热管实验报告

《空气热回收测试实验》实验报告指导老师:学生:学号:日期:北京工业大学建筑工程学院建筑环境与设备工程系一、实验背景随着社会的进步和人民生活水平的提高，建筑能耗已超过一次能源消耗的四分之一，采暖和空调能耗占到了50%以上。由于空调系统能耗所占比例较大，也就同时具备了较大的节能潜力。新风负荷占空调总负荷的20%~30%，采用热回收装置，回收排风的能量，对于减小建筑能耗是非常有必要的。二、实验目的学生分别对模拟冬夏两季的空气热回收实验进行分析比较，增强对热回收技术的整体认识、对热回收技术的基础理论和设计方法立即，初步掌握空气热回收装置的工作原理和一般设计过程，加强学生的工程实践，拓宽学生的知识面，提高学生的创新设计能力与动手实践能力。三、实验装置测点分布4.5.61.2.310.11.127.8.9本实验装置的主要部件由新风模块(水系统、管式换热器、风机、风道)、排风模块(水系统、管式换热器、风机、风道)、直流电测点分布4.5.61.2.310.11.127.8.9图1实验装置与测点分布四、实验步骤根据设计标准，室内最小新风量是30m3/(h·人)，针对2~5个人的新风量对换热器进行了测试。具体实验步骤如下：（1）前期工作：按照所设计的实验系统将实验设备连接好，做好准备工作；热管换热器的准备，利用真空泵将热管换热器抽到所需的真空值，并灌入所需的充液量，最后将管口封死；将换热器装入实验台内，启动风机，通过调节直流电源的电压控制风机的转速，从而控制风速，找出所需要的风速对应的直流电源的电压值。测出热管换热器两侧的压力损失；通过风机使风量达到一定值，保持风速恒定；（2）通过调节恒温水浴来控制通过换热器空气的温度，测量新风的温度；（3）调节恒温水浴的温度，测量排风的温度；（4）调整风量，稳定后重复（2）、（3）步骤；（5）实验完成后，拷贝数据，关闭所有实验设备、切断电源，整理实验台。五、实验数据处理效率公式模拟冬季空气热回收实验；；问题数据：测点1.2.34.5.67.8.910.11.12效率温度17.218.0924.3016.6756.3%18.3310.3924.3417.7856.9%19.2712.5024.3718.7557.0%20.0214.1424.3819.5057.4%20.7215.7824.3620.2157.6%重新实验数据：测点1.2.34.5.67.8.910.11.12效率温度17.168.2824.2816.6955.48%18.1010.5324.2117.7055.31%18.2812.1524.0517.0651.56%19.3114.2724.1018.2851.29%20.2816.2024.3519.5650.12%模拟夏季空气热回收实验；测点1、2、34、5、67、8、910、11、12效率温度26.1824.1728.08825.9753.93%27.6224.1930.78827.4550.59%29.1724.2333.79329.0349.77%30.9024.2537.17130.8249.13%32.5224.5140.13932.4948.95%问题数据图新实验图六、实验结果及分析实验结果：（1）模拟冬季的空气热回收实验数据显示，排风温度比送风温度略低，而模拟夏季工况的数据则显示为排风温度比送风温度略高。（2）两实验数据均表现为，效率随室外温度的升高而降低。但不同的是，回收热量的实验效率随温差的增大而增大，但不会一直增大而出现了一个小小的降度；回收冷量的实验效率随温差的增大而减小。（3）温差高于8℃时，冬季工况比夏季工况在同等温差下效率高；温差低于8℃时无实验数据，但依照趋势，有可能会出现冬季工况效率较低的情况。结果分析（1）造成两种工况同种温差下的换热效率不同的原因可能为：虽然温差相等，但热管两侧的绝对温度不同。模拟冬季工况时热管蒸发段空气温度24℃，冷凝段空气温度为8-16℃，而模拟夏季工况则为蒸发段空气温度28-40℃，冷凝段空气温度为24℃。（2）回收冷量的实验，效率随温差增大而下降的原因可能为：制冷剂的蒸发温度在24℃左右，这就造成蒸发段温度高于24℃能够很好的蒸发，而冷凝段换热前的空气温度是24℃，换热后的温度就会升高。这就导致蒸汽不能很好地冷凝，使管内压力增大，蒸发温度随之升高。迫使热管工作状态发生改变，换热量减小，换热效率降低。（3）回收热量的实验中，效率随温差的增大而增大的原因可能为：主要原因还是内部公职的工作状态，温差越大说明冷凝段的空气温度越低，这样就能很好地进行冷凝，相当于改善了热管的工作状态。因此，效率随温差的增大而升高。但不会一直升高。当温差达到一定程度时，会造成蒸发段的温度降低，因此不能很好的蒸发，管内蒸汽压减小，蒸发温度降低。工作状态发生变化。之后换热效率再怎么改变，不能很好的预测。（4）先前回收热量的实验结果出现差错的原因：将实验数据又重新处理了一遍，确实处理过程没有问题。出现这种状况的原因有可能是实验过程中未等温度稳定便进行了测量。或者是因为虽说误差控制在0.5℃以内就可以认为是达到了设定温度，但实际温差接近0.5℃就会造成相对比较大的误差，导致了最终的错误。七、问题思考1、热管的工作原理、构造【1】及特点【2】原理热管是利用密闭管内工作液的蒸发与冷凝来传导热量的。工质具有较大汽化潜热,当管内的液态工质受热蒸发而发生相变,汽态的工质就携带着大量的热量从管内蒸发段迅速上升至管内冷凝段。当冷凝段外管壁流过冷却介质时,管内蒸汽就被冷凝,蒸汽所携带的汽化潜热被释放出来并同时被管外冷却介质带走,完成对管外冷却介质的加热；而管内蒸汽则发生汽——液相变,冷凝水在重力或毛细作用下回流到蒸发段,使管内维持相变循环，如此周而复始。热管内汽液两相流动与传热状况,决定于管内热流密度、工质种类、工质充液量、热管安装倾角以及尺寸等多种因素。构造由于蒸发段液相工质的蒸发是被外部介质加热而实现的,因此,称热管的蒸发段为加热段；冷凝段汽相工质的冷凝则是冷凝部介质冷却而实现的,因此称热管冷凝段为冷却段。图2是热管传热示意图。图2热管示意图图3太阳能收集器特点与常规换热技术相比，热管具有（1）传热效率高；（2）热管管壁温度具有可调性；（3）恒温特性；（4）适应性强；（5）安全可靠；（6）阻力小；（7）单向导热；等。2、热管技术当前的应用【1】【2】热管的应用领域十分广阔,其效率之高与经济效益之明显,则更为人们所瞩1.锅炉尾部余热利用使用热管技术,可将锅炉排放的高温烟气（一般200~250℃）所含余热高效传导至锅炉进风风道,使锅炉进风作为热管冷却段的冷却介质而升温,从而明显地改善燃烧状况,提高锅炉运行的热效率。工业锅炉是我国耗能最多的设备之一,目前我国工业锅炉耗煤量约占全国原煤产量的1/3,而运行效率平均仅60%左右,根据上海在4吨快装锅炉上应用热管的经验,进风风温提高到60℃即可使炉膛温度从1000℃提高到1250℃，灰渣含碳量小于15%，效率提高7%。热管技术在锅炉上应用,可以推广到电站锅炉的空气预热器、水泥厂旋窑的余热利用以及化工工业中的合成塔。2.太阳能应用使用低沸点液体如氟利昂做工质的热管,可以将太阳能高效高速地传导至贮热介质。图3为热管应用在太阳能收集器中的示意图。3.空气调节器及制冷器具使用低沸点工质（水、氟利昂等）的热管可使工质在室温下蒸发、汽化吸热,实现对热管加热段周围空气的降温。其冷却段必须有足够的冷却条件,否则热管内的相变导热循环将不能进行。这可以把热管的冷却段置于室外或箱外,同时采取压缩式制冷方式或吸收式制冷方式对热管冷却段进行冷却,制成所谓室外或箱外蒸发器式制冷器具。热管技术在空调系统热回收、房间空调的除湿、冰蓄冷系统以及汽车空调系统中均有广泛应用。4.散热器热管作为一种高效换热器件可有效地对高温电子元件或高温器械散热。中科院力学所就成功地应用于大功率可控硅散热器的强化散热。美国阿拉斯加冻土地带修筑的高架输油管道与桥梁,往往因深层地表温度升高而造成管道支柱与桥墩的下陷,导致管道或桥梁断裂。工程技术人员将支柱或桥墩整体制成巨大的热管,使地下的热量经密闭在桥墩内的工质传导至地面上并散失到空气中,有效地避免了桥墩或管道支柱的基础下陷。5.食品加工将微型热管的冷却段插入待加热食品,可以从外部通过热管加热向食品内部高效传输热能,可对食品内外进行均匀加热，避免通常传导加热方式造成食品外糊内生的现象，完成食品高质量的烘烤加热。6.医疗技术医学界广泛采用对肿瘤局部加热的方法破坏其组织增生能力并使其逐步萎缩。美国已成功地应用微型热管插入肿瘤使其局部受热,达到治疗的月的。据报道,这种治疗方法的效果比使用激光还要好。3、热管技术应用到办公室和住宅中的可行性我认为，热管技术应用到办公室或者住宅的话，必须考虑（1）美观问题；（2）设备占地问题；（3）安装、清扫及维护问题；（4）设备的寿命问题；（5）设备的换热效率问题；（6）设备的换热形式问题（包括密闭性等）；（7）造价问题；（8）设备噪音；（9）设备的选型；等等。由于目前用于办公室及住宅的空调不与外界发生空气交换，及无新风进入室内。若开窗换气，则必散失屋内的热量（或冷量）。若采用热管换热来回收热量，则必须指定开窗换气的窗口，且考虑到热管的方向问题，须加以风机。由此，则必须考虑窗口的选择问题。包括窗口位置的选择问题，如不能影响室内的采光，也不能在已建好的民宅的墙上打一个大洞等，还需考虑风机配置的功率大小问题，若采用风机会不会出现对流的问题（图4为示意图）。若要避免对流而把进风口与出风口拉开，则必定增大占地面积并且两口之间的管道势必影响美观。并且须考虑是否应该把设备做成有一定绝热设施的问题。关于效率问题，以北京地区为例，夏季最高温度为32℃左右，空调房间室内温度26℃左右，温差为6℃左右，在实验条件下，传热效率为50%左右，能起到一定的热回收作用，但作用不大；冬季室外温度白天取-2℃，室内温度取20℃，温差为22℃，此时传热效率较高，传热量相对客观，但须做好传热过程的绝热。维护问题也包括如果外界湿度大（如南方地区），在降温的同时可能会出现冷凝水，这就得考虑如何将这部分水排除而不会对墙体等造成影响。除上述技术性等因素，家庭用户不会关注是否节能，只关注能不能省钱。如果，所配的风机耗电加上设备初投资以及设备维护这些费用比省下来的一点儿电费贵，或者只便宜一点儿，那么对于一般的家庭而言就不希望安装这样一套设备，增添一些麻烦，虽说尽量不影响美观，但也很难做到让设备像个装饰品那样美观。住惯了的家庭一般会有现在模式挺好，不希望改变的心理。也就是说，要想推行必须有一个非常突出的优点来吸引人。如果国家肯给出政策来扶持此技术就更好了。现在国家发改委和建设部推行的合同能源管理方式来推动节能减排，用户不花钱就能实现节能。也将此项目纳入这种方式进行操作的话，可行性可能会强一些。图4风向示意图总之，总的来说目前状况下应用到办公室及住宅中还有一定的难度。不过，在节能减排的大趋势下，技术问题逐渐得到解决，政策也逐渐导向，不久的将来，应用的前景还是很广阔的。4、热管技术应用目前存在的问题【1】【3】1.寿命问题热管的制造一般要涉及许多重要技术环节,如真空制备、真空密封、工质提纯、管材的表面处理以及工质和管材的相容性处理等,每个工艺环节都会直接影响热管的制造成本和使用寿命。2.效率问题热管的传热效率还有很大提升空间。3.工业技术问题我国在工程领域应用的热管大多技术含量低,短时间很难将实验室成果转变为实际应用，不过目前也已经有了一定的解决办法。主要有以下几点问题。钢——水热管不相容问题工业中大量使用廉价的碳钢——蒸馏水热管,由于钢——水不相容,管壁的铁与水起化学反应产生不凝气体——氢。氢附着在热管冷却段的管壁与蒸汽之间,使冷凝热阻剧增,使热管失效。为避免这种现象发生,可在热管充液之前对管壁进行酸洗与纯化处理,并在工质中添加缓蚀剂,使管壁生成致密的保护膜。也可以在热管冷部段顶部安装密封再生排气阀,在热管制成一年左右以后,利用该阀将热管项部滞留的氢气排放掉,形成热管的在线再生。由于热管内壁会逐步形成保护膜,因此一般在一至二次排氢后就可将阀封死,国外已有热管连续正常运行十年的有关记载。安装倾角问题据试验,既使是重力式热管了也旅非垂直安装才有最高的传热效率。实验表明,安装倾角的重力式热管,其传热效率基本不变。使用工作芯或利用毛细作用实现相变循环的热管,则可以进一步提高传热效率并且可以不受安装倾角的限制。管壁材料与积灰问题大量的工业应用多选择低成本的低碳钢——水热管、为扩大热管的吸热与散热面积,可以用高频焊、焊接或套装的方式在热管外壁安装翅片,其间距一般在左右。由于热管换热器加热段烟气侧逼问可保持在水露点以上,因此安装在排烟风道内的热管加热段管壁与翅片可以避免严重的低温腐蚀与粘结性积灰。至于翅片造成的引风阻力,由于目前锅炉引风功率普遍有余量,因此不会造成大的影响。4.价格问题以目前我国热管生产厂家的价格工业用户是可以接受的。当然,进一步降低生产成本与售价,将会给热管技术的应用提供更为乐观的前景。5、实验收获与建议实验前期准备我们没有参与，实验过程其实只是调节温度点最后拷贝数据的过程。不过，实验进行中老师过来后，跟老师的对话受到很多启发。并且，查询了一些资料，对