不用種類熱源的利用,這就造成了空調系統設備增加、占地增大、系統復雜等相關問題。如果能夠將耦合熱源式空調系統使用的多個換熱器設計成一個可以與多熱源多個熱源進行換熱的耦合式換熱器,將可以最大限度的解決上述問題。     空調系統通常采用管翅式換熱器以空氣為熱源進行工作或采用套管式換熱器以液態熱源進行工作,因此,能夠同時實現套管式換熱器和管翅式換熱器功能的耦合換熱器是耦合熱源空調系統最佳的選擇。     套管式換熱器由一根管子內套裝一根或多根管子組成,構成內管內和內管與外管之間的兩種介質通道,每一種通道分別流動一種介質,兩種介質通過內管管壁進行換熱。在以液態物質為熱源的空調系統中,主要采用套管式換熱器。     管翅式是在換熱管外部安裝翅片,可擴大換熱面表面積并促進流體的擾動減小傳熱熱阻,有效地增大傳熱系數,從而增加傳熱量,實現管內物質與管外氣態熱源的充分換熱[2],廣泛應用于以空氣為熱源的空調系統中。     氣液雙熱源耦合換熱器根據管翅式和套管式換熱器的特點,以管翅式換熱器為基礎,通過在管翅式換熱器的換熱管內部穿裝另外一根換熱管組成,如圖1所示。可以實現制冷劑與液態熱源和氣態熱源的同步換熱。     由圖1可知,氣液雙熱源耦合換熱器由翅片、外套管和內套管組成,構成液態熱源通道、制冷劑通道和空氣通道。當用于耦合熱源熱泵系統中,根據使用需求,可以實現三種不同的熱源供熱模式:(1)單獨以空氣為熱源:關閉液態熱源通道,開啟翅片前風機,制冷劑只吸收空氣熱量,耦合熱源熱泵系統單獨以空氣為熱源進行工作。(2)單獨以液態熱源為熱源:打開液態熱源通道,關閉翅片前風機,制冷劑只吸收液態熱源熱量,耦合熱源熱泵系統單獨以液態熱源為熱源進行工作。(3)同時以空氣和液態熱源為熱源:打開液態熱源通道,開啟翅片前風機,制冷劑同時收空氣也液態熱源熱量,耦合熱源熱泵系統同時以空氣和液態熱源為熱源進行工作。                  3·性能測試     作為新型的耦合換熱設備,氣液雙熱源耦合換熱器用于耦合熱源熱泵系統時,如單獨以空氣或單獨以液態熱源為熱源進行工作時,與單獨采用管翅式或套管式換熱器無本質區別,但當同時以空氣或單獨以液態熱源為熱源進行工作時,需要合理的選擇兩種熱源的溫差,即兩種熱源之間的溫差不能高于“雙熱源最大有效耦合換熱溫差”,否則將導致兩種熱源之間通過制冷劑的間接傳熱,導致熱源的熱量損失。     “雙熱源最大有效耦合換熱溫差”為兩種熱源同時向耦合空調系統提供熱時允許存在的最大溫度差值。當兩種熱源的溫差小于最大有效耦合換熱溫差值時,耦合空調系統的制冷劑溫度將低于(高于)兩種熱源的溫度,兩種熱源將同時向耦合熱源熱泵系統提供熱量;當兩種熱源的溫差超過最大有效耦合換熱溫差值時,此時耦合熱源熱泵系統的制冷劑溫度將介于兩種熱源的溫度之間,高溫熱源在為耦合熱源熱泵系統提供熱量的同時,高、低溫熱源之間將通過制冷劑產生間接的熱傳遞,導致熱源的熱損失。     為了充分地掌握雙熱源耦合換熱器的性能特性,構建了耦合熱源熱泵試驗臺,進行了制熱工況下“雙熱源最大有效耦合換熱溫差”及系統制熱量的測試。     試驗臺由壓縮機、氣液雙熱源耦合換熱器、用戶側換熱器、節流閥、風機、水箱、循環水泵、閥門和相關管路構成,如圖2所示。系統制熱量1匹。                  耦合換熱器由銅管和親水鋁箔制成。外管徑為15.6mm,內管徑為9.52mm,翅片由0.2mm厚親水鋁箔制成,為強化傳熱,采用波紋式翅片[5]。本試驗在空氣側迎風面設計風速2.5m/s[6]的情況下,結合不同的空氣側溫度,對管內液態熱源在0.2/m3,0.4/m3,0.6/m3三種流量下進行了實驗研究,以確定系統進行熱泵工作時的“雙熱源最大有效耦合換熱溫差”。并在液態熱源流量為0.6/m3時,選擇不同的空氣熱源溫度進行了耦合熱源熱泵制熱性能測試。為防止低溫工作時結冰,液態熱源選用33.6%的乙二醇水溶液。     4·測試結果分析     圖3為最大有效耦合換熱溫差隨液態熱源流量和空氣源溫度工況變化的規律曲線。                   由圖3可知,隨空氣溫度的不同,乙二醇流量為0.2m3/s時,最大有效耦合換熱溫差為11~13℃;乙二醇流量為0.4m3/s時,最大有效耦合換熱溫差為8~10℃;乙二醇流量為0.6m3/s時,最大有效耦合換熱溫差為6~8℃。最大有效耦合換熱溫差隨乙二醇流量的減小而明顯增大,主要是流量減小造成水側換熱效果所致;同時,最大有效耦合換熱溫差隨空氣溫度的升高而略有減小,但影響明顯小于乙二醇流量的影響,主要是空氣溫度升高造成空氣比容增大,相對固定的風量下導致空氣換熱量減小所致。因此,在采用耦合換熱器的耦合熱源熱泵系統設計與運行中,應根據空氣源溫度合理選擇液態熱源溫度與流量,以確保實現雙熱源耦合換熱。     由圖4可以看出,乙二醇溫度在“有效耦合換熱溫差”范圍內,耦合熱源熱泵在各種工況下制熱量較單一空氣熱源熱泵系統均有明顯提高。如選定有效耦合換熱溫差為5℃時,耦合熱源熱泵系統在空氣溫度為2℃時,制熱量較單一空氣熱源熱泵提高35%左右;當冬季室外溫度為-15℃時,耦合熱源熱泵制熱量較單一空氣熱源熱泵提高45%左右。當冬季室外溫度為-15℃時,如用戶需要較大供熱熱量,耦合熱源熱泵可采用單一乙二醇為熱源,在乙二醇為5℃時,耦合熱源熱泵制熱量即可達到單一空氣熱源熱泵額定制熱高溫工況下的制熱量。                   由圖5可以看出,乙二醇溫度在有效耦合換熱溫差范圍內,耦合熱源熱泵在各種工況下能效比較單一空氣熱源熱泵系統均有明顯提高。如選定有效耦合換熱溫差為5℃時,耦合熱源熱泵系統在空氣溫度為2℃時,能效比較單一空氣熱源熱泵提高20%左右;當冬季室外溫度為-15℃時,耦合熱源熱泵能效比較單一空氣熱源熱泵提高近50%。當冬季室外溫度為-15℃時,如用戶需要較大供熱熱量,耦合熱源熱泵可采用單一乙二醇為熱源,如設定乙二醇為5℃,耦合熱源熱泵制熱量在達到單一空氣熱源熱泵額定制熱高溫工況制熱量的情況下,制熱效率較-15℃運行的單一空氣源熱泵可提高1倍以上。     5結論氣液雙熱源耦合換熱器實現了三種物質在同一換熱器中的同步耦合換熱。該換熱器應用于耦合熱源熱泵中,在有效耦合換熱溫差范圍內,可有效的實現對氣態熱源和液態熱源的同時利用,提升空氣源熱泵冬季的制熱性能,同時簡化了系統組成,降低了系統投資,并減小了設備占地面積。該換熱器還可廣泛應用于一種液態物質和另一種液態物質及氣態物質同時換熱的環境。 參考文獻 [1]Kuppan T.Heat Exchanger Design Handbook[M].Bo-ca Raton, USA:CRC Press,2000. [2]錢頌文.換熱器設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2002. [3]清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2007[M].北京:中國建筑工業出版社,2007. [4]陽季春,季杰,裴剛,等.間接膨脹式太陽能多功能熱泵供熱實驗[J].中國科學技術大學學報,2007,37(1):53-60. [5]Wang C C.Effects of Waffle Height on The Air-SidePerformance  of Wavy Fin-and-Tube Heat Exchanger[J].Heat Transfer,1999,20(3):45-56. [6]R K Shah Duan P Sekuli.Fundamentals of Heat Ex-changer  Design[M].Hoboken N J,USA:John Wiley&Sons,Inc.,2003.
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