振荡热管换热器中的水、甲醇和二元流体实验研究对冷却盘管的换热能力提高效果的影响

工程科学与技术，国际期刊23（2020）357完整文章水、甲醇和二元流体在振荡热管换热器中的实验研究安华艾哈迈德·巴拉克·艾哈迈德Saleh，Zainab H.纳吉伊拉克巴格达技术大学机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年5月13日修订2019年5月16日接受在线预订2019年保留字：热回收节能脉动热管混合工质A B S T R A C T实验研究了振荡热管换热器作为空调系统的热回收装置，对提高冷却盘管的换热能力的效果工作流体为水、甲醇和水/甲醇二元流体，填充率为50%。采用振荡热管换热器可以提高冷却盘管的制冷能力，对甲醇、二元和水的制冷能力分别提高25%、21%和17%。对于水、二元和甲醇，最大总节能分别为1645 W、1849 W和1932W。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍热回收系统是空气到空气热交换器的类型，其在许多应用中被认为是显热废热回收，如住宅、商业和工业。例如，这种热回收系统可以是焓轮、固定板式热交换器、热管热交换器和振荡热管热回收蒸发器[1]。振荡热管（OHP）的闭环结构由一个长的毛细管（通道）组成，该毛细管（通道）通过一个热接收和排热点蜿蜒成多个转弯[2]。 管内径必须足够小（0.1 mm-5 mm）以确保毛细作用条件，毛细作用条件导致由于表面张力性质而形成液塞和蒸气气泡，并且蒸气和液体区域保持分离。如果一端OHP被加热（蒸发器部分）另一端冷却（冷凝段）时，在OHP中观察到工质的脉动现象和振荡流动。蒸发段的蒸发和冷凝段的冷凝的反复过程将产生非平衡压力区域和振荡运动的工作流体循环。因此，OHP具有高效的传热过程。OHP需要在蒸发器部分处的热源来提供克服工作流体的蒸发潜热所需的热量，并且需要在冷凝器部分处的热沉来排出热量[3]。OHP部分通过填充量化的工作流体填充*通讯作者。电子邮件地址：anwar. yahoo.com（A.S. Barrak）。由Karabuk大学负责进行同行审查比例为50%。低动态粘度、低表面张力、有助于气泡快速生成和破裂的低潜热以及高比热是工作流体的最重要特性。此外，工作流体应具有以下性质：（dP/dT）sat的高值，因此对于Te的小变化，将在所产生的气泡内产生大的对应Psat这有助于装置的气泡泵送作用[4]。在空调系统中，为了在炎热潮湿的天气条件下验证舒适性条件，进气的除湿（或所谓的除湿）是最重要的程序[5]。因此，进气温度在加热、通风和空调（HVAC）系统的冷却盘管中被冷却潮湿的空气释放出从系统中排出的水分，从而降低了室内的湿度。空气可以通过冷却盘管[6]进行冷却和除湿。在这种情况下，离开冷却盘管的潮湿空气通常相对湿度太高，温度太低，不能直接用于占用空间，因此感觉到不舒适的条件此外，占用空间和低速管道中的高相对湿度（70%以上）会导致威胁公共健康，霉菌，霉菌等。因此，强烈建议将送风湿度保持在70%以下，以实现良好的室内热舒适性和空气质量，并降低感染疾病的风险[7]。为了解决这一问题并在传统的空调系统中实现设计空气条件热管换热器的重要功能之一是提高传热效率，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.05.0102215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch358A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）357传统空调系统的容量。除湿原理可以在实验中用作空气处理中的热管，以从暖空气中回收热量，从而在供应空气之前对空气进行再加热。当环境热空气通过时，OHP的蒸发器部分可以用作冷却盘管的预冷器，并且用于冷却冷凝器部分的返回空气或冷却盘管的冷空气出口然后由OHP的冷凝器部分再加热到适合于空调空间的温度[8]。文献[9]以液氮为工质，研究了低温环境下卧式OHP的传热和传热能力。蒸发器的热输入从20.5W变化到380W。结果表明，OHP的运行可分为非稳态、瞬态和新稳态3个区域，当输入热负荷从（22.5-321.8）W增加时，热阻从（0.256[10]使用振荡热管（OHP）来提高热交换器的传热速率毛细管OHP连接在热交换器的管子上，以扩大热交换器的外部服务区域，而不是金属丝。甲醇、R123和丙酮液体用作工作流体。进气温度25 ℃，流量0.5-1.5kg/s，进水温度45℃~85℃。结果表明，与传统的丝-管法相比，采用OHP可以使传热提高10%。参考文献[11]通过使用纯流体（水、甲醇、乙醇和丙酮）和体积比为1：1的二元流体来执行OHP的热阻1：1体积混合。结果表明，丙酮具有较低的热阻。而丙酮/水和甲醇/水二元流体具有较低的热稳定性，比丙酮、甲醇和水更耐腐蚀[12]研究了OHP效应中插入翅片的情况。在铜管补焊的OHP结构中，经历了8次翅片化和无翅片化。直径为1 mm的铜线用作散热片，仅沿冷凝器部分插入，散热片之间的距离相等以甲醇和乙醇为工质结果表明，甲醇的热阻比乙醇低，插入翅片结构的性能比无翅片结构的而[13]研究了带止回阀的振荡热管换热器（OHPHX/CV）降低干燥器系统中空气湿度的有效性管的交错排列、R134a和实验工作有几个操作。在他们的工作中使用了各种条件。结果表明，在较低风速下，提高入口温度，提高风速，提高温度，以及在较低风速下提高最高温度，均有利于提高CLOHP/CV效率。湿度也从范围（89-100）%降低到范围（54-72）%。此外，[14]在干燥室中使用OHPHX/CV，止回阀数量与转数之比为0.2。以水为工质，充液率为50%，在不同工况下进行了实验研究。结果表明，OHPHX/CV在任何风速下都可节约热能56.66%，节约对分体式空调系统中带止回阀的振荡热管换热器进行了研究。结果表明，采用OHPHX止回阀后，系统节能3.6%，性能系数COP为带止回阀的系统将比不带止回阀的系统高14.9%[15]。将振荡热管换热器作为热回收装置应用于暖通空调系统中。 使用内径为1.65 mm的10圈OHP管[16]。对空的OHP和部分填充有正戊烷（填充率为70体积%）的OHP进行了测试。蒸发器部分在45 °C的温度下加热，冷凝器部分在6 °C下冷却，恒定体积比为0.19m3/s。结果表明，理论值、填充正戊烷和空OHP的有效性分别为0.064、0.05和0.02。而OHP能够回收高达240 W的热量根据文献资料，没有足够的资料，使用OHP换热器（OHPHX）作为热回收装置在空调系统中，因此，本研究进行。本研究旨在将OHPHX应用于空调系统中，通过蒸发器段的预冷和冷凝器段的再热负荷来强化OHPHX的制冷过程，提高空调系统的节能效果，并考察了纯工质（水和甲醇）和二元工质（水/甲醇体积比为50：50%的混合工质）对OHPHX系统性能的影响。2. 实验设置这 项 工 作 所 需 的 实 验 装 置 是 设 计 和 制 造 的 典 型 HVAC 系 统 ，OHPHX，以及所有必要的设备和仪器，如图1所示。图1.一、HVAC系统示意图A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）357359该钻机设计和操作具有不同的配置，以满足所有要求，以评估增强的水平。如图2所示，实验装置包括离心变速风扇、加热器、加湿器装置、8排OHPHX、DX盘管（2 kW冷却能力）和互连管道系统。实验中采用离心风机以不同的风速送风，加热器系统和加湿器作为室外热湿空气源将保持的热空气状态通过OHPHX蒸发器抽吸。7匝闭环OHP的设计和制造如图所示。3.第三章。OHP由铜管制成，蒸发器、冷凝器和绝热段的长度分别为300、300和210 mm。图二. 实验装置很好OHP的内径为3.5 mm，外径为4.7 mm。OHP的工作流体取决于一些重要的性质，如流体的能力，以产生一个大的相应的Psat为一个小的变化，在成核气泡内的Te。此外，低动态粘度、较低表面张力、低潜热（有助于快速气泡成核和塌陷）和高比热是有用的流体性质[17]。实验中采用了三种工质：蒸馏水、甲醇、甲醇与水的混合液（体积比50：50），二元流体混合物的使用，因为到目前为止，二元流体混合物用作OHPHX的工作流体还没有得到充分的研究。流体的导热系数可以被增强，从而导致被动地增强对流换热。绕第一排中的管的流动类似于绕单个管的流动，但是在随后的排中的流动模式是不同的。如图4所示，OHP的管被布置为交错配置。在交错的银行，流动是可比的流动在弯曲的渠道周期性收敛和发散的横截面。内排最小横截面的速度分布主要由节距比[9]决定。横向节距（ST）、纵向（轴向）节距（SL）和对角节距（SD）分别为15、15和16.8mm绝热部分通过两块板与OHP的蒸发器和冷凝器部分分隔开，并且绝热部分与蒸发器和冷凝器部分一样采用玻璃纤维绝缘材料进行良好绝缘，在OHPHX上增加金属丝翅片，为冷凝器部分提供额外的表面积，这增加了传热速率，OHPHX的效率将得到提高。沿蒸发器和冷凝器部分在翅片上添加铜线（直径1 mm），翅片之间的距离相等。管道工程用玻璃纤维绝缘，冷凝器截面 300mm绝 热 截面 210mm蒸发器截面300 mm图三.振荡热管换热器。360A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）357一一一一CC一m：101-一一：¼冷凝器部分空气见图4。热交换器管的交错布置。T3h3回风排气T2，h2蒸发器部分图五. 气流图。回风口T4，h4T1中的 空气 ，h150 mm厚，以最大限度地减少从管道到周围环境的热损失。实验过程包括以下步骤：如图1所示，固定系统的各个部分，选择工作流体类型（水、甲醇和二元流体），选择所需的初始空气温度条件，如送风速度（0.5 m/s、1 m/s和1.5 m/s）、入口空气干球温度（DBT）（35、40、45和50）C以及不同的相对湿度（RH）值（10、20和30）%。请注意，所有数据均在30分钟后记录，以确保系统达到稳态。通过一组校准的热电偶探针（K型）测量空气温度，所述热电偶探针定位在管道中以测量入口新鲜空气、蒸发器入口空气、蒸发器出口空气、冷却盘管出口空气、冷凝器入口空气和冷凝器出口空气的空气温度，并且通过温度数据记录器记录信号。离心式变速风扇用于产生通过管道系统并穿过热交换器的气流，其速度可控范围为0.5-2.5 m/s。用于提供所需空调的加热器和加湿器装置。空气流的湿度和速度通过数字式相对湿度计和热线风速计，± 3%RH和±0.2 m/s精度。3. 理论背景OHPHX的蒸发器部分用于在热新鲜空气通过冷却盘管之前对其进行预冷却，而冷凝器部分则将热量排出以（再加热）气流。这将提高传统系统的冷却和制冷能力，见图1。 五、热力学过程（如图6所示）可以用下面的方程[18，19]来解释：线1-2Qeva¼m：10h1-h210h1线2-见图6。常规量表与OHPHX量表的心理测量学比较。h1是进入OHPHX蒸发器段的新鲜空气的焓h2为OHPHXh3是从冷却盘管排出的冷却空气的焓h4是从OHPHX的冷凝器部分排出的冷却空气的焓显热增益与总热增益的比率可以定义为SHR。该显热比描述了在确定OHPHX在节能和增强可再生性方面的能力方面最相关的常规系统的显热比方程为：SHR感热m：Cp13<$T1-T3<$TCp13T1-T34Q1/4m：10h2-10h3-10h2hConv：¼总热量 ¼h hhh线3-在OHPHX的稠密段，空气将被重新加热到T4OHPHX的冷却盘管显热比为Qconl/m：10h3-h410h3h哪里SHROPHX¼ m：Cp23T2-T31小时1-3小时Cp23<$T2-T3<$h1-h 3ð5Þ3Þ1-3A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）35736180¼其中，W1、W2和W3分别是在环境下、从蒸发器部分排出和从冷却盘管位置排出Cp是干燥空气组分在T1和T3时的比热[kJ/kgK]，T是干球温度，W是湿度比（单位：kg水/kg空气），hg是在干球温度T时饱和水蒸气的比焓[kJ/kg水]。4. 误差分析均方根法是热环境工程数据分析中常用的误差分析方法之一。传递到蒸发器部分的热量和从热管换热器的冷凝器部分提取的热量的计算是不确定性的主要来源与蒸发器和冷凝器截面值（SQeva和SQcon）计算相关的不确定性传播参考[20]。908070605040302035 40 45 50Inlet DBT（oC）水二元甲醇SQS.ffiffiffiffi ffiSffi ffiðffiTffiffiffi ffi—ffiffiTffiffiffi ffiÞffi ffiΣffiffi ffi2ffiffiffiffiffiffiffi ffi.ffiffiffiffiSffiffiffiðffiuffiffiÞffiffiΣffiffiffi2ffiffiev aQev a哪里12T1- T2uevað6Þ图7.第一次会议。在SHR的 OHPHX中使用不同工作液的比较100ST-TqS2S2ð7ÞSQS.ffiffiffiffi ffiSffi ffiðffiTffiffiffi ffi—ffiffiTffiffiffi ffiÞffiffiΣffiffi ffi2ffiffiffiffiffiffiffi ffi.ffiffiffiffiSffiffiffiðffiuffiffiÞffiffiΣffiffiffi2ffiffi60conQcon43T4- T3阿努孔ð8Þ40ST-TqS2S2434T3ð9ÞS（T1-T2）和S（T4-T3）分别是与（T1-T2）和（T4-T3）相关的误差由于平方根法误差传递的影响，OHP蒸发段和冷凝段传热的最大误差分别5. 结果和讨论5.1. 除湿增强从显热比的定义出发，SHR可以作为冷却盘管冷却能力提高的一个判据。 实验结果描述了常规系统（SHR conv. （1 -3）和显热比的HVAC系统与OHP换热器（SHR OHPHX）的过程（2-3）在图。六、图7显示了在HVAC系统中使用OHPHX时，使用不同工质对显热比的影响的比较。 实验结果表明，随着进气干球温度（DBT）的升高，SHR OHPHX降低，在进气温度为50 °C、相对湿度为20%时，甲醇、二元工质和水工质的OHPHX降低率分别达到41%、39%和38%。换句话说，实验结果表明，入口温度的升高导致HVAC系统的除湿能力增加。进气干球温度（DBT）对水分的影响010080604020035 40 45 50Inlet DBT（oC）SHRconv.关于OHPHX见图8。SHR转化率与SHROHPHX比较。35 40 45 50Inlet DBT（oC）移除过程可以在图1和图2中找到。 八比十从这些SHRconv中可以清楚地看出。关于OHPHX指出OHPHX入口空气温度的升高蒸发器导致SHR值降低。在入口空气温度50 °C和相对湿度20%下，对于所有工作流体测试，SHR的下降可以是30%入口相对湿度对SHR OHPHX的影响如图1A和1B所示。11-13，观察到SHR OHPHX值降低。换句话说，当入口相对湿度较大时，冷却盘管的冷却能力见图9。SHR转化率与SHROHPHX组比较。增加了进入OHPHX蒸发器段的热空气SHR OHPHX值的降低是因为OHPHX蒸发段入口温度相等，相对湿度值越高，焓SHR %SHR %%SHTOHPHX¼12T1T220362A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）357100908070605040302010035 40 45 50Inlet DBT（oC）10080604020035 40 45 50Inlet DBT（oC）SHRconv.关于OHPHX图10个。 SHR转化率与SHROHPHX比较。相对湿度10%相对湿度20%相对湿度30%图13岁进口空气相对湿度对二元流体诱导SHROHPHX的影响10080604020035 40 45 50Inlet DBT（oC）相对湿度10%相对湿度20%相对湿度30%10080604020035 40 45 50Inlet DBT（oC）相对湿度10%相对湿度20%相对湿度30%见图11。进气相对湿度对水处理SHROHPHX10080604020035 40 45 50Inlet DBT（oC）相对湿度10%相对湿度20%相对湿度30%见图12。进气相对湿度对甲醇致SHROHPHX通过OHPHX的蒸发器段的压降（h1因此，这里的冷却系统使用冷却能力的重要部分来从通过的空气中去除水分（除湿过程），而不是显冷。图14显示，常规系统的SHR计算在较低组合图14. 进气相对湿度对SHR转化率的影响。通过使用水。在相同的空气速度下，所有测试的最低温度（35 °C和RH 10%）。因此，没有显着提高的冷却盘管的制冷能力，因为当冷却系统在这种条件下运行时，冷却盘管使用其显冷的冷却能力的大部分。尽管如此，与进气温度相比，进气相对湿度对SHR的影响通过比较两种条件下的SHR曲线，可以看出空气湿度的降低。而SHROHPHX则表明，甲醇、二元和水分别使冷却盘管的除湿能力提高了25%、20%和17%5.2. 节能效果采用OHPHX作为回收系统的重要性在于它能够在预冷热空气和再热过冷空气两个过程中提供自由能。从实验结果来看，系统的节能主要由预冷热（Qev）和再热（Qcon）两部分组成。所以节省的总能量可以用这两项能量的总和来表示。图图15-17示出了在不同的入口空气干球温度（DBT）和恒定速度下，通过在OHPHX中使用水、二元和甲醇作为工作流体节省的总能量之间的比较。新风温度的升高会导致OHPHX蒸发段吸收和排出的总能量增加冷凝器部分。对于水、二元和甲醇，节省的总能量的最大值分别为1645 W、1849 W和1932 WSHRccSHROHPHX%SHR%%SHRCONV.SHROHPHX%%A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）35736312001000800600400200035 40 4550Inlet DBT（oC）水二元甲醇在50 °C和1.5m/s下，而对于水、二元和甲醇流体，在35 °C和0.5m/s下的最小值分别为237 W、292 W和359 W。结果表明，总节能量随着风速的增加而增加，因为风速的增加会导致传热量的增加，从而导致空气侧传热系数的提高。在所有情况下，与甲醇相比，水的节能值较低这是由于工质的汽化潜热等性质对工质在OHP中的运动有很大的影响，进而影响传热率。甲醇具有比水更低的沸腾温度、更低的汽化潜热和更低的表面张力当表面张力降低时，蒸汽泡倾向于形成较小的气泡而不是长的蒸汽塞，因为较小的气泡比长的气泡具有较低的蒸汽质量。这使得浮力更大，蒸汽塞可以从蒸发器流向位于OHP图15.在0.5 m/s空气流量下使用不同工质对总节能的影响。1600140012001000800600400200035 40 45 50Inlet DBT（oC）随着持续时间的缩短，这将导致传热速率的增加当将甲醇添加到水中用作二元流体时，这些较低的值可以提高约14%。改变OHPHX蒸发段入口新风干球温度（DBT）对节能的影响不同相对湿度下，18比20这些无花果-1400120010008006004002000水二元甲醇图16.在1 m/s空气流量下使用不同工质对总节能的影响。30 35 40 45 50Inlet DBT（oC）10% 20% 30%2500200015001000500035 40 4550Inlet DBT（oC）图18.进口空气相对湿度对蒸发器以2 m/s风量用水节能的影响。1000800600400200035 40 45 50Inlet DBT（oC）水二元甲醇图17.在1.5 m/s空气流量下使用不同工质对总节能的影响。10% 20% 30%图19.进口空气相对湿度对甲醇在2 m/s空气流量下蒸发器节能的影响。Qev+Qcon（W）Qev + Qcon（W）Qev + Qcon（W）Qev（W）Qev（W）364A.S. Barrak等人/工程科学与技术，国际期刊23（2020）35712001000800600400200035 40 45 50Inlet DBT（oC）10% 20% 30%[2] S. Khandekar，M. 周文 清 ， 周 文 清 。J. 温度Sci. 43（2004）13-20。[3] S. Khandekar，N.多林格湾Groll，了解闭环脉动热管的操作制度：实验研究，应用。Eng.23（6）（2003）707-719。[4] M. Groll，S. Khandekar，脉动热管：热管科学中的挑战和尚未解决的问题，在：第三届多相系统传输现象国际会议论文集，波兰凯尔采，2002年，35-[5] Y.H.邱，热管热交换器在热带气候下HVAC系统中的应用，基线性能特性研究，国际。 J. 温度Sci. 46（2007）164-1714。[6] K.S. 翁，回顾热管换热器的增强制冷和冷却空调系统，国际。 低碳技术 11（2016）416-423。[7] J.W. Wan，J.L.Zhang，W.M.张，热管式空气处理盘管对中央空调系统能耗的影响，能源建设。39（2007）1035-1040。[8] Y.H. Yau，M.艾哈哈迈德，水平热管换热器在热带地区空调系统中的应用综述，应用。 温度30（2010）77-84。[9] A.J.Jiao，H.B. Maa，J.K. Critser，低温实验研究图20.进口空气相对湿度对蒸发器在2 m/s风量下采用二元流体节能的影响。结果表明，对于所有工质，蒸发段的传热率随进气温度的升高而增大。此外，在低相对湿度水平下空气温度的增加略好于相同温度但在较高RH下的空气温度的增加（即，热带气候条件）。6. 结论振荡热管是一种高效的传热装置。OHP热交换器可用作HVAC系统中的热回收装置，与传统方法相比，其优点在于可以通过相当长的距离通过小的横截面积回收大量的热量，并且是推荐用于炎热和潮湿气候的高效热回收装置。实验结果表明，采用OHP热回收换热器可以提高空调系统的除湿处理能力，对甲醇、二元和水的除湿处理能力分别提高25%、该装置对水、二元和甲醇三种流体的最大总节能值分别为1645W、1849 W和1932 W。水加甲醇可提高水的利用率，节能14%左右.引用[1] K.W. Roth，D. Westphalan，J. 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