王一平，盧艷華，朱 麗，王 啟，馮 娜

(1. 天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津300072)

當(dāng)前，建筑能耗約占我國社會總能耗的 28%．據(jù)建設(shè)部測算，2020年—2030年左右，我國建筑能耗將占總能耗的 30%～40%，達到歐美目前的比例，超過工業(yè)，成為全社會第一能耗大戶，其中暖通空調(diào)負荷(heating，ventilation and air conditioning，HVAC)約占65%．隨著生活水平的提高，人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)要求越來越高，新風(fēng)負荷已占 HVAC的 30%～40%．利用新風(fēng)與排風(fēng)之間的熱量交換，將新風(fēng)負荷60%～80%的能量回收進入室內(nèi)，可兼顧“能量”與“質(zhì)量”的問題，但目前的熱回收設(shè)備存在交叉污染、成本高、效率低、運行費用高、維護難、操作條件苛刻、體積重量大等問題[1-7]．

從原理上講，整個熱回收過程為氣-氣間壁式換熱，其主要熱阻來源于傳熱板兩側(cè)的空氣滯流邊界層，需要采用強化傳熱技術(shù)來提高換熱設(shè)備性能．振動作為一種主動式強化傳熱方式，根據(jù)振動的強度及系統(tǒng)不同，對自然對流可使其傳熱提高30%～2 000%，對強制對流可使其傳熱提高 20%～400%[8]．流體流動導(dǎo)致?lián)Q熱表面振動，不用任何外加裝置，就可實現(xiàn)傳熱面振動．國內(nèi)外學(xué)者[9-11]進行了流體誘導(dǎo)換熱表面振動強化傳熱的研究，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)，實現(xiàn)了可觀的經(jīng)濟效益．

為了流體誘導(dǎo)振動在建筑中排風(fēng)余熱回收的有效利用及高效傳熱設(shè)備開發(fā)，筆者以聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)薄板為換熱材料，實驗研究了流體低速錯流流過振動平板的傳熱特性．

1 實 驗

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要包括空氣處理系統(tǒng)、平板激振系統(tǒng)和溫度采集系統(tǒng)3部分，如圖1所示．

圖1 實驗裝置流程示意Fig.1 Flow chart of experimental equipment

(1)空氣處理系統(tǒng)．以電熱帶作為加熱元件，通過調(diào)節(jié)變壓器的電壓來改變加熱空氣的溫度，用旁路閥門調(diào)節(jié)風(fēng)量，利用玻璃轉(zhuǎn)子流量計測量流量．

(2)平板激振系統(tǒng)．主要由直流穩(wěn)壓電源、直流電機、偏心轉(zhuǎn)子、曲柄連桿結(jié)構(gòu)組成，如圖 2所示．通過改變電機輸入電壓、轉(zhuǎn)速表測試電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)改變振動頻率；通過改變偏心轉(zhuǎn)子的偏心大小來改變振幅，并用 CCD圖像傳感器記錄實驗過程的振幅進行分析校準．

圖2 振動產(chǎn)生裝置示意Fig.2 Vibration producing equipment

(3)溫度采集系統(tǒng)．采用OMEGA生產(chǎn)的TT-J36型 2×0.127,mm 0.1精度等級的熱電偶作為采溫元件，在冷、熱風(fēng)進口及出口設(shè)置測溫點，將各個測溫點的熱電偶與昌暉公司生產(chǎn)的SWP系列多路巡檢顯示控制儀(采集卡)相連，形成 RS485網(wǎng)絡(luò)，再通過RS232-RS485轉(zhuǎn)換器接到計算機的串口，利用組態(tài)軟件構(gòu)成實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)可通過 EXCEL查詢，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面如圖3所示．

圖3 實驗數(shù)據(jù)采集界面Fig.3 Interface of experimental data collection system

1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

實驗測量的主要參數(shù)有進冷熱空氣的進出口溫度、流量、傳熱平板的振幅和頻率，通過自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將實驗數(shù)據(jù)輸入計算機．待實驗工況達到穩(wěn)定后，開始采集數(shù)據(jù)．

傳熱量的計算式為

式中：Qh、Qc為熱、冷風(fēng)側(cè)傳熱量，W；mh、mc為熱側(cè)、冷側(cè)風(fēng)量，kg/s；cph、cpc為熱、冷側(cè)空氣的定壓比熱；thi、tho為熱側(cè)進、出口溫度，℃；tci、tco為冷側(cè)進、出口溫度，℃．

傳熱效率定義為η＝(實際顯熱回收量/最大可能的顯熱回收熱量)×100%．當(dāng)送風(fēng)量相同時，忽略流體物性變化，以熱空氣為基礎(chǔ)，則

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 溫差對傳熱的影響

冷熱空氣流量為2.3,m3/h時，不同振動頻率下冷熱空氣進口溫差對換熱效率的影響如圖4所示．

圖4 不同振動頻率下?lián)Q熱效率隨溫差的變化曲線Fig.4 Variations of heat transfer efficiency with temperature difference under various vibration frequencies

從圖 4可以看出：在其他條件相同的情況下，平板振動與不振動相比，換熱效率都是隨著溫差的增加減少的．當(dāng)不振動的時候，換熱效率是隨溫差線性下降的；有振動時，效率隨溫差的變化曲線近似呈拋物線，且隨著振動頻率的增加，變化的趨勢趨平緩．表明有振動時換熱效率受溫差的影響小，而不振動時換熱效率受溫差的影響較大．

另外，從圖4還可以看出振動頻率對換熱效率的影響存在臨界點，臨界點的溫差范圍為 16～18,℃，當(dāng)溫差小于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈反比，即同一溫差下，振動頻率越高，換熱效率越低；當(dāng)溫差大于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈正比．其原因?qū)⑼ㄟ^數(shù)值模擬的手段對實驗工況下板間的速度場、溫度場做進一步分析，以期得到振動頻率對換熱效率的影響機理．

2.2 風(fēng)量對傳熱的影響

以冷熱空氣進口溫差保持在 21.0,℃、風(fēng)量保持在 1.7,m3/h為例，研究在不同振動頻率下風(fēng)速對效率的影響，如圖5所示．

圖5 不同振動頻率下風(fēng)速對換熱效率的影響Fig.5 Effect of speed of air flow on heat transfer efficiency under various vibration frequencies

從圖 5中可以看出，板在振動與不振動的情況下，其換熱效率都隨著板間風(fēng)速的增加而減少，這是由于停留時間減少、換熱不充分導(dǎo)致的．在流速增加、換熱效率減少的總體趨勢下，傳熱效果在振動的情況下優(yōu)于不振動時．以振動頻率 40.1,r/s時的傳熱效果最好，其次是20.9,r/s和5.2,r/s．

2.3 振動頻率對傳熱的影響

在平板振幅為 0.24,mm、風(fēng)量為 2.0,m3/h、冷熱風(fēng)進口溫差為 20.7,℃的工況下，得到了不同振動頻率的換熱效率的測量結(jié)果，如圖6所示．

從圖 6可以看到，當(dāng)換熱板產(chǎn)生振動時，其換熱效果優(yōu)于不振時，且換熱效率隨著振動頻率的增加而增加．分析原因如下：換熱板的振動使得換熱板表面附近的流體流動邊界層發(fā)生擾動，進而導(dǎo)致熱邊界層的擾動，傳熱效果得到改善；頻率增大時，換熱板的振動響應(yīng)加快，從而使得換熱板表面的流體流動邊界層及熱邊界層擾動更加充分，使得傳熱效果增強．

圖6 振動頻率與換熱效率的關(guān)系Fig.6 Relationship between vibration frequency and heat transfer efficiency

2.4 振幅對傳熱的影響

以換熱板振動頻率為 40.1,r/s、空氣流量 2.3,m3/h為例，研究不同溫差下?lián)Q熱效率與振幅的變化趨勢，如圖7所示．

圖7 換熱效率在不同的溫差下隨振幅的變化Fig.7 Variatios of heat transfer efficiency with vibration amplitude under various temperature differences

從圖 7可以看到，隨著振幅的增大，換熱效率有所增加，換熱得到明顯改善．主要原因是由于換熱板的周期性振動，換熱通道形狀發(fā)生周期性變化，使得通道內(nèi)流體速度場發(fā)生周期性擾動，進而影響到溫度場的變化，使得傳熱得到改善；隨著幅度的增加，換熱通道的形狀變化增加，通道內(nèi)流體速度場及溫度場的變化幅度增加，從而使得傳熱效果增加．

3 結(jié) 論

(1)換熱效率均隨著溫差的增加而減少，傳熱板不振動時傳熱效率呈線性變化，有振動時，效率變化曲線近似呈拋物線，且隨著振動頻率的增加，變化的趨勢趨平緩；振動頻率對換熱效率的影響存在臨界點，臨界點的溫差范圍為 16～18,℃，當(dāng)溫差小于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈反比，當(dāng)溫差大于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈正比．

(2)換熱效率隨著流量的增加而減少，傳熱效果在振動的情況下明顯優(yōu)于不振動時．

(3)隨著換熱板振幅和頻率的增加，傳熱效果得到改善，振動振幅對傳熱的影響較大，換熱效率最大增加18.1%．

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