空调用环形热管换热器的实验研究

摘要:以R22为工质,对环形热管换热器在不同充液率和风量下的换热性能进行了实验研究,研究结果表明环形热管 换热器在实验条件下的最佳充液率在70%左右,当充液率一定时,环形热管换热器的换热量随着风量的增加而增加,但 换热量增加的效果随着风量的增加而逐渐减小。

充液量是影响环形热管换热器传热效果的重要因素之一,也 是设计和应用中的重要参数。充液量过大,凝结换热效果也随之 减弱,从而对热管换热器的整体换热效果产生不利影响[1];充液 量过小,则会使加热段上部管内壁面无液膜覆盖,引起传热恶 化[2]。影响充液量的因素很多,如工作介质特性、热流密度、工作 温度及热管的结构形式等[2]。

目前,确定热管换热器充液率的方法主要有两种[3],一种是 理论分析及计算的方法,此方法可用于不同的系统和工况,但计 算结果的可靠性,依赖于所建模型和实际系统与工况的吻合程 度。文献[3]根据质量守恒原理推导出了热管换热器充液率的方 程式,并综合考虑分离式热管换热器的尺寸,工质蒸发温度及热 负荷对充液率的影响,得到了计算膨胀液池高度上边界的半经验 公式,但本文所采用的蒸发段与冷凝段无高差的环形热管换热器与文献[3]所建模型时采用的有高差热管换热器存在明显差异, 因此不能直接应用其结论。另一种是实验的方法,此方法以系统 实测性能最佳为目标,得出特定系统和工况下的合理充液率。如 文献[4]提出,在采用丙酮为工质,水平排管串联型分离式热管在 蒸发段加热功率为1.4kW,风量为150m3/h的条件下,其最佳充 液率为70%~114%(充液率的定义是工作介质的充注量与蒸发 器的容积之比)。

本文所研究的空调用环形热管换热器的热管蒸发段与冷凝 段之间无高差,其工作机理与传统的分离式热管工作机理有所不 同。为了弥补这方面研究的不足,本文采用实验方法就充液率和 风量对环形热管换热性能的影响进行了研究,以了解环形热管换 热器在空调工程应用中的节能效果。本文以R22作为工质对文献 [5]所提出的环形热管空调机组的热管换热性能进行了实验研究。在风量为1600m3/h,室内设计温度为21℃~29℃的条件下,对 环形热管换热器在10%~90%(工作介质在热管换热器蒸发段管 内淹没高度与蒸发段管长之比)的9种不同的充液率分别进行了 实验研究,并且对环形热管在充液率为70%时不同风量下的传热 性能进行了实验。研究结果可为空调用热管换热器合理充液率 的选择提供理论依据。

1实验装置及实验方法

1.1实验装置

图1是环形热管式空调机组空气处理的简化示意图[6]。系 统工作时,液相工作介质在热管蒸发段中,从热源中吸热蒸发后, 由蒸汽管传输到冷凝段,然后在冷凝段中向冷源放热凝结,凝结液 体通过液体管线再次回到蒸发段,从而完成一次循环。工作介质 在不断的循环过程中将热量源源不断的从蒸发段传输到冷凝段。

1.2实验方法

本实验在焓差实验室进行,将制作的环形热管换热器、表冷 器及其测试设备安装到空调性能测试实验台的接入口,在热管换 热器进出风处与表冷器两侧各加两个测量断面,每个测量断面有 两个条状铂电阻测温计,分别测量其出风状态的干、湿球温度,并 将测得的数据输入计算机进行记录与储存。各测量断面测量得 到的空气的干、湿球温度分别用来计算热管换热器蒸发段的换热 量与表冷器的换热量及冷凝段的换热量,进而测试热管换热器蒸 发段、表冷器及冷凝段的工作状况与性能。

本实验设计风量分别为1000m3/h,1600m3/h,2000m3/h 冷冻水进水温度7℃,冷冻水流量3.00m3/h;充液率为10%~ 90%;室内设计温度为21℃~29℃。

2实验结果及分析

2.1不同充液率下的换热量比较与分析 图2是在室内设计温度29℃,风量1600m3/h条件下,不同 充液率对换热量的影响。

如图2所示的环形热管换热器的最佳充液率出现在70%。 充液率为10%~50%之间时,换热量相对较低并呈缓慢增加趋 势,但当充液率从50%增大到60%时,其换热量有明显的提高。 当充液率超过70%后,换热量呈下降趋势。通过实验表明,环形热管换热器存在一个合理充液率,过大或过小的充液率对其换热性 能都有不利的 影响。

热管换热器的换热是以热管管内工作介质的相变为基础的, 因此要让热管换热器能够正常工作,热管管内工作介质就必须是 连续的。工质在蒸发段蒸发后,蒸汽必须能够顺利地经过蒸汽管 线到达冷凝段凝结,然后凝结液体再通过液体管线到达蒸发段, 完成一次工作循环。当热管工质的充液率过小时,会导致蒸发段 内液相工作介质不足,不能及时补充蒸发掉的工质,从而导致蒸 汽段出口液膜厚度为零,出现过热蒸汽。此时外部传输给热管的 热流密度不能及时被工质带走,会导致出现干涸现象[7]。而当工 质的充液率过大时,液态工质在蒸发器中所占容积过大,膨胀后 管内液池的长度增加,由于蒸发器总长度一定,使得液膜长度变 短,由于液膜的传热系数大于液态工质的传热系数,所以热管的 效率也将随之降低。

2.2不同风量下换热量的比较与分析

图3是在充液率R=70%,风量分别为1000m3/h,1600m3/h, 2000m3/h的条件下,在不同室内设计温度时,风量对换热量的 影响。

如图3所示,在三组不同风量的实验条件下系统的换热量都 呈现出随室内设计温度的增加而增加的变化趋势。这是因为,随 着室内设计温度的变化,工作介质的物性也将随之变化。在实验 的工作温度范围内,随着温度的增加,工作介质的表面张力将会 下降,液体的密度下降,蒸汽的密度上升,液体导热系数上升,气 泡脱离频率也将随之增加,从而使得热管换热器的换热量增 加[8]。同时,实验还表明,随着风量的增加,系统的换热量也呈现 出增大的趋势,这是因为大风量携带更多的热量,而且还有利于 蒸发段翅片管的对流换热[9]。并且当风量从1000m3/h增加到 1600m3/h时,换热量增加了32%左右,而当风量从1600m3/h 增加到2000m3/h时换热量只增加了10%左右。这表明,热管 换热器换热量增加的效果随着风量的增加而逐渐减小,这是因为 随着风量的增加,通过热管蒸发段的风速也将随之增加,单位体 积的风量与蒸发段管壁的换热时间将减小。

3结语

本文采用R22作为工作介质,对如图1所示的环形热管换热 器的换热量进行了实验研究。研究结果表明:1)本实验采用的空 调用环形热管换热器的最佳充液率在70%左右,此时系统的换热 量达到最大,过大或过小的充液率对热管换热器的换热性能都有 不利的影响。2)随着风量的增加,系统的换热量也呈现出增大的 趋势,但其换热量增加的效果随着风量的增加而逐渐减小。

参考文献:

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