振動平板的傳熱性能實驗

王一平，盧艷華，朱 麗，王 啟，馮 娜

(1. 天津大學化工學院，天津 300072；2. 天津大學建筑學院，天津300072)

當前，建筑能耗約占我國社會總能耗的 28%．據建設部測算，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，成為全社會第一能耗大戶，其中暖通空調負荷(heating，ventilation and air conditioning，HVAC)約占65%．隨著生活水平的提高，人們對室內空氣品質要求越來越高，新風負荷已占 HVAC的 30%～40%．利用新風與排風之間的熱量交換，將新風負荷60%～80%的能量回收進入室內，可兼顧“能量”與“質量”的問題，但目前的熱回收設備存在交叉污染、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的空氣滯流邊界層，需要采用強化傳熱技術來提高換熱設備性能．振動作為一種主動式強化傳熱方式，根據振動的強度及系統不同，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]．流體流動導致換熱表面振動，不用任何外加裝置，就可實現傳熱面振動．國內外學者[9-11]進行了流體誘導換熱表面振動強化傳熱的研究，并應用于實際生產，實現了可觀的經濟效益．

為了流體誘導振動在建筑中排風余熱回收的有效利用及高效傳熱設備開發，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

實驗系統主要包括空氣處理系統、平板激振系統和溫度采集系統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．以電熱帶作為加熱元件，通過調節變壓器的電壓來改變加熱空氣的溫度，用旁路閥門調節風量，利用玻璃轉子流量計測量流量．

(2)平板激振系統．主要由直流穩壓電源、直流電機、偏心轉子、曲柄連桿結構組成，如圖 2所示．通過改變電機輸入電壓、轉速表測試電機轉速，實現改變振動頻率；通過改變偏心轉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 振動產生裝置示意Fig.2 Vibration producing equipment

(3)溫度采集系統．采用OMEGA生產的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、熱風進口及出口設置測溫點，將各個測溫點的熱電偶與昌暉公司生產的SWP系列多路巡檢顯示控制儀(采集卡)相連，形成 RS485網絡，再通過RS232-RS485轉換器接到計算機的串口，利用組態軟件構成實時數據采集系統，數據可通過 EXCEL查詢，數據采集系統界面如圖3所示．

圖3 實驗數據采集界面Fig.3 Interface of experimental data collection system

1.2 實驗數據處理

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

傳熱量的計算式為

式中：Qh、Qc為熱、冷風側傳熱量，W；mh、mc為熱側、冷側風量，kg/s；cph、cpc為熱、冷側空氣的定壓比熱；thi、tho為熱側進、出口溫度，℃；tci、tco為冷側進、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%．當送風量相同時，忽略流體物性變化，以熱空氣為基礎，則

2 實驗結果與討論

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 不同振動頻率下換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；當溫差大于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈正比．其原因將通過數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 風量對傳熱的影響

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

圖5 不同振動頻率下風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速的增加而減少，這是由于停留時間減少、換熱不充分導致的．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、風量為 2.0,m3/h、冷熱風進口溫差為 20.7,℃的工況下，得到了不同振動頻率的換熱效率的測量結果，如圖6所示．

從圖 6可以看到，當換熱板產生振動時，其換熱效果優于不振時，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生擾動，進而導致熱邊界層的擾動，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，研究不同溫差下換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，換熱通道形狀發生周期性變化，使得通道內流體速度場發生周期性擾動，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 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,℃，當溫差小于臨界點時，換熱效率與振動頻率呈反比，當溫差大于臨界點時，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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