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畢業(yè)設計外文翻譯
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專 業(yè)：
翻譯原文： A study on energy saving of cooling/reheating system
using compact heat exchanger
指導教師：
201XX 年3 月 25 日
應用緊湊型熱交換器的制冷/再熱系統(tǒng)節(jié)能的研究
Seong-Yeon Yoo, Jin-Hyuck Kim and Myoung-Seok Jie
摘要：在空調(diào)系統(tǒng)中，當循環(huán)空氣經(jīng)過冷卻盤管時，空氣會被冷卻到過冷狀態(tài)以消除空氣中的水分和降低溫度。然后再將被冷卻的空氣再熱升溫到之前的溫度。本研究目的在于評價在制冷/再熱系統(tǒng)中緊湊型熱交換器對于冷空氣與再熱空氣之間熱量傳遞時節(jié)能效益的影響。我們對系統(tǒng)的熱除濕性能進行實驗性評估，并與模擬數(shù)據(jù)比較。研究結(jié)果顯示，在當前實驗條件下，系統(tǒng)的節(jié)能效率高達50%。并且受到換熱器的迎面風速、進口溫度、進口含濕量和傳熱效率的影響。此外，我們還發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相當吻合。
關鍵詞：制冷/再熱系統(tǒng)；節(jié)能；緊湊型換熱器
1．簡介
為了獲得理想的室內(nèi)空氣溫度和濕度，我們要對潛熱負荷和顯熱負荷都進行約束。在高溫和高濕的條件下，為了保證室內(nèi)的溫度和濕度，傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)通常包括一個過冷的冷卻盤管和一個附加的再熱器。在本研究中，改良的空調(diào)系統(tǒng)使用了緊湊型換熱器，它可以同時節(jié)約制冷量和再熱量。
在空調(diào)系統(tǒng)中，鋁制換熱器被廣泛用于空氣的回熱。但有時也采用非金屬材料制作的換熱器。在這方面，因為塑料具有價格低廉、重量輕、便于加工的優(yōu)點，它可能是最有前途的材料。因此，本研究是測試裝備有塑料換熱器的制冷/再熱系統(tǒng)的性能。
Yoo等人[1,2]開發(fā)并測試了五種不同的塑料（聚丙烯）制成的換熱器原型。測試結(jié)果顯示，在雷諾數(shù)等于2500的情況下，與平板式換熱器相比較，波紋板式換熱器、湍流啟動子板式換熱器以及凹坑板式換熱器的傳熱效率和壓降都各自分別提高43%、14%和33%。最近，凹坑和其他元素的印跡表面已被廣泛的研究。Afansayev等人[3]在早期進行了一項調(diào)查，他們調(diào)查研究了淺凹坑平板式熱交換器對整體熱傳遞和壓降性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱傳遞效率增加顯著（30%-40%），而對應的壓降微乎其微。
Saman和 Alizadeh [4, 5]研究了一個用作減濕/冷卻器的標準交叉流凹坑塑料換熱器的熱除濕性能。結(jié)果顯示，當提高換熱器進口處的溫度和含濕量時，換熱器的熱效率和除濕效率都會提高。
研究人員對空調(diào)系統(tǒng)在不同條件下的相關控制方法進行了大量的研究。Zhang等人[6,7]利用溫度-濕度控制方法來分析建筑物暖氣和通風裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)相對較高的溫度導致溫度-濕度控制系統(tǒng)中的加熱器無法正常運作，設計時應將這問題考慮在內(nèi)；否則當天氣變得溫暖潮濕時，系統(tǒng)將會變的不穩(wěn)定。
Chen等人[8]發(fā)表的關于一個獨立的除濕系統(tǒng)現(xiàn)場測量結(jié)果顯示，即使在一個完全潮濕的天氣條件下，該系統(tǒng)依然能提供一個舒適的室內(nèi)環(huán)境。將獨立的除濕系統(tǒng)和傳統(tǒng)的除濕系統(tǒng)進行比較，我們發(fā)現(xiàn)兩種除濕系統(tǒng)具有相等的功率消耗分配。但是，包含有換熱器的系統(tǒng)在冷源消耗方面可以節(jié)省30%的能量。
Hub等人敘述了他們關于暖通空調(diào)系統(tǒng)最佳操作的研究。這些研究著眼于溫度和濕度的控制。此外，這些年來，他們對暖通空調(diào)系統(tǒng)的除濕性能也進行了許多額外的研究。
最近，Mazzei等人[13]發(fā)表了一篇關于暖通空調(diào)除濕系統(tǒng)熱舒適性的關鍵性論文。
這篇論文提出了一個新型的空調(diào)系統(tǒng)。具體地說，該系統(tǒng)就是一個包含了塑料換熱器的制冷/再熱系統(tǒng)。熱力學建模和性能試驗已經(jīng)完成。實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進行比較。并且，系統(tǒng)的節(jié)能率已經(jīng)考慮在內(nèi)。
2.系統(tǒng)描述和數(shù)學建模
2.1 系統(tǒng)描述
空調(diào)系統(tǒng)模型的工作示意圖如圖1所示。另外系統(tǒng)的焓濕狀況如圖2所示。在這系統(tǒng)中，塑料換熱器的作用是將冷卻盤管和點2之前的高溫潮濕的室外空氣(點1)進行預冷和干燥。隨后，空氣被冷卻盤管完全冷卻和干燥到達點3。然后被冷卻干燥的空氣又回到換熱器中并到達點4。空氣經(jīng)過再熱后就輸入房間內(nèi)。但是，假如再熱器沒能對空氣進行充分加熱，在點5處的輔助加熱器將會啟動使得房間內(nèi)的溫度相對適中。
2.2 模型組成
系統(tǒng)中每一點的能量消耗和空氣狀況都可以通過熱力學方程模擬得出?？諝鉅顩r可以通過參考溫度、相對濕度、含濕量、焓和其他參數(shù)計算得出。
經(jīng)過預冷和干燥的點2處的空氣狀況可以根據(jù)下面方程式(1)、(2)、(3)計算得出。因為換熱器的效率隨空氣流速的變化而變化，如果在點2處空氣的焓低于飽和狀態(tài)下的焓，那么空氣的相對濕度將會達到100%。但是如果未能達到飽和狀態(tài)，點2處的比濕度與點1處的相同。
(1)
(2)
(3)
在典型的制冷/再熱系統(tǒng)中，經(jīng)過冷卻盤管的空氣狀態(tài)可以通過室內(nèi)需求的含濕量來確定。因此，就如方程（4）所示，點3處空氣的含濕量與所需的條件相同。但是，大多數(shù)系統(tǒng)不能完美的維持一個確切的室內(nèi)含濕量；冷卻盤管的效率可以被用來確定空氣的狀態(tài)。此外，根據(jù)飽和水蒸氣曲線，因為空氣的冷卻除濕是通過冷卻盤管來完成的，冷卻盤管的出口相對濕度包括等于100%的情況。
(4)
(5)
(6)
過冷空氣經(jīng)過換熱器后的焓可以利用方程來計算得出，該方程與在之前經(jīng)過換熱器的預冷過程中所提到的方程式類似。此外，因為該過程沒有質(zhì)量傳遞，冷卻盤管進出口處空氣的含濕量是相等的。
(7)
(8)
當換熱器對空氣的再熱不夠充分時，將會通過輔助再熱器將空氣溫度提高到恰當?shù)臄?shù)值。此外，此時空氣的含濕量與經(jīng)過換熱器的空氣的含濕量相等。
(9)
(10)
3.實驗裝置和實驗過程
3.1實驗裝置
制冷/再熱系統(tǒng)實驗裝置的設計構造如圖3所示。它由風機、管道、塑料換熱器、冷卻盤管、電加熱器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中換熱器采用直徑8mm的凹坑和直徑2mm的凹坑交替排列的凹坑式塑料平板換熱器。傳熱面積為160×160mm2，板與板之間有4mm的間隙。
夏天典型的大氣狀況與實驗的條件大體相符。安裝電加熱器是為了糾正空氣的溫度，之后空氣在由丙烯酸塑料制成的混合室里混合均勻后輸入風道里。系統(tǒng)中的冷卻盤管是冰箱中的六列管式的直接蒸發(fā)式盤管。風機和冷卻盤管的性能容量可以通過一個變頻器進行改變。篩眼式空氣加熱器是用來維持一個適當?shù)目諝鉅顩r。
在風機的出口安裝了一個音速噴嘴作為流量計。標準化的T型熱電偶和濕度傳感器被嵌入管壁上，用來測量管內(nèi)的空氣溫度和相對濕度。
3.2實驗過程
實驗大體是在空氣干球溫度28℃、濕球溫度23.5℃的條件下進行的。在此條件下，空氣的相對濕度為68%，含濕量為0.0164㎏/㎏。換熱器的迎面風速設定為2m/s。室內(nèi)所需達到的空氣狀態(tài)設定為溫度19℃、相對濕度50%。冷卻盤管的容量由空氣所需達到的相對濕度確定。另外，為了維持某一特定的狀態(tài)，壓縮機需在一定程度上進行調(diào)整。當空氣在換熱器里再熱不充分時，需要用輔助再熱器來提高空氣的溫度。
4.結(jié)果和討論
圖4顯示的是在不同的空氣流速下系統(tǒng)中的溫度分布情況。在圖例中，Hot In代表點1，Hot Out代表點2，Cold In代表點3，Cold out代表點4和點5（最終狀態(tài)）。根據(jù)前面所提到的數(shù)學模型，當所需的最終室內(nèi)狀態(tài)不變時，冷卻盤管出口的空氣溫度是以最終的室內(nèi)狀態(tài)確定的。在本研究中，當室內(nèi)所提供的空氣狀態(tài)為19℃，相對濕度為50%時，經(jīng)過冷卻盤管的空氣溫度應該始終維持在8℃。但是，因為制冷裝置的壓縮機容量并不能被完全的調(diào)控，所以經(jīng)過冷卻盤管的空氣溫度不能維持在一個恰當?shù)闹?。因此，我們通過增加換熱器的迎風流速來減小換熱器冷熱兩側(cè)的溫度差異。
圖5描述的是隨著空氣流速的增加系統(tǒng)中相對濕度的分布情況。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，空氣經(jīng)過換熱器后的溫度應該低于實驗濕度范圍所對應的飽和溫度。但是，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得知，空氣的相對濕度在90%-95%之間。塑料換熱器的內(nèi)部溫度是不連續(xù)的，在換熱器某一位置的附近顯示不同的溫度分布。因為換熱器所有表面的溫度不能達到冷凝溫度，所以某些空氣后還沒被冷凝就流過了換熱器。這現(xiàn)象可以被看做類似于冷卻盤管的旁路影響。就如圖中所示，空氣經(jīng)過冷卻盤管后的相對濕度低于100%。在本研究所使用的六列纏繞式換熱器中，旁通的空氣流量可以被近似的看做總量的5%。
為了評估系統(tǒng)的性能，我們繪制了圖6來展示系統(tǒng)的熱流量和節(jié)能率。冷卻盤管換熱器和輔助再熱盤管的熱流量可以由以下方程給出。
(11)
(12)
(13)
(14)
此外，換熱器的熱流量與整個系統(tǒng)熱流量的比值可由下面的方程算出。
(15)
隨著空氣流速的增加，換熱器的換熱效率和熱流量都會降低。而換熱器承擔大部分的冷卻量和再熱量。隨著空氣流速的增加，我們必須要增加冷卻盤管的熱流量。因此，如果系統(tǒng)最終的空氣溫度低于所需的條件溫度，我們需要利用輔助再熱器來提高空氣的溫度。并且要逐漸提高輔助再熱量以致與提高的風速相吻合。然而意料之中的是，系統(tǒng)的節(jié)能率也隨著空氣流速的增加而減小：迎面風速為2m/s所對應的系統(tǒng)節(jié)能率大約為39%。因為不能完全的隔熱，而且輔助再熱量低于正確值，所以實驗所測的數(shù)據(jù)稍微低于模擬數(shù)據(jù)。
根據(jù)圖7所顯示的結(jié)果，當空氣經(jīng)過冷卻盤管和換熱器時，熱流量增加。因為經(jīng)過換熱器的熱流量大于經(jīng)過冷卻盤管時的熱流量和再熱時的減少量，所以節(jié)能率從42%降低到38%。值得注意的是，實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相當吻合。
圖8描繪的是入口處空氣的含濕量從0.01㎏/㎏增加到0.018㎏/㎏時，系統(tǒng)的性能變化。隨著入口處空氣濕度的增加，系統(tǒng)的除濕需求也應相應增加。所以，冷卻盤管的熱流量也要相應增加，其出口處的空氣溫度要相應降低。結(jié)果就是，換熱器冷熱表面的溫度差異減小，換熱器的熱流量也降低。此外，節(jié)能率從51%突然降到36%。那么我們可以得出結(jié)論，由塑料換熱器組成的制冷/再熱系統(tǒng)的性能主要受系統(tǒng)入口處空氣含濕量的影響。
圖9顯示的僅僅是在模擬實驗當中，系統(tǒng)在不同傳熱效率的換熱器下的性能。值得注意的是，隨著塑料換熱器傳熱效率的增加，通過冷卻盤管的熱流量減小，而換熱器的熱流量卻會增加。正如我們先前所提到的，因為換熱器承擔了最大份額的制冷和再熱任務。所以，就如圖9所描繪的那樣，高效的換熱器可以使得系統(tǒng)節(jié)約更多的能量。
5.結(jié)論
在本研究中，包含了緊湊型換熱器的制冷/再熱系統(tǒng)在各種不同的條件下，其熱除濕性能是確定的。此外，該系統(tǒng)的節(jié)能率也值得注意。在本實驗條件下，系統(tǒng)的節(jié)能率高達50%。并且，顯然系統(tǒng)的節(jié)能率受換熱器前部迎面風速、入口溫度、入口含濕量以及換熱器效率的影響。當流速增加時，因為換熱器的效率降低，系統(tǒng)的節(jié)能率降低。當入口處空氣溫度升高時，因為換熱器冷熱側(cè)流體的溫度差異增加和對輔助再熱器的需求降低，系統(tǒng)的節(jié)能率增加。當空氣濕度增加時，因為除濕需求增大，系統(tǒng)的節(jié)能率降低。此外，值得注意的是，在模擬實驗中，系統(tǒng)的節(jié)能率受換熱器效率影響。所有這些在三種條件下測得的數(shù)據(jù)都與模擬數(shù)據(jù)相當一致。
感謝
由韓國政府商貿(mào)能源部實施的區(qū)域改革性研究生提升項目給予了本研究部分支持。
命名法
：比熱容
：節(jié)能率
：焓
：質(zhì)量流量
：換熱器冷側(cè)的熱流量
：冷卻盤管的熱流量
：換熱器熱側(cè)的熱流量
：再熱裝置的熱流量
W
：含濕量
希臘符號
：效率
：相對濕度
參考文獻：
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Seong-Yeon Yoo received his B.S. degree from Seoul National University, Korea, in 1977. He obtained his M.S. and Ph.D. degrees in Mechanical Engineering from Korea Advanced Institute of Science and Technology in 1979 and 1989, respectively. Dr. Yoo is currently a Professor at Chungnam National University, Korea, and serves as a Vice-president in KSME. His research interest is thermal system design such as heat exchanger, air-conditioning system,ventilation system, etc.
Jin-Hyuck Kim received his B.S., M.S. and Ph.D. degree in Mechanical Design Engineering from Chungnam National University, Korea, in 2004, 2006 and 2009, respectively. Dr. Kim is currently working in Mechanical Engineering Research Institute of Korea Advanced Institute of Science and Technology as a Post Dr. He is a member of ASHRAE, KSME and SAREK. His research interest is designing and performance analyzing the thermal system.
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