蓄热式换热器周期性换热过程的性能分析*清华大学 张海强刘晓华 江 亿摘要 针对暖通空调涉及的周期性换热过程(如相变地板、夜间通风、地埋管换热等)进行分析。
周期性换热过程可视为等效冷源与等效热源之间非同时的换热过程,地板、土壤等中间媒介起蓄能和间接换热的作用。
提出了整个换热过程的热阻分析方法,认为换热量由取热阶段流体与中间媒介表面换热过程、放热阶段流体与中间媒介表面换热过程及中间媒介自身导热过程三方面的热阻决定。
计算得到地板白天蓄热夜间放热过程、夜间通风蓄冷过程、地埋管以年为周期的换热过程中,三部分热阻所占比例,分析了蓄热性能的制约因素,为蓄热式换热系统的设计与优化提供参考。
关键词 周期性换热 蓄热式换热器 热阻 蓄能Performance analysis of periodic heat transfer process of energy storage heat exchangersB y Zhang H aiqiang,L iu X iaohua and J iang YiAbstract A nalyses the per iodic heat tr ansfer pro cesses in HVAC system,including those in the floo r with phase change materials,night ventilation,buried pipe heat exchanger.T he periodic heat transfer pro cess can be regarded as non simultaneous heat tr ansfer process between equivalent co ld so urce and heat source,and the media such as floor and so il play the role o f heat sto rage and indirect heat transfer.Pro poses analysis metho d of the heat resistance fo r the w ho le heat tr ansfer pr ocess,and considers that the amount o f heat exchange is determined by the heat resistance o f thr ee parts,i.e.,the heat abso rption process fro m hot fluid to media sur face,the heat release pr ocess f rom media surf ace to cold fluid,and heat co nduction pro cess within the media.G ives the pro por tions o f the three part resistances in these processes including the daytime heat abso rption and the nig httime heat r elease o f floo r,the v entilation co ol storage in the nighttime,and year ly heat transfer of the bur ied pipe,and analyses the factors restricting ther mal storage per formance,which is helpful for the design and optimization of the energy storage heat ex change sy stem.Keywords per io dic hea t excha ng e,e ne rg y sto r age he at ex changer ,hea t resist ance,ener gy sto r ageTsinghua Univers ity,Beiji ng,China*高等学校全国优秀博士学位论文作者基金资助0 引言建筑节能是目前社会的热点问题。
利用动态换热过程降低建筑空调系统负荷,是有效降低建筑能耗的方法之一。
例如,相变材料在建筑墙体、建筑地板中的应用,夏季夜间通风[1],土壤源热泵等[2]。
如何评价相变材料、夏季夜间通风、土壤源的效果并且指导工程合理设计是目前研究的热点。
李百战等人将相变材料和夜间自然通风结合,通过实验研究发现,相变材料应用于轻质房间,能显著增强围护结构的热惰性,提高室内的热舒适性;采取夜间通风技术可以有效将日间蓄积的热量散至室外[3]。
邸倩倩等人采用热平衡负荷计算软件H TB2模拟北京办公楼夜间通风对室内环境的影响,可节能4%[4]。
殷维等人建立了夜间通风与建筑蓄热的非线性模型,结合实验证明夜间通风的良好冷却效果[5]。
谢晓娜等人采用贝塞尔函数求张海强,男,1987年7月生,硕士研究生100084清华大学建筑技术科学系(010)62773772E mail:zhanghq04@ 收稿日期:2011 01 17解U 形地埋管换热的稳态和正弦波边界下的解析解,可计算给定动态负荷下地埋管换热器内流体温度[6]。
崔萍等人分析了地源热泵系统竖直埋管地热换热器的理论传热模型及解析解,并开发了相关计算软件应用于工程实践中[7]。
目前对于上述动态传热过程的分析主要集中在实验研究、软件模拟分析、传热理论模型数值解及数值模拟等方法上,上述换热过程可等效为以日为周期或者以年为周期的换热过程,本文将采用蓄热式换热器和等效热阻方法对上述动态换热过程进行分析,讨论影响换热效果的主要因素。
1 蓄热式换热器分析方法暖通空调领域的以下换热过程可简化为以日为周期或者以年为周期的周期性换热过程:相变地板(相变墙体等相变材料)白天吸热、夜间放热过程,夏季室内夜间通风蓄冷、白天储热过程,地埋管系统中土壤和管内流体对流换热(夏天蓄热、冬天放热)等过程。
这些过程可理解为两股流体(空气或水)与中间媒介(地板、围护结构、土壤等)的对流换热过程。
图1为此周期性换热过程的示意图,周期长度为P =P 1+P 2。
在吸热阶段(P 1时段),中间媒介与流体1对流换热,中间媒介吸热后温度升高;在放热阶段(P 2时段),中间媒介与流体2对流换热,中间媒介放热后温度降低,完成此周期性的变化过程。
由于中间媒介具有一定的热容(热惯性),因此相比换热流体的温度变化情况,中间媒介的温度变化曲线是波幅减小、周期相同、相位延迟的同类波曲线。
图1 换热流体与中间媒介的对流换热过程图1所示的周期性换热过程的瞬态换热量可由式(1)计算:q( )=h( )A (t f ( )-t s ( ))=c p m [t -s ( )-t -s ( -1)], [0,P ](1)式中 q( )为瞬态换热量;h( )为表面传热系数;A 为换热面积;t f ( )为换热流体温度;t s ( )为中间媒介的表面温度;t -s ( )为中间媒介的平均温度;P 为周期长度;c p 和m 分别为中间媒介的比定压热容和质量。
由于是周期性的变化过程,因而全周期P 的吸热量与放热量相同,P0q( )d =0。
如果表面传热系数不随时间变化,根据式(1)可以得到中间媒介在一个周期内的平均温度t -s 等于换热流体在周期内的平均温度t -f 。
分析此周期内吸热与放热两阶段过程,假定吸热阶段表面传热系数为h P 1,放热阶段表面传热系数为h P 2,吸热阶段与放热阶段的平均换热量分别按照式(2),(3)计算。
其中t -f ,P 1和t -s ,P 1分别为吸热周期P 1阶段内换热流体和中间媒介表面的平均温度,t -f ,P 2和t -s ,P 2分别为放热周期P 2阶段内换热流体和中间媒介表面的平均温度。
q P 1=h P 1A (t -f ,P 1-t -s ,P 1)(2)q P 2=h P 2A (t -f ,P 2-t -s ,P 2)(3)吸热阶段总吸热量Q 1等于放热阶段总放热量Q 2:Q 1=q P 1P 1=Q 2=-q P 2P 2(4)此周期性换热过程如图2所示。
左边描述的图2 中间媒介与换热流体的等效换热通道是中间媒介吸热阶段的换热过程,右边描述的是放热阶段的换热过程。
吸热时,热源t -f ,P 1通过对流换热通道h P 1A 与中间媒介t s 进行换热;放热时,冷源t -f ,P 2通过对流换热通道h P 2A 与中间媒介t s 进行换热,吸收中间媒介在吸热阶段储存的热量。
因此整个换热过程可以等效为热源t -f ,P 1与冷源t -f ,P 2非同时的换热过程,中间媒介起着蓄能和换热载体的作用。
热源与冷源的温差越大,换热量越大;吸热阶段与放热阶段的换热能力越大,换热量越大。
图3给出了上述换热过程中热源温度、冷源温度以及中间媒介表面的温度情况,可以得出结论:1)当 T 2/( T 1+ T 2+ T 3) 0时,整个过程的热阻主要为换热流体与中间媒介对流换热过程的热阻。
提高此换热体系的整体换热性能的关键在于提高h P 1A 和h P 2A 值。
图3 周期性变化过程中的温度情况2)当( T 1+ T 3)/( T 1+ T 2+ T 3) 0时,换热过程主要受中间媒介内部导热性能影响。
提高此换热体系的整体换热性能的重点在于提高中间媒介的性能。
2 热阻分析方法上一章的分析表明,像地板蓄能、夜间通风蓄能等可视为在一个周期内,等效热源与等效冷源之间通过中间媒介的换热过程,即等效为蓄热式换热器。
如图3所示,换热器的换热能力受三部分温差的影响,分别对应流体取热阶段的换热性能、中间媒介的性能、流体放热阶段的换热性能。
只有找到蓄热式换热器性能的主要制约因素,才能有针对性地采取提高其性能的有效措施。
本章将采用热阻分析方法,定量描述蓄热式换热器性能的制约因素。
图4以一维平板为例,给出了中间媒介内部的导热过程。
图4所示模型的热传导控制方程如下:图4 一维平板导热模型t(x , ) =a 2t(x , )2xt(x , )x=0=0 t(x , ) x = =-h[t( , )-t a ( )](5)式中 t a ( )为空气温度, ;t(x , )为平板的温度, ;a 为平板的热扩散率,m 2/s; 为平板的导热系数,W(/m ); 为平板的厚度,m 。
蓄热式换热器整个传递过程(即图2,3所示等效热源与等效冷源之间的换热过程)的热阻R 可以定义为R =t -a ,P 1-t -a ,P 2Q(6)以下分别给出在不同简化条件下蓄热式换热器的热阻并分析性能的制约因素。
![一种蓄热换热一体化蒸汽过热系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/c8f670aa50e79b89680203d8ce2f0066f53364e5.png)
