英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
空气——水多通道热管式换热器性能的实验与理论研究
Hussam Jouhara, Sulaiman Almahmoud, Daniel Brough, Valentin Guichet,Bertrand Delpech, Amisha Chauhan, Lujean Ahmad, Nicolas Serey
关键词:热管换热器、多通道、雷诺数、LMTD、效能-NTU
摘要：本文从理论上对多通道热管式换热器（HPHE）的性能进行了研究。热管系统由特定的交错配置的铜热管组成，以促进热量从热气体（空气）传输到水流，从而冷却这些热管的冷凝器部分。雷诺数对传热率的影响是通过结合不同的折流板并改变水流率来改变同一系统的蒸发器段的通道数来研究的。实验结果突出了换热器性能与雷诺数之间的强相关性。通过将通道数从1个增加到5个，HPHE的效率提高了25％以上。事实证明，增加通道数会增加流体的雷诺数，从而获得更高的传热系数和更低的热对流阻力。通过两个理论模型对HPHE的整体性能以及流体的出口温度进行了预测对数平均温差（LMTD）方法和有效单位数（ε-NTU）方法的比较。将预测结果与实验结果和所报告模型的准确性进行了比较。验证表明，开发的LMTD模型可预测HPHE的性能在plusmn;15.5％的误差内。相比之下，ε-NTU模型以19％的最大误差预测了总效率，并且能够以plusmn;0.7 ℃的精度预测空气和水流的出口温度。发表的研究对于热管换热器在废热回收中的应用具有重要意义。最后，文章还提供有关可用预测模型的准确性的知识。
1 介绍
能源密集型工业（EIIs）面临的主要挑战是高温过程中会浪费大量的热能。对于公司而言，高温废气的排放显然是资金亏损，并且是提高竞争力的绊脚石。根据石油价格波动、一些国家对化石燃料的高度依赖以及工业界对全球变暖的认识日益提高等现代经济问题，创新型热回收系统正被开发以通过对环境友好的解决方案来降低制造成本。对于EIIs，利用位于废气流中的换热器来回收废热是一种很有前途的解决方案[1]。然而，由于排气成分的原因，传统技术中的流交叉污染或结垢的风险很高。由于这些原因，基于热管的换热器（HPHE）的安装在整个工业领域变得越来越普遍，因为它们在分离热流和冷流的同时提供了很高的热回收性能，从而消除了污染散热器的风险。
HPHE已在许多领域进行了测试，例如供暖，通风和空调装置[2]，医院的热回收[3]，陶瓷窑[4e7]，钢铁工业[5,8,9]，燃烧器，锅炉以及预热器[10]，光伏热系统[11]，数据中心冷却[12]，金属锻造，汽车和核能应用[13]，蓄热[14]，市政废物处理[15]等。HPHE的成功还可以通过与热管有关的主要优势来解释。事实上，就相同的传热速率来说，热管技术可通过优化管的尺寸和长度来减小换热器的尺寸，同时对维护的需求最少，并且令使用寿命延长二十多年[16]。例如，几根热管的故障对换热器整体的热性能影响很小。这种装置的适用范围也因有效热传递所需的热流和冷流之间的温差很小而得到提高。Jouhara [17]通过将环绕式热管集成到传统的除湿和通风单元中来评估节能和成本节约。环绕式热管技术应用在中型中央单元的成本回收期不到一年。此外，由于利用热源和散热器之间的两相传热，热管可被视为超导体。 Jouhara和Robinson [18]在高达420℃的工作温度下使用Dowtherm A和ThermonolVP1对热虹吸管进行了实验研究。所研究的热管的有效导热系数高达20 。
HPHE的性能取决于几个因素，例如换热器的类型和几何形状，流动方向，热交换面积，热流和冷流的质量流量和温度[19,20]。此外，由雷诺数描述的流体状态在传热中起着重要作用。众所周知，更多的湍流会增大强制对流换热系数。但是，对于给定的雷诺数增加量，有关不同流量条件下换热器性能相应增加的信息在文献中的可用性有限。为了在恒定流速下调节流体的雷诺数，一种机械解决方案是引入折流板以改变换热器中的流体通过次数。通过减小流动面积，雷诺数和湍流增加。多项研究证明了改变通过次数对给定系统性能的影响。Ramos等人[21]和Mroue等人[22]在数值和实验上分别研究了类似空气—水热管式换热器在单通道和双通道时的性能。这两个实验是在相同的条件下进行的，例如等效的空气和水入口温度和质量流量，唯一的变量是空气的通过次数。实验结果表明，随着空气质量流量和入口温度的增加，换热率增加。然而，在恒定条件下，作者观察到HPHE的效率在增加气流速率时会降低。在单通道和双通道的比较中，双通道的换热速率与换热器总体效率更高。Kim等人[23]使用计算流体动力学对换热器的通过次数进行了优化。作为指标，作者使用了JF因子即柯尔本（j）和摩擦（f）因子的组合，并在传热改善与感应压降之间取得平衡，从而为换热器提出了最佳的通过次数。然而，其数值结果尚未得到实验验证。Rao和Das [24]研究了一种多通道板式换热器并观察到，低通量下流体速度的增加在传热效率方面会适得其反。他们还得出结论，如果传热表面积的增加使得流量分配不合理，那么它在增加传热效率方面是无效的。在这种情况下，似乎流量分配对传热速率的影响大于传热面积。但是，作者没有研究通过次数对传热的影响。除了HPHE的优点外，在该领域还缺乏大量的详细科学研究。尤其是，实验中通道数及相应的雷诺数对HEHP性能的影响几乎没有记载。本文旨在使现有出版物中的知识有所突破。
对于公司和工程师而言，系统性能的预测也很重要，并且需要估算给定安装的投资回报期。对于公司和EII的潜在投资者而言，准确的投资回报预测为了提高对换热器潜在投资的信心至关重要。要计算换热器的性能，通常使用两种技术：对数平均温度差（LMTD）方法和有效性-传递单位数（ε -NTU）方法[25]。这两种方法具有不同的目的并相互补充。传统上，LMTD方法着重于表征换热器的整体性能。通过迭代，可以通过使用换热器的入口和出口温度来确定性能。热源和散热器，同时考虑换热器的类型及其几何形状。此方法可以评估换热器的尺寸和传热本质上讲，这在设计中更有用，但在不知道热管热阻的情况下无法预测出口温度。另一方面，ε-NTU方法旨在在不知道的情况下预测流体的性能和出口温度。在这种情况下，换热器的几何形状是固定的，用户的目标是预测热源和散热器流的排气温度。即使这些方法得到了广泛使用，但对于不同类型的换热器的准确性的指示仍然是有价值的。特别是，需要对HPHE的具体情况进行更彻底的研究。
目前已经进行了一些使用LMTD和ε-NTU方法评估换热器性能的研究，并在文献中有所记载。Danielewicz等人[26]研究了基于空气-空气两相封闭式热虹吸管的换热器的性能。使用基于ε-NTU方法的工具预测HPHE的整体传热系数和有效性，但尚未公布其准确性。观察到的HPHE交换器的最大效率为60％。Jouhara等人[27]从理论上和实验上研究了当改变系统的气流速率和倾斜角度时空气—空气型HPHE的表现。在HEHP的评估应用中，ε-NTU的预测值与实验数据非常吻合。Brough等人[28]开发并验证了基于热管的换热器的TRNSYS模型。他们也开发了基于ε-NTU方法的HPHE的TRNSYS组件。与实验结果对比，TRNSYS组件的热回收精度为4.4%。
类似地，Noie等人[29]使用ε-NTU方法估算空对空热虹吸式换热器的性能，公布的系统最大效率为65％，但ε-NTU方法的准确性未详述。在他们的研究中，Ramos等[21]研究了装有6个热虹吸管的空气—水型HPHE的性能，并将实验结果与基于ε-NTU技术的理论模型和计算流体动力学（CFD）仿真进行了比较，即使未评估分析模型的准确性，CFD预测仍显示误差小于15％。当使用类似的系统，并且通过的方式不同时，Mroue等人[22,30]使用LMTD方法预测了HPHE的性能，并将其与CFD模拟。在250℃的空气温度和0.14 的流量下，对于1、2和3通道，获得的有效值分别为17％，27％和37％。华等[31]发表了使用ε-NTU方法的分布式参数模型，以数字方式预测多通道平行流冷凝器的性能。在这种平行流冷凝器的情况下，理论模型与实验之间的一致性误差在plusmn;20％的范围内。据文献记载，有关改变同一换热器内部通道数的影响的文章几乎没有发表过。尤其是，改变多通道HPHE内部的流体雷诺数的研究尚未深入进行。由于LMTD和ε-NTU方法广泛用于预测换热器的性能，因此很少评估这些模型的准确性。此外，由于必须分别研究蒸发器和冷凝器部分，因此在HPHE的情况下需要对这些方法进行调整。本文旨在通过改变通道数对换热器效率的影响来研究通道数对换热器效率的影响。除了实验结果外，还使用了LMTD和ε-NTU方法来预估HPHE的性能。在估算管壳式HPHE的性能时，将讨论这些模型的准确性。
2 方法
2.1 实验装置
研究的HPHE为管壳式，它从热气流中回收热能并传递给水流。选择空气和进水温度的测试参数以模拟从工业过程的热空气排放中回收废热的情况，该废热可重复利用以加热水。研究的HPHE的3D图如图1所示。
为了将热量从热空气传递到水中，以6排错列的方式安装了51条无芯铜热管，也称为两相封闭式热管（TPCT），热管外径为12.7。蒸发器部分是指与热源（空气）接触的表面，而冷凝器部分是指与散热器（水）接触的表面。蒸发器和冷凝器之间的传热区域是已知的。对于所研究的HPHE，蒸发器，绝热段和冷凝器段的长度分别为180 mm，22 mm和79 mm。热管中使用的工作流体为蒸馏水。为了研究通道数对HPHE性能的影响，在同一HPHE中测试了蒸发器中挡板的不同布置。通过并入挡板，通道数从1更改为5，从而增加了气流的雷诺数。蒸发器通过的不同布置如图2所示。
通过通道的空气流道在图3中用红色箭头表示。
图1研究的HPHE的图纸
图2 HPHE蒸发器部分的空气通道安排
对于这一系列的测试，对于每个通道的布置，已经测试了四种水流量（0.010 1,0.013 ，0.017 和0.020 ）。空气流量保持恒定（=29plusmn;7），空气流和水流的入口温度（=102℃plusmn;1，=15℃plusmn;2）也保持恒定。通过反馈控制系统将气流保持在恒定温度下，而水冷却循环是开环的。实验条件总结于表1。
使用K型热电偶测量空气和水的进出口温度以及热管的蒸发器和绝热段温度。两个热电偶用于测量HPHE入口和出口的空气温度，两个热电偶设置在进水口和出水口。在每个空气通道后都安装了一个热电偶，并且在HPHE的热管的蒸发器部分安装了十个热电偶。记录了10根热管的工作温度，根据通道的数量，每个通道有2根或2根以上的热管。两个通道的情况下，每个通道测量五个热管，五个通道的情况下，每个通道测量两个热管。为了测量空气流速，使用了风速计（Omega FMA900系列），同时通过涡轮流量传感器（Omega FTB370系列）测量了水流速。所有传感器都链接到数据记录器（MSI Datascan 7320）。在测试设备中，
HPHE连接到闭环空气热源和开环水散热器。空气回路由用作节气门以控制空气流量的风门，风扇和由PID系统控制的电加热器组成。由于实验室的电源规格，加热器的电功率为3 kW。 PID控制器用于设置换热器入口处的空气温度恒定值。对于开放水回路，流量由水阀控制。试验台、管道和仪表图(Pamp;ID)如图4和图5所示。风扇将空气吹过加热器，加热器将空气加热到100℃的温度设定值，
图3 五通道HPHE空气流通路径
并通过加热器后安装的热电偶进行测量。然后，空气通过HPHE冷却并流经风扇，这样循环往复。闭合回路的空气能够使用一个3kw的加热器将空气加热到100℃，并且比开回路选项的流量更高。
图4. HPHE的测试台
图5：试验台的管道和仪表图（P＆ID）
对于每个实验，空气和水流的雷诺数列于表2中。
由于该实验中空气流通量较高，因此3通道的雷诺数高于5通道。
2.2 热分析
正如简介的那样，在换热器的分析研究中，有两种方法可供使用。LMTD方法用于根据入口和出口处两种流体的温度来表征换热器的性能。该方法通常用于根据所需出口温度确定换热器的尺寸。如果已知换热器的几何形状，则ε-NTU方法还可以预测以传热率表示的HPHE的性能，从而可以确定热源和散热器的出口温度。在本研究中，换热器的设计几何形状是已知的，并且对整体HPHE性能的预测进行了研究。此外，使用ε-NTU方法准确预测出口温度也很重要。
2.2.1 HPHE热阻
LMTD和ε-NTU方法均基于电模拟方法，其中将换热器的热阻视为电阻。图6示出了HPHE的电阻图。
图6 HPHE的电热阻类比
图7热管的两相工作循环及其对应的热阻模型
HPHE由图中并联的热虹吸管组成，其中每个热虹吸管均与蒸发器中的热空气流接触。每个热虹吸管独立工作，并将热量传递到与冷水流接触的冷凝器部分。根据图7的电气类比，可以如下计算HPHE的总热阻[13]：
（1）
其中R为热阻（），下标hp为热管，n为换热器中的热管数量。假设铜热虹吸管的电阻对于所有热虹吸管均相等，则热管换热器的总热阻可表示为：
（2）
为热管的平均电阻（），n为换热器中的热管的数量。从理论上预测热管的平均电阻，必须研究热虹吸管的工作周期。为了将热能从热源传输到散热器，热管利用工作流体的两相循环，在热源所在的位置，热管内部的工作流体沸腾并变成蒸气，因此会携带能量。在管道内的压力梯度的驱动下，蒸汽上升到冷凝器并在冷壁接触区域冷凝。热能被释放到壁上并转移到散热器。最后，冷凝水通过冷凝器返回蒸发器部分。重力作用（热虹吸管）或毛细作用（芯吸热管）。在研究的情况下，使用热虹吸管。根据先前描述的热管内部工作流体的相变循环，热阻类似于热虹吸管的两相循环及其
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[257430]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
