組合式熱管換熱器在熱泵系統(tǒng)中的試驗(yàn)研究

    1　引言

    熱管換熱器作為一種新型的換熱設(shè)備,在煙氣余熱回收、能量的綜合利用等方面具有獨(dú)特的性能。分離式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)是可以靈活布置,可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距 離的熱量傳輸;受傳熱極限的制約較少,可實(shí)現(xiàn)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(shí)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(nèi)的蒸汽處于飽和狀態(tài),飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度,飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小,溫降亦很小。

    本文充分利用分離式熱管換熱器的優(yōu)勢(shì)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(tǒng)中,回收效率很高, 同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的能效也很高;但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)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(jié)合試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)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(tǒng)就是采用生活濁水作為低溫?zé)嵩?以達(dá)到廢熱回收的目的。系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

    本系統(tǒng)中廢熱回收部分采用新型熱管廢熱回收蒸發(fā)器。熱管廢熱回收蒸發(fā)器與一般的熱管換熱器相同,由蒸發(fā)側(cè)和冷凝側(cè)兩部分組成。為了保證蒸發(fā)端的低 濁污水不會(huì)泄露污染冷凝端(由于只有蒸發(fā)端接觸污水,即使蒸發(fā)端有污水泄露,只會(huì)污染到熱管工質(zhì),而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生影響),同時(shí)也為了方便清洗,選管 殼式換熱器作為熱管的蒸發(fā)端換熱器,板式換熱器為其冷凝端換熱器。根據(jù)換熱器設(shè)計(jì)法則,管式換熱器中污水走管程,制冷劑走殼程。



    3　試驗(yàn)結(jié)果

    本文以熱泵的冷凝溫度40℃(運(yùn)行穩(wěn)定時(shí))分析試驗(yàn)結(jié)果:相同的污水進(jìn)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(diào)節(jié)污水流量最大為0. 75 m3/h,最小為0. 2m3/h),試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2中 可以看出相同的污水進(jìn)口溫度(29℃),上升管蒸汽隨流量的增大而增大,同時(shí)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(lái)越大。

           

           

    用測(cè)得的上升管的壓力計(jì)算R22蒸汽的飽和溫度,結(jié)果如圖3所示。在相同的蒸汽壓力下,上升管實(shí)際飽和蒸汽溫度與理論計(jì)算溫度很接近,這樣說(shuō)明出 現(xiàn)溫差的原因不是由于管殼式換熱器換熱引起過(guò)熱導(dǎo)致,而是由于過(guò)冷引起(主要在組合式熱管冷凝段,也就是熱泵系統(tǒng)的熱管蒸發(fā)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(fā)溫度升高(見(jiàn)圖2),所 以壓力升高。同時(shí)可以看到上升管蒸汽壓力與下降管液體壓力差值很小,說(shuō)明引起上下降管溫差不是由于在分離式熱管內(nèi)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(fā)器出口制冷劑有很大的過(guò)熱度,說(shuō)明熱管蒸發(fā)器內(nèi)熱泵工質(zhì)與熱管工質(zhì)的換熱量很大,同時(shí)是隨著流量的增大而增大。

               

    結(jié)合以上試驗(yàn)結(jié)果,可以初步認(rèn)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(nèi),熱管工質(zhì)的過(guò)度換熱,導(dǎo)致過(guò)冷而引起。

    4　經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式和結(jié)果的理論分析

    根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以知道,在板式換熱器內(nèi)工質(zhì)是逆流,存在三種形式的換熱,如圖6所示,區(qū)為熱管中的過(guò)冷液體與熱泵蒸發(fā)器內(nèi)兩相工質(zhì)進(jìn)行換熱,既是 單相與沸騰換熱, 2區(qū)為熱管中兩相區(qū)的飽和工質(zhì)與熱泵蒸發(fā)器內(nèi)兩相工質(zhì)進(jìn)行換熱,既是凝結(jié)與沸騰換熱, 3區(qū)為熱管中的兩相工質(zhì)與熱泵蒸發(fā)器內(nèi)的過(guò)熱工 質(zhì)進(jìn)行換熱,既是凝結(jié)與過(guò)熱換熱。

    4. 1　板式熱管蒸發(fā)器的換熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

    過(guò)冷區(qū)液態(tài)制冷劑黏度變化較大,雷諾數(shù)處于2000~10000范圍內(nèi),換熱系數(shù)計(jì)算按下式

               

               

    從圖7中可以看到,隨著流量的增大, 1區(qū)和3區(qū)傳熱系數(shù)都在增大,但是2區(qū)換熱系數(shù)同時(shí)在緩慢減小;同時(shí)對(duì)照?qǐng)D8可以看到, 1區(qū)的換熱面積在 漸漸減少,而2區(qū)和3區(qū)的換熱面積在增大(詳細(xì)數(shù)據(jù)可以參看表1),其中3區(qū)的換熱面積增大得很明顯,說(shuō)明熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器中過(guò)熱面積隨著流量的增大而增 大,對(duì)照?qǐng)D7,此區(qū)的傳熱系數(shù)也在增大,這就說(shuō)明了過(guò)熱區(qū)換熱量在增大,這與試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖5)的過(guò)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(guò)冷液體在板式換熱器中高度越來(lái)越小,這是由于過(guò)冷液體與兩相工質(zhì)換熱面積在減小(見(jiàn)圖8),引起高度 的降低,這直接導(dǎo)致過(guò)冷液體所提供壓力的減小,從圖10中可以看出來(lái)。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(shí)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(shuō)明了是由于下降管出口的壓力大于下降管進(jìn)口的壓力,導(dǎo)致熱管工質(zhì)不能順暢流下來(lái),導(dǎo)致滯留在冷凝 段,過(guò)度換熱,引起溫度下降至過(guò)冷;還說(shuō)明了前面的初步想法是合理的。



    我們?cè)谠囼?yàn)臺(tái)上做了少許改動(dòng),在下降管出口增加了測(cè)壓口,在相同的工況下,測(cè)試了下降管出口處的壓力,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,可以看到與理論計(jì)算結(jié)果誤差很小,這進(jìn)一步說(shuō)明了上面的理論分析是合理的。

                 

    進(jìn)一步分析試驗(yàn)和理論結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著污水流量的增大,下降管的壓力降在減少,說(shuō)明污水流量增大,導(dǎo)致熱管工質(zhì)壓力增大,質(zhì)量流量增大,流速也增大,同時(shí)工質(zhì)的密度在下降,根據(jù)流體在管道內(nèi)流動(dòng)壓降計(jì)算公式[5]　Δp=ρghw

                

    式中:V-工質(zhì)的流動(dòng)速度,m/s;l-管道長(zhǎng)度,md-管道直徑,m。

    局部阻力包括閥門(mén)的阻力,截面突然擴(kuò)大阻力,直角匯流阻力,折管阻力以及彎頭阻力等,在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中,在分離式熱管換熱器下降管管路中包括3個(gè)直角彎頭, 1個(gè)折管彎頭, 1個(gè)閥,下降管出口的截面突然擴(kuò)大以及管路的沿程阻力。

    根據(jù)公式計(jì)算,結(jié)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(duì)照表2說(shuō)明總壓降在下降。

    5　小結(jié)

    本文主要對(duì)組合式熱管換熱器進(jìn)行了試驗(yàn)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(wèn)題。通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果和理論分析可得到

    (1)組合式熱管換熱器在相同污水進(jìn)口溫度時(shí),污水流量越大,熱管工質(zhì)蒸發(fā)溫度與壓力越大換熱量也增大,同時(shí)熱泵系統(tǒng)工質(zhì)過(guò)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(dǎo)致熱管冷凝段中的冷凝液不能順暢流下來(lái),滯留在板式換熱器內(nèi),進(jìn)一步換熱,熱泵工質(zhì)的過(guò)熱度增加,引起熱管工質(zhì)過(guò)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(shí)冷凝液在板式換熱器的換熱面積在下降,在板式換熱器內(nèi)內(nèi)的滯留高度降低。

    綜合以上分析,說(shuō)明在試驗(yàn)中調(diào)節(jié)污水流量對(duì)組合式熱管換熱器影響很大,污水流量不能太小,否則會(huì)影響換熱,同時(shí)壓降增大;下降管阻力引起的壓力損 失增大,會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有的下降管高度不足以彌補(bǔ)此損失,迫使熱管工質(zhì)滯留,增加下降管的壓頭,使熱管工質(zhì)能夠順利流動(dòng)。雖然這樣熱管工質(zhì)過(guò)冷會(huì)使熱泵工質(zhì)過(guò)熱 度增加,但是根據(jù)能量平衡原理,這犧牲了更多了污水的能量,降低了系統(tǒng)的能效系數(shù);同時(shí)也可以看出在本試驗(yàn)臺(tái)中組合式熱管換熱器下降管部分仍然需改進(jìn):管 徑需增大,同時(shí)需要盡量減少下降管的彎頭和閥門(mén)等,以減少圧力損失而引起的能量損失。