组合式热管换热器在热泵系统中的试验研究

    1　引言

    热管换热器作为一种新型的换热设备,在烟气余热回收、能量的综合利用等方面具有独特的性能。分离式换热器的主要优点是可以灵活布置,可实现较远距 离的热量传输;受传热极限的制约较少,可实现更高的热流密度的传输;冷热源完全隔离,不存在相互污染,同时分离式热管换热器具有热管基本特性:等温性,因 为热管腔内的蒸汽处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,温降亦很小。

    本文充分利用分离式热管换热器的优势和原理,将它改成一种组合式热管换热器,作为污水废热回收换热器用在生活浊水余热热泵系统中,回收效率很高, 同时整个系统的能效也很高;但是在试验中发现了上升管和下降管温差很大,与分离式热管换热器特性不符合。所以,本文结合试验分析了引起传热温差的原因,其 中着重研究了组合式热管换热器冷凝段板式换热器的传热性能。

    2　试验系统和试验方法

    集中浴室或家用浴室排出的浴室废水成为生活浊水的主要部分,这部分废水平均温度在25℃左右,热回收潜力很大。本文的余热回收热泵系统就是采用生活浊水作为低温热源,以达到废热回收的目的。系统流程图见图1。

    本系统中废热回收部分采用新型热管废热回收蒸发器。热管废热回收蒸发器与一般的热管换热器相同,由蒸发侧和冷凝侧两部分组成。为了保证蒸发端的低 浊污水不会泄露污染冷凝端(由于只有蒸发端接触污水,即使蒸发端有污水泄露,只会污染到热管工质,而对整个系统不会产生影响),同时也为了方便清洗,选管 壳式换热器作为热管的蒸发端换热器,板式换热器为其冷凝端换热器。根据换热器设计法则,管式换热器中污水走管程,制冷剂走壳程。



    3　试验结果

    本文以热泵的冷凝温度40℃(运行稳定时)分析试验结果:相同的污水进口温度(29℃)、不同的污水流量下(0. 2m3/h, 0. 4m3 /h, 0. 65m3/h,0. 75m3/h)(调节污水流量最大为0. 75 m3/h,最小为0. 2m3/h),试验结果如图2所示。从图2中 可以看出相同的污水进口温度(29℃),上升管蒸汽随流量的增大而增大,同时上升管和下降管温差随着污水流量的变大温差也变得越来越大。

           

           

    用测得的上升管的压力计算R22蒸汽的饱和温度,结果如图3所示。在相同的蒸汽压力下,上升管实际饱和蒸汽温度与理论计算温度很接近,这样说明出 现温差的原因不是由于管壳式换热器换热引起过热导致,而是由于过冷引起(主要在组合式热管冷凝段,也就是热泵系统的热管蒸发器部分)。

    如图4所示,上升管蒸汽和下降管压力随着污水流量的变大也变得越大,压力上升是由于污水流量变大、换热量变大、制冷剂蒸发温度升高(见图2),所 以压力升高。同时可以看到上升管蒸汽压力与下降管液体压力差值很小,说明引起上下降管温差不是由于在分离式热管内制冷剂在冷凝段的板式换热器中的换热压降 引起的。如图5所示,热泵中蒸发器出口制冷剂有很大的过热度,说明热管蒸发器内热泵工质与热管工质的换热量很大,同时是随着流量的增大而增大。

               

    结合以上试验结果,可以初步认定引起上升管蒸汽和下降管液体温差较大的原因,是由于制冷剂滞留在板式换热器内,热管工质的过度换热,导致过冷而引起。

    4　经验关联式和结果的理论分析

    根据试验结果可以知道,在板式换热器内工质是逆流,存在三种形式的换热,如图6所示,区为热管中的过冷液体与热泵蒸发器内两相工质进行换热,既是 单相与沸腾换热, 2区为热管中两相区的饱和工质与热泵蒸发器内两相工质进行换热,既是凝结与沸腾换热, 3区为热管中的两相工质与热泵蒸发器内的过热工 质进行换热,既是凝结与过热换热。

    4. 1　板式热管蒸发器的换热经验关联式

    过冷区液态制冷剂黏度变化较大,雷诺数处于2000~10000范围内,换热系数计算按下式

               

               

    从图7中可以看到,随着流量的增大, 1区和3区传热系数都在增大,但是2区换热系数同时在缓慢减小;同时对照图8可以看到, 1区的换热面积在 渐渐减少,而2区和3区的换热面积在增大(详细数据可以参看表1),其中3区的换热面积增大得很明显,说明热泵工质在蒸发器中过热面积随着流量的增大而增 大,对照图7,此区的传热系数也在增大,这就说明了过热区换热量在增大,这与试验结果(见图5)的过热度随着流量变大而变大是一致的。

               

    从图9中可以看到,随着流量的增大,滞留的过冷液体在板式换热器中高度越来越小,这是由于过冷液体与两相工质换热面积在减小(见图8),引起高度 的降低,这直接导致过冷液体所提供压力的减小,从图10中可以看出来。图10中还可以看到,下降管提供的总压力也是随着流量的增大而减小的,同时看表2, 可以看到下降管出口处的压力比下降管中部的压力大。这就说明了是由于下降管出口的压力大于下降管进口的压力,导致热管工质不能顺畅流下来,导致滞留在冷凝 段,过度换热,引起温度下降至过冷;还说明了前面的初步想法是合理的。



    我们在试验台上做了少许改动,在下降管出口增加了测压口,在相同的工况下,测试了下降管出口处的压力,试验数据见表2,可以看到与理论计算结果误差很小,这进一步说明了上面的理论分析是合理的。

                 

    进一步分析试验和理论结果,发现随着污水流量的增大,下降管的压力降在减少,说明污水流量增大,导致热管工质压力增大,质量流量增大,流速也增大,同时工质的密度在下降,根据流体在管道内流动压降计算公式[5]　Δp=ρghw

                

    式中:V-工质的流动速度,m/s;l-管道长度,md-管道直径,m。

    局部阻力包括阀门的阻力,截面突然扩大阻力,直角汇流阻力,折管阻力以及弯头阻力等,在本实验台中,在分离式热管换热器下降管管路中包括3个直角弯头, 1个折管弯头, 1个阀,下降管出口的截面突然扩大以及管路的沿程阻力。

    根据公式计算,结果如图11所示,随着污水流量的增大,沿程阻力在上升,但是局部阻力在下降对照表2说明总压降在下降。

    5　小结

    本文主要对组合式热管换热器进行了试验研究,解决了热管中上升管饱和蒸汽与下降管液体的温差问题。通过分析试验结果和理论分析可得到

    (1)组合式热管换热器在相同污水进口温度时,污水流量越大,热管工质蒸发温度与压力越大换热量也增大,同时热泵系统工质过热度也增大;

    (2)组合式热管中下降管出口压力大于下降管中部压力,导致热管冷凝段中的冷凝液不能顺畅流下来,滞留在板式换热器内,进一步换热,热泵工质的过热度增加,引起热管工质过冷;

    (3)随着污水流量的增加,下降管的沿程阻力在上升,局部阻力在下降,但总压降在下降;同时冷凝液在板式换热器的换热面积在下降,在板式换热器内内的滞留高度降低。

    综合以上分析,说明在试验中调节污水流量对组合式热管换热器影响很大,污水流量不能太小,否则会影响换热,同时压降增大;下降管阻力引起的压力损 失增大,会导致现有的下降管高度不足以弥补此损失,迫使热管工质滞留,增加下降管的压头,使热管工质能够顺利流动。虽然这样热管工质过冷会使热泵工质过热 度增加,但是根据能量平衡原理,这牺牲了更多了污水的能量,降低了系统的能效系数;同时也可以看出在本试验台中组合式热管换热器下降管部分仍然需改进:管 径需增大,同时需要尽量减少下降管的弯头和阀门等,以减少圧力损失而引起的能量损失。