088 非同态双热源复合式换热器的研制.doc

非同态双热源复合式换热器的研制刘基金项目：河南省重点科技攻关项目（072102240013），河南省基础与前沿技术研究计划项目（082300460150）作者简介：刘 寅(1974)，男，博士，讲师，主要研究方向为空调节能技术、热泵技术，E-mail：。 寅1,2，周光辉1，李安桂2，张 超1，冯士伟1（1.中原工学院 郑州 450007；2.西安建筑科技大学 西安 710055）摘要：设计了一种由管翅式换热器和套管式换热器复合而成的气液非同态双源复合式换热器，该换热器可以实现一种介质同时与气态热源和液态热源进行同步复合换热。本文对该换热器进行了详细的介绍，并对其复合换热特性及该换热器在复合热源热泵中应用时的制热工况进行了的性能测试。研究结果证明，使用该非同态双源复合式换热器的热泵，气液双热源模式与单空气热源模式相比，制热量和COP均有明显提高，低温时性能提高更为显著。当空气温度为-15时，制热量及系统COP提高50%以上。关键词：双热源；换热器；热泵；热特性换热器是一种使得两种或多种过程流体之间能够进行热交换的传热设备，是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、轻工等行业的一种通用设备1。换热器的种类繁多，按其传热面的形状和结构进行分类可分为管型，板型，延伸表面换热器和其他型式换热器。管型换热器包括蛇管式换热器、套管式换热器、管壳式换热器。板型换热器包括螺旋板式换热器、板式换热器、板壳式换热器。延伸表面换热器包括管翅式、板翅式等2。在众多类型的换热器结构中，管型换热器和管翅式是广泛应用于制冷空调领域的换热设备。按传热方式可以分为间接接触式换热器和直接接触式换热器，上述的换热器多为间接接触式换热器，直接接触式换热器主要形式是冷却塔。在过去的几十年，随着能量种类的不断增加和设备系统的不断改进，换热器的开发和应用得到了快速的发展。但是，目前广泛使用的间接式换热器只能实现两种物质之间的换热，不能实现一种物质与另外两种互不接触的物质之间的换热。如果需要三种物质之间的换热，或者是一种物质与另外两种互不接触的物质之间的换热，就需要两个或两个以上的换热器，但仍不能够很好的实现它们之间的同时换热。1 换热器设计当前，空调设备已经成为全球生产和生活不可缺少的设备，被广泛应用于各个领域。随着空调的广泛应用，空调的高能耗逐渐被人们所关注，有资料显示，生活用空调能耗已经占到社会总能耗的20%以上，且有逐年上升的趋势3，空调系统节能已经成为空调设备及系统设计的研究重点。以太阳能、地能、废热为热源的空调系统成为空调系统研究和应用新的方向，甚至还出现了以多种能源为热源的复合热源式空调系统。为了实现多种热源在空调系统中的应用，通常在空调系统中的热源侧安装多个不同形式的换热器4，以实现对不用种类热源的利用，这就造成了空调系统设备增加，占地增大，系统复杂等相关问题。如果能够将复合热源式空调系统使用的多个换热器设计成一个可以与多热源多个热源进行换热的复合式换热器，将可以最大限度的解决上述问题。空调系统通常采用管翅式换热器以空气为热源进行工作或采用套管式换热器以液态热源进行工作，因此，能够同时实现套管式换热器和管翅式换热器功能的复合式换热器是复合热源式空调系统最佳的选择。套管式换热器由一根管子内套装一根或多根管子组成，构成内管内和内管与外管之间的两种介质通道，每一种通道分别流动一种介质，两种介质通过内管管壁进行换热。在以液态物质为热源的空调系统中，主要采用套管式换热器。管翅式是在换热管外部安装翅片，可扩大换热面表面积并促进流体的扰动减小传热热阻，有效地增大传热系数，从而增加传热量，实现管内物质与管外气态热源的充分换热2，广泛应用于以空气为热源的空调系统中。非同态双源复合式换热器根据管翅式和套管式换热器的特点，以管翅式换热器为基础，通过在管翅式换热器的换热管内部穿装另外一根换热管组成，如图1所示。可以实现制冷剂与液态热源和气态热源的同步换热。1.液态热源通道；2.制冷剂通道；3.空气通道；4.翅片；5. 外套管；6. 内套管图 1 气液双源复合式换热器原理图由图1可知，复合式换热器由翅片、外套管和内套管组成，构成液态热源通道、制冷剂通道和空气通道。当用于复合热源空调系统中，根据使用需求，可以实现三种不同的热源供热模式：(1) 单独以空气为热源：关闭液态热源通道，开启翅片前风机，制冷剂只吸收空气热量，复合热源空调系统单独以空气为热源进行工作。(2) 单独以液态热源为热源：打开液态热源通道，关闭翅片前风机，制冷剂只吸收液态热源热量，复合热源空调系统单独以液态热源为热源进行工作。(3) 同时以空气和液态热源为热源：打开液态热源通道，开启翅片前风机，制冷剂同时收空气也液态热源热量，复合热源空调系统同时以空气和液态热源为热源进行工作。2 性能测试作为新型的复合换热设备，非同态双热源复合换热器用于复合热源空调系统时，如单独以空气或单独以液态热源为热源进行工作时，与单独采用管翅式或套管式换热器无本质区别，但当同时以空气或单独以液态热源为热源进行工作时，需要合理的选择两种热源的温差，即两种热源之间的温差不能高于“双热源最大有效复合换热温差”，否则将导致两种热源之间通过制冷剂的间接传热，导致热源的热量损失。“双热源最大有效复合换热温差”为两种热源同时向复合空调系统提供热时允许存在的最大温度差值。当两种热源的温差小于最大有效复合换热温差值时，复合空调系统的制冷剂温度将低于（高于）两种热源的温度，两种热源将同时向复合空调系统提供热量；当两种热源的温差超过最大有效复合换热温差值时，此时复合空调系统的制冷剂温度将介于两种热源的温度之间，高温热源在为复合空调系统提供热量的同时，高、低温热源之间将通过制冷剂产生间接的热传递，导致热源的热损失。为了充分地掌握复合式换热器的性能特性，构建了复合热源空调试验台，进行了制热工况下“双热源最大有效复合换热温差”及系统制热量的测试。试验台由压缩机，非同态双热源复合式换热器，用户侧换热器，节流阀，风机，水箱，循环水泵，阀门和相关管路构成，如图2所示。系统制热量1匹。复合式换热器由铜管和亲水铝箔制成。外管径为15.6mm，内管径为9.52mm，翅片由0.2mm厚亲水铝箔制成，为强化传热，采用波纹式翅片5。本试验在空气侧迎风面设计风速2.5m/s6的情况下，结合不同的空气侧温度，对管内液态热源在0.2/m3，0.4/m3，0.6/m3三种流量下进行了实验研究，以确定系统进行热泵工作时的“双热源最大有效复合换热温差”。并在液态热源流量为0.6/m3时，选择不同的空气热源温度进行了复合热源空调制热性能测试。为防止低温工作时结冰，液态热源选用33.6%的乙二醇水溶液。图 2 试验系统图3 测试结果分析图3为最大有效复合换热温差随液态热源流量和空气源温度工况变化的规律曲线。图3 最大有效复合换热温差随乙二醇流量和空气源温度工况变化由图3可知，随空气温度的不同，乙二醇流量为0.2m3/s时，最大有效复合换热温差为1113；乙二醇流量为0.4m3/s时，最大有效复合换热温差为810；乙二醇流量为0.6m3/s时，最大有效复合换热温差为68。最大有效复合换热温差随乙二醇流量的减小而明显增大，主要是流量减小造成水侧换热效果所致；同时，最大有效复合换热温差随空气温度的升高而略有减小，但影响明显小于乙二醇流量的影响，主要是空气温度升高造成空气比容增大，相固定的风量下导致空气换热量减小所致。因此，在采用复合式换热器的复合热源空调系统设计与运行中，应根据空气源温度合理选择液态热源温度与流量，以保证双热源复合换热的正效应。由图4可以看出，乙二醇温度在“有效复合换热温差”范围内，复合热泵在各种工况下制热量较单一空气热源热泵系统均有明显提高。如选定有效复合换热温差为5时，复合热泵系统在空气温度为2时，制热量较单一空气热源热泵提高35%左右；当冬季室外温度为-15时，复合热泵制热量较单一空气热源热泵提高45%左右。当冬季室外温度为-15时，如用户需要较大供热热量，复合热泵可采用单一乙二醇为热源，在乙二醇为5时，复合热泵制热量即可达到单一空气热源热泵额定制热高温工况下的制热量。由图5可以看出，乙二醇温度在有效复合换热温差范围内，复合热泵在各种工况下能效比较单一空气热源热泵系统均有明显提高。如选定有效复合换热温差为5时，复合热泵系统在空气温度为2时，能效比较单一空气热源热泵提高20%左右；当冬季室外温度为-15时，复合热泵能效比较单一空气热源热泵提高近50%。当冬季室外温度为-15时，如用户需要较大供热热量，复合热泵可采用单一乙二醇为热源，如设定乙二醇为5，复合热泵制热量在达到单一空气热源热泵额定制热高温工况制热量的情况下，制热效率较-15运行的单一空气源热泵可提高1倍以上。图4 复合热泵与单空气热源热泵制热量比较 图5 能效比随工况变化4 结论非同态双热源复合换热器实现了三种物质在同一换热器中的同步复合换热。该换热器应用于复合热源空调中，在有效复合换热温差范围内，可有效的实现对气态热源和液态热源的同时利用，提升空气源热泵冬季的制热性能，同时简化了系统组成，降低了系统投资，并减小了设备占地面积。该换热器还可广泛应用于一种液态物质和另一种液态物质及气态物质同时换热的环境。参考文献：1 T Kuppan. Heat Exchanger Design HandbookM. Boca Raton,USA: CRC Press, 20002 钱颂文. 换热器设计手册M. 北京: 化学工业出版社, 20023 清华大学建筑节能研究中心. 中国建筑节能年度发展研究报告2007M. 北京: 中国建筑工业出版社, 20074 阳季春，季杰，裴刚，等. 间接膨胀式太阳能多功能热泵供热实验J. 中国科学技术大学学报, 2007,37(1): 53-605 Wang C. C. Effects of Waffle Height