中文摘要 隨著生活水平的不斷提高，人們對室內(nèi)環(huán)境提出了更高的要求，空調(diào)在建筑 中得到廣泛的應(yīng)用。在能源的消耗中，建筑能耗占總能耗的比重相當大，發(fā)達國 家的建筑用能一般占到全國總能耗的3 0 4 0 ，而采暖制冷能耗則占建筑能耗 的3 0 左右。為了節(jié)省能源，建筑的密封性能越來越好，導致室內(nèi)的空氣品質(zhì)較 差，為了改善室內(nèi)的空氣品質(zhì)，需要向室內(nèi)引入大量的新風，這樣就使得建筑能 耗增加，所以采用新風換熱器來回收引入新風時所浪費的能量。 目前市場出現(xiàn)的某些節(jié)能通風換熱設(shè)備，如轉(zhuǎn)輪式換熱器、熱管換熱器、中 間熱媒式換熱器、板翅式換熱器等，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。為此，本研究嘗試采用價格低 廉的塑料材質(zhì)來制作換熱器，研究發(fā)現(xiàn)塑料薄膜在小風量的影響下會產(chǎn)生振動， 提高了傳熱效率，但是這種流體誘導的薄膜振動產(chǎn)生的強化傳熱具體機理沒辦法 獲得，所以進而對單層膜進行人為激勵振動的方法來分別研究振幅、頻率對傳熱 的影響。在固定頻率的條件下，研究振幅對傳熱的影響；在固定的振幅下研究頻 率對傳熱的影響。 大量實驗研究結(jié)果表明：由于流體誘導振動的原因，換熱器的換熱效率可以 提高3 0 ，換熱器的換熱效率接近9 0 ；在固定振幅的條件下，隨著振動頻率 的增加，冷風與熱風進口溫差對傳熱影響越來越小，換熱效率趨于穩(wěn)定；在固定 頻率的條件下，隨著振幅的增加，換熱效率得到提高。振幅的增加對傳熱的增強 效果比頻率增加對傳熱的影響大。新風換熱器的傳熱特性研究為換熱器進一步優(yōu) 化指明方向，提供實驗基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：建筑能耗新風換熱流致振動平板換熱器 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yi m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，a i rc o n d i t i o n e r s h a v eb e e nu s e dw i d e l yf o rp e o p l e sh i g hl i v i n gr e q u i r e m e n t , w h i c hr e s u l t e di na c o n s t a n tr i s ei nc o n s u m p t i o no fe n e r g ys o u r c e s e n e r g ys a v i n gh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n t h eb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nt a k e su p3 0 一4 0 o ft h et o t a l e n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，w h i l en e a r l y3 0 o fw h i c hw a s c o n s u m e db ya i rc o n d i t i o n e r s f o rs a v i n ge n e r g y ，t h eb u i l d i n ge n v e l o p e sb e c o m e t i g h t e r , w h i c hc a u s e sl o w e ri n d o o ra i rq u a l i t y s o ，m a s s i v ef r e s ha i ri sr e q u i r e dt ob e p r o v i d e di n d o o rt oi m p r o v et h ea i rq u a l i t yw h i c hr e s u l t si nm o r ee n e r g yu s a g e f r e s h a i rh e a te x c h a n g e r sa r ea d o p t e dt or e c l a i mt h ee n e r g yc o n t a i n e di nt h ew a s t ea i rw h e n f l e s ha i ri sp r o v i d e d i np r e s e n tm a r k e t ，t h ec o m m o ne n e r g ys a v i n ga n dv e n t i l a t i o ne q u i p m e n t s ，s u c h a sr o t a r yh e a te x c h a n g e r , h e a tp i p e ，h e a te x c h a n g e rw i t ht h e r m a lm e d i u m ，p l a t ef i n h e a te x c h a n g e re t c t h e s eh a v et h es h o r t c o m i n g so fc r o s sc o n t a m i n a t i o n ，h i g hc o s t ， l o w e f f i c i e n c y , h i g hr u n n i n gc o s t ，d i f f i c u l tm a i n t e n a n c e ，s e v e r eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ， b i ga n dh e a v y i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，an e wt y p ef l e s ha i rh e a te x c h a n g e r w h i c hi sm a d eo fc h e a pp l a s t i cw a st r i e do u t l o t so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h eh e a tt r a n s f e rf i l mv i b r a t e su n d e rc e r t a i na i rf l o wr a t e ，w h i c hc a ni m p r o v et h eh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h ef l e s ha i rh e a te x c h a n g e r b u tt h em e c h a n i s mo ft h i sh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n ti sc o m p l i c a t e d s om a n m a d ei n c e n t i v ev i b r a t i o nw a ss t u d i e dt o u n d e r s t a n dt h ee f f e c to fa m p l i t u d ea n d f r e q u e n c yo nh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c y , r e s p e c t i v e l y w h e nv i b r a t i o nf r e q u e n c yi ss e r r i e d ，t h ee f f e c to fv i b r a t i o na m p l i t u d e w a ss t u d i e d ；w h e nv i b r a t i o na m p l i t u d ei ss e t t l e d ，t h ee f f e c to fv i b r a t i o nf r e q u e n c yw a s s t u d i e d l a r g eo fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yc a nb e e n h a n c e da b o u t3 0 f o rt h ew h o l eh e a te x c h a n g e rb e c a u s eo ff l u i d i n d u c e dv i b r a t i o n t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yr e a c hu pt on e a r9 0 ；t h ee f f e c to ft h et e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eo ft h ec o o li na n dt h eh e a ti no nh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o fv i b r a t i o nf r e q u e n c yu n d e rc e r t a i nv i b r a t i o n a m p l i t u d e ，w h e nt h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c er e a c h e sa b o u t18 0 * c ，t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yt e n d st ob e t h es a m e t h eh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c yb e c o m e sh i g hw i t ht h ev i b r a t i o na m p l i t u d e u n d e rc e r t a i nv i b r a t i o nf r e q u e n c y t h ee f f e c to fv i b r a t i o na m p l i t u d eo nh e a tt r a n s f e r e f f i c i e n c yi sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y a l lt h ew o r ki nt h ep r e s e n t p a p e rw i l ls u p p l yt h eb a s i sf o rf u r t h e ro p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：b u i l d i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，f r e s h a i rh e a t t r a n s f e r , fl o w - i n d u c e dv i b r a t i o n ，p l a n e p l a t eh e a te x c h a n g e r 前言 能源和環(huán)境是21 世紀人類發(fā)展所面臨的重大難題。其中能源問題是決定我國 可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略因素，也是當前制約我國國民經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。熱量傳遞 問題普遍存在于動力、冶金、石油、化工、材料等工程領(lǐng)域以及航空、電子、核 能等高科技領(lǐng)域。近些年，國際原油價格持續(xù)走高、國內(nèi)大范圍的限電更使我們 認識到了節(jié)約能源、高效利用能源的重要性。 正是不斷提高的節(jié)能要求促成了強化傳熱研究的不斷發(fā)展，從一開始的簡單 改變表面增強傳熱，一直到現(xiàn)在的復(fù)合強化傳熱，使得能源的利用率越來越高。 但是社會的發(fā)展也使得能源消耗量越來越多，與之相矛盾的是傳統(tǒng)能源的日益枯 竭，能源價格居高不下，節(jié)能在我國尤其顯得更加重要。據(jù)統(tǒng)計，我國的能源利 用率很低，只有2 8 左右，還不到日本的一半( 日本達5 7 ) ，比西歐的4 0 也低 很多，因此我國在節(jié)能上潛力很大。 在能源的消耗中，將近3 0 的比例用在建筑上。美國能源部2 0 0 0 年調(diào)查資料 顯示，目前歐美等發(fā)達國家的建筑能耗占社會總能耗的4 0 左右。我國目前城鎮(zhèn) 建筑消耗的能源為全國商品能源的2 3 - - 2 6 ，而建筑能耗的比例還將繼續(xù)提 。高。 近年來，國內(nèi)建筑房地產(chǎn)的蓬勃發(fā)展帶動了空調(diào)行業(yè)的迅猛發(fā)展，而人民生 活水平的迅速提高，又大大提高了空調(diào)的普及率。在這兩方面的共同作用下，空 調(diào)能耗所占建筑能耗的比重不斷提高，引起了人們高度的關(guān)注。空調(diào)的使用過程 中，為了減少能耗，建筑的密封性越來越好，使得室內(nèi)空氣品質(zhì)下降，長期生活 在空調(diào)房間的人很容易患“病態(tài)建筑綜合癥”。改變這一狀況的惟一方法是向室 內(nèi)引入大量的新風，大量新風的引入必然會增加空調(diào)的負荷，所以我們用新風換 熱器來回收污風中的熱量，減少能耗。但目前存在的新風換熱器性價比不高，所 以我們提出了一種新型的新風換熱器，并對其進行振動強化傳熱的研究。 振動影響傳熱方面的研究，前人已經(jīng)做了大量的工作，多數(shù)的研究結(jié)果表明 振動能夠強化傳熱，只有少數(shù)的研究結(jié)果表明振動對傳熱沒有影響或者是產(chǎn)生負 影響。 本文采用實驗的方法對換熱器進行流致振動的研究，研究結(jié)果表明振動有效 地增強了傳熱效率。換熱器在同樣的實驗條件下，振動時的換熱效率比不振動時 換熱效率提高了3 0 。在相同的實驗條件下，我們研究發(fā)現(xiàn)振幅的改變對傳熱的 影響比頻率的改變對傳熱的影響大。隨著振動頻率的增加，換熱效率受溫差的影 響越來越小；受風量的影響越來越大，趨勢成開口狀。本文研究的實驗結(jié)果提供 了流致振動強化換熱器效果的實驗基礎(chǔ)，并對振動的各個因素對傳熱的影響進行 了研究，為進一步改善新風換熱器的換熱效果提供了很好的參考依據(jù)。 天津大學碩士學位論文流致振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 英文符號 彳 c d d ： d f 。f 。 a g k z ， n q q m a x r e s c 丁f i 正 乙 甜 甜 礦 u 形 希臘字母 口l 口2 主要符號說明 振幅，m ；換熱面積，m 2 ； 熱容，k j k g ； 圓柱直徑，i t i ； 當量直徑，m ： 板間距，m ； 激勵頻率，無因次； 頻率，h z ； 單通道截面積，m 2 ； 通道流量，k g m 2 s g 換熱系數(shù)，w ( m 2 - ) ； 板長，m ： 板寬，m ； 通道數(shù)，無因次； 實際換熱量，w ； 最大可能的傳熱量，w ； 雷諾數(shù)，無因次； 施米特準數(shù)，無因次； 冷熱風溫度，； 校正后的溫度值，； 測量得到的溫度值，； 對數(shù)換熱平均溫差，； 流速，m s 來流速度，m s ； 流量，m 3 h ； 運動粘度，d = u , o ，m 2 s ； 熱、冷風質(zhì)量流量，k g h ； 熱、冷對流換熱系數(shù)，w ( m 2 ) ； 天津大學碩士學位論文流致振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 下角標 板厚，m ； 效率，無因次； 換熱板導熱系數(shù)，w ( m ) ； 動力粘度，k g m s ； 壁溫下流體粘度，k g m s ； 密度，k g m 3 ； 冷風進出口差值，冷風通道； 熱風進出口差值，熱風通道； 冷風； 換熱板； 熱風； 進口； 最大值； 最小值； 出口； 。 觚m 萬 刁兄 p 2 c f h ； m m o 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨盜盤塋或其他教育機構(gòu)的學位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：溺鉚產(chǎn) 簽字日期： 矽。莎年鄉(xiāng)月沙日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解丞鲞盤堂有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。 特授權(quán)丞洼盤堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名：渴螂 簽字日期：印口g 年多月7 , - 日 ，導師簽名： 簽字日期： 夠1 卵 一 ： v 坩 天津大學碩士學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 1 1 研究背景 第一章文獻綜述 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平不斷提高的同時，也對環(huán)境產(chǎn)生了一定的負 面影響。空氣品質(zhì)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點問題之一。 伴著節(jié)能的要求不斷提高，建筑的圍護結(jié)構(gòu)越來越好，使得室內(nèi)外通風受到 了比以前更大的限制；且現(xiàn)在不斷增加的生活節(jié)奏使得人們在室內(nèi)度過的時間越 來越多，長期生活在一個密封的環(huán)境中，會使得室內(nèi)空氣污濁，人們會產(chǎn)生頭暈 惡心等癥狀，使得工作學習的效率下降，甚至會影響人們的身體健康，這就是所 謂的“病態(tài)建筑綜合癥 。改變這一狀況的惟一方法是向室內(nèi)引入大量的新風， 大量新風的引入必然會增加空調(diào)的負荷1 2 j ，所以我們利用新風換熱器來回收污風 中的熱量，減少建筑能耗【3 】。但目前存在的新風換熱器性價比較低，所以本實驗 提出了一種新型的換熱器，并對其進行振動強化傳熱的研究。 1 2 新風換熱器的必要性及分類 隨著空調(diào)的普及和能源消耗的增加，人們居住的環(huán)境受到很大程度的污染， 空氣品質(zhì)成為人們關(guān)注的主要問題之一。 大量分析表明，人們超過8 0 的時間在室內(nèi)度過的1 4j ，長期呆在室內(nèi)會使得 空氣污濁，影響人們的正常工作和學習，使得效率低下，一些現(xiàn)代化密閉寫字樓 的工作人員受的影響尤其明顯，并引發(fā)“病態(tài)建筑綜合癥”。 根據(jù)世界衛(wèi)生組織19 8 3 年定義，病態(tài)建筑綜合癥是因建筑物中央空調(diào)的使用 而產(chǎn)生的癥狀，它包括眼睛發(fā)紅、流鼻涕、困倦、頭痛、惡心等。近年來，有些 專家建議將人們對室內(nèi)氣味產(chǎn)生的不滿也納入病態(tài)建筑綜合癥中。在這種情況 下，s b s 習( 大樓綜合癥) 的問題主要是由于室內(nèi)空氣品質(zhì)( i a q i n d o o ra i rq u a l i t y ) 差引起的。 到目前為止，國際上改善和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的主要方法是通風換氣，國內(nèi) 絕大部分住宅是采用開窗進行自然通風來達到這一目的，而該方法通風換氣量受 室外空氣狀態(tài)參數(shù)和運動參數(shù)影響較大，難以保證在任何室外空氣參數(shù)下必需的 第一章文獻綜述 通風量，另外開窗換氣將明顯影響室內(nèi)空氣的參數(shù)，不僅不能連續(xù)地保證室內(nèi)的 空氣參數(shù)，而且使供暖空調(diào)的能耗因新風的直接引入而大大增加1 6 。因此，為了 節(jié)省能源，我們采用新風換熱器來回收污風中的能量。 新風換熱器主要由機殼、新風風機、排風風機、過濾器、熱交換芯體組成。 室內(nèi)的排風與室外的新風經(jīng)風機引入熱交換芯體進行能量交換。其工作原理如圖 1 1 所示。 燕締 新 1 熱交換芯體2 排風風機 1 - h e a te x c h a n g e rc o r e2 - e x h a u s ta i rf a n 3 新風風機4 過濾裝置 3 - f r e s ha i rf a n 4 - f i l t r a t i n ge q u i p m e n t 圖1 1 新風換熱器工作原理圖 f i g u r e1 1t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ff r e s ha i rh e a te x c h a n g e r 采用這種機械通風的方式可以保證室內(nèi)連續(xù)的換氣。應(yīng)用新風換熱器回收污 風中能量，加熱或者冷卻室外引進的新風，不僅可以節(jié)能，還可以改善進入室內(nèi) 的空氣溫度，從而降低進風與排風之間的溫差，大大的提高了引入新風時的舒適 度，為室內(nèi)的工作人員提供舒適健康的生活環(huán)境。 目前這類設(shè)備種類很多，如轉(zhuǎn)輪式全熱交換器、熱管、氣一氣熟泵、盤管式、 噴霧式、中間熱媒式及新型熱交換器。各類換熱器都有其自身的優(yōu)缺點。 1 ) 轉(zhuǎn)輪式熱交換器 轉(zhuǎn)輪式熱交換器主要由轉(zhuǎn)輪、驅(qū)動馬達、機殼和控制部分組成，中央分隔板 隔成排風側(cè)和新風側(cè)，排風和送風氣流逆向流動。轉(zhuǎn)輪以每分鐘以一定的速度緩 慢旋轉(zhuǎn)，把排風中熱量蓄存起來，然后再傳給新風。轉(zhuǎn)輪式換熱器具有全熱交換 性質(zhì)、自凈功能、自控能力等功能，同時有著不可忽視的缺點：互相滲漏、無法 完全避免氣體的交叉污染；氣流壓降較大、裝置占用建筑空間過多、難以靈活布 置、造價和維護費高【7 j 。 2 ) 熱管式熱交換器 熱管的工作原理是在管的一段加熱，管芯中工質(zhì)吸收蒸發(fā)潛熱，蒸發(fā)成蒸汽， 天津大學碩士學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 由于不斷產(chǎn)生蒸汽，因而壓力增高，蒸汽沿著中間通道流向另一端，并冷凝成液 體放出潛熱，液態(tài)工質(zhì)在管芯的毛細管作用下依靠動力裝置，又返回蒸發(fā)段，繼 續(xù)吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)不已，把熱量源源不斷地從熱管的一端傳遞到另端。用 于建筑能源回收的熱管屬于常溫熱管，具有以下優(yōu)點：節(jié)能效果顯著；管壁溫可 調(diào)；具有熱二極管與熱開關(guān)性能；二次間壁換熱，可避免新風與回風的交叉污染； 環(huán)境適應(yīng)性強，結(jié)構(gòu)和位置布置可以非常靈活。同時也存在不可回避的缺點：基 本上為回收顯熱，僅當排風側(cè)有冷凝水出現(xiàn)時，存在一定的潛熱回收；但是效率 低；要借助另一種介質(zhì)的相變進行傳遞：工質(zhì)特性需慎重考慮【8 j 。熱管換熱器在 風道自然排風系統(tǒng)的能源回收中，其整體性能受管外翅片形式、熱管排列方式、 管排數(shù)量、氣流速度等多種因素的相互制約1 9 j 。 3 ) 多室離心式換熱器 多室離心式換熱器主要由空心軸、內(nèi)殼體和外殼體三部分組成。空心軸與內(nèi) 殼體構(gòu)成熱流體通道，內(nèi)殼體與外殼體構(gòu)成冷流體通道，兩種流體通過內(nèi)殼體進 行熱交換。由于內(nèi)殼體旋轉(zhuǎn)時兩種流體同時獲得與傳熱面間的相對速度，并且內(nèi) 殼體上的葉片增大了對附面層的擾動，使附面層不斷地被破壞，減小了附面層的 厚度，所以兩種流體與傳熱面間的對流換熱系數(shù)同時得到提高，從而顯著提高了 總的傳熱系數(shù)。由于多室離心換熱器的內(nèi)殼體上裝有葉片，形成了開式離心壓縮 機，所以空氣在多室離心式換熱器內(nèi)的流動狀態(tài)猶如在風機內(nèi)流動，不但進行了 換熱，同時也獲得了壓頭，因此，應(yīng)用多室離心式換熱器的新風換氣機可以省掉 輸送空氣的風機。多室離心式換熱器具有以下優(yōu)點：單位體積換熱能力高、省掉 了輸送流體的風機。也存在著不可忽視的缺點：不能在結(jié)冰工況下工作：這是 由于其結(jié)構(gòu)和工作特點決定的。當室外溫度低于零度時，從室內(nèi)排出的含濕量很 大的氣可能有水折出，并結(jié)成冰。噪音大：多室離心式換熱器內(nèi)殼體上的葉片 對空氣的擾動非常劇烈，發(fā)出很大的噪音。多室離心式換熱器的加工復(fù)雜，機 械化程度不高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。研究表明，滿足相同換熱量，應(yīng)用多室離心 式換熱器的新風換熱器整體體積只有采用叉流板翅式換熱器的新風換氣機體積 的1 4 。在小風量工況下，即使配有消音裝置，其噪音值也要比采用叉流板翅式 換熱器的新風換氣機大l o 個分貝左右【10 1 。 4 ) 板翅式換熱器 板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)形式很多，但其結(jié)構(gòu)單元基本相同，都是由翅片、隔板、 封條和導流片組成，它是在金屬平板上放一翅片( 即所謂二次傳熱面積) ，然后 再在其上放一金屬平板，兩邊以邊緣封條密封而組成一個基本單元，上下的兩塊 板為隔板。換熱器芯體就是由許多這樣的基本單元組成。翅片是板翅式換熱器最 基本的元件，傳熱過程主要是通過翅片來完成，部分由隔板來完成。翅片和隔 第一章文獻綜述 板的連接均為完善連接，因此大部分熱量經(jīng)翅片，通過隔板傳給冷流體。由于翅 片不像隔板直接將熱量傳給冷流體，故翅片有“二次表面”之稱i l 。根據(jù)組成換 熱器的材料不同，板翅式換熱器可以分為兩大類：全熱交換器和顯熱交換器。全 熱交換器的翅片和隔板用吸水能力很強的材料如特制的紙制成；顯熱交換器的翅 片和隔板用不吸水的材料如鋁箔制造。當換熱器熱邊的濕空氣被冷卻時，有可能 會有液態(tài)水析出。在顯熱交換中，析出的水隨氣流流動，在翅片和隔板表面會形 成液膜，增加了傳熱熱阻。而在全熱交換器中，析出的液態(tài)水被紙吸附，滲入到 紙內(nèi)，被另一側(cè)的比較干燥的空氣所蒸發(fā)；水使得作為全熱交換器隔板和翅片的 紙變濕，增加了紙的導熱能力【12 | 。板翅式換熱器結(jié)構(gòu)簡單，加工容易；換熱器本 身無噪音；可以在結(jié)冰工況下工作；應(yīng)用全熱交換器可以回收一部分水分，即使 沒有加濕設(shè)備，室內(nèi)的空氣也不至于很干燥。它的缺點是：生產(chǎn)成本高和體積大。 5 ) 板式換熱器 常說的板式換熱器是指有一些壓有波紋相互接觸的金屬板組成，每一塊板有 四個孔作為流體進口和出口，涉及密封墊片使流體間隔地在隔流到中流動，各個 板被夾緊在一個框內(nèi)連接起來，可供流體流過。由于每一塊板周圍都用墊圈密封， 板式換熱器又叫墊片板片式換熱器。目前，板式換熱器的傳熱板片都是由金屬薄 板冷壓成形，不僅易于實現(xiàn)大量生產(chǎn)，而且大大降低了傳熱板片的厚度，提高了 緊湊性，改善了傳熱性能3 1 。 與殼管式換熱器相比，板式換熱器具有十分明顯的優(yōu)點【1 4 】： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便 ( 2 ) 傳熱效率高，有效傳熱溫差大。流體在板間流動時，即使流速很低，雷 諾數(shù)僅為l0 卜5 0 0 時就可產(chǎn)生紊流，提高傳熱效率。而且冷熱流體還可實現(xiàn)理想 的逆流換熱，因而有效溫差大，甚至可以處理近乎l 的微小溫差傳熱，這是殼 管式換熱器所無法實現(xiàn)的。 ( 3 ) 體積小，重量輕，價格便宜 ( 4 ) 結(jié)垢少，可靠性高 ( 5 ) 可拆卸，便于清洗和維護 板式換熱器的這些特點使得它在近幾十年來發(fā)展迅猛，應(yīng)用非常廣泛，用在 汽車、空調(diào)、電子制冷、廢熱和余熱回收、低溫、飛機、宇宙飛船、海洋熱利用、 太陽能和地熱能等方面，通常能獲得比管殼式換熱器更高的換熱效率，可達9 5 ， 而普通的管殼式換熱器為6 0 8 0 ，這樣這種換熱器就適用于能量密集型工業(yè)， 要使投資費用最低，單元尺寸應(yīng)該最小【1 5 】。體積小的優(yōu)點有：占有空間??；重量 輕；價格低等。但是板式換熱器的應(yīng)用也受到了一定的限制：緊湊式換熱器缺乏 類似于壓力容器的標準；板式換熱器流道狹窄，易結(jié)垢，不能用機械方法清洗； 4 天津大學碩士學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 且板式換熱器適用于低壓的場合，最高的使用壓力為2 5 m p a l l6 | 。因此，僅限于 處理空氣、低碳烴類、制冷劑等。我們研究的換熱器與通常那個所說的板式換熱 器有所不同，它是由平行的光滑平板疊核形成錯溜通道而成的。 雖然各種類型的換熱器都有其自身的優(yōu)缺點，在應(yīng)用中還存在許多的不足， 可以進一步對其進行優(yōu)化，提高它們的傳熱性能。提高傳熱性能的方法很多，主 要有提高平均傳熱溫差，增加換熱面積，改變操作參數(shù)，使得傳熱系數(shù)值增加， 但是在一定的工作條件下，前兩者不易改變，或者可以改變的量有限，因此我們 主要研究改變傳熱系數(shù)k 值。當導熱材料選定以后，我們只能改變對流傳熱項來 增加k 值。 1 3 對流換熱強化技術(shù)的分類及發(fā)展 強化傳熱技術(shù)是人們在長期利用能源的過程中發(fā)展起來的，主要就是為了提 高熱量傳遞的速率，以達到用更經(jīng)濟的設(shè)備來傳遞規(guī)定的熱量，或是用更有效的 冷卻途徑來保護高溫部件的安全運行，或是用高的熱效率來實現(xiàn)能源的合理利 用。在能源利用中，對流換熱這種傳遞方式由于其在工業(yè)實際中應(yīng)用最為廣泛， 對它的研究也最為活躍。 1 3 1 對流換熱強化技術(shù)的分類 按流動是否與時間有關(guān)來劃分，對流換熱可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩大類。穩(wěn)態(tài) 對流換熱的處理相對簡單，人們對它的研究也較多；而非穩(wěn)態(tài)對流換熱問題相對 來說就很復(fù)雜，受很多因素的影響，它廣泛的存在于自然界和工程實際中。伴有 壁面振動的換熱過程就是一個非穩(wěn)態(tài)對流換熱的過程。壁面振動是工程實際中一 個不可避免的問題。 按流動是否受外界作用來劃分，對流換熱可以分為強制對流與自然對流。強 制對流是指流體在外力的作用下對流換熱，自然對流則是指流體在溫差下產(chǎn)生的 密度差引起的對流換熱。 但是不管按那種方法來劃分對流換熱，其強化傳熱都可以按以下的方法來劃 分。 從是否需要外界能源輸入來看，可以分為被動強化和主動強化。主動強化技 術(shù)需要外加的能量，如電場、磁場、光照射、攪拌、噴射、聲、表面振動等。表 面振動技術(shù)是一種主動式強化傳熱技術(shù)。被動式強化傳熱采用流體添加物、擾流 第一章文獻綜述 裝置或特殊的表面幾何形狀等方法來實現(xiàn)強化傳熱。 在研究方法上，2 0 世紀8 0 年代以前，人們對對流換熱的研究大部分限于通 過實驗手段來開展，在應(yīng)用量綱分析的基礎(chǔ)上，將實驗結(jié)果整理成用無量綱數(shù)( 如 n u ，r e ，p r 等) 表示的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，并用于工業(yè)設(shè)計計算，但缺乏系統(tǒng)的理論。 2 0 世紀9 0 年代，人們開始用理論的方法研究對流換熱，有數(shù)值方法、模擬方法。 其中貢獻很大的還有過增元的協(xié)同場理論【l7 1 。 1 3 2 對流換熱強化技術(shù)的發(fā)展 傳熱技術(shù)，從其出現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)歷了四個階段的發(fā)展【1 引，而強化傳熱技術(shù) 則是在這四代之間發(fā)展起來的，有了三次大的進步。 迄今為止，強化傳熱技術(shù)在化工、動力、核能、制冷、石油及國防工業(yè)等領(lǐng) 域中得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外公開發(fā)表的論文和研究報告超過6 0 0 0 篇，獲得了數(shù) 百項專利，已發(fā)展成為成熟的第二代傳熱技術(shù)。由于科學技術(shù)的飛速發(fā)展和能源 的嚴重短缺，不斷向強化傳熱提出了新的要求，因此強化傳熱研究的深度和廣度 日益擴大并向新的領(lǐng)域滲透和發(fā)展。世界各主要工業(yè)國都對此進行了大量的研究 開發(fā)工作，力圖建立強化傳熱新理論，并在新理論的指導下，開發(fā)第三代傳熱技 術(shù)，包括傳熱傳質(zhì)過程控制，并取得了許多成果【l9 1 。并向第四代復(fù)合強化技術(shù)發(fā) 展。 對流換熱的強化是強化傳熱技術(shù)研究的主要內(nèi)容之一。第一代對流換熱主要 采用光滑的換熱表面，對于內(nèi)外流的管通道來說就是光管，對于平板來說就是平 滑板；第二代對流換熱是在光滑平面的基礎(chǔ)上，加上二維翅片；第三代對流換熱 技術(shù)是增加如三維肋、三維粗糙元、縱向渦發(fā)生器等；第四代就是將兩種或兩種 以上的強化技術(shù)同時應(yīng)用的復(fù)合強化傳熱技術(shù)。 1 3 2 1 換熱器強化對流換熱的研究 換熱器性能的提高主要是要求在一定的體積及溫差下得到更高的傳熱效率。 基于這樣的考慮，可以從兩方面來實現(xiàn)，即提高單位體積下的傳熱面積和提高總 傳熱系數(shù)。提高單位體積下的傳熱面積，可以通過改變換熱器的形式來實現(xiàn)；提 高總傳熱系數(shù)可以通過傳熱強化技術(shù)得到改進。應(yīng)用強化傳熱技術(shù)的目的是：提 高現(xiàn)有換熱器的換熱能力；減小設(shè)計傳熱面積，以減小換熱器的體積和質(zhì)量；減 小換熱器的阻力，以減小換熱器的動力消耗；使換熱器能在較低溫差下工作【l0 1 。 總傳熱系數(shù)受熱阻的影響，熱阻包括導熱熱阻和對流熱阻。導熱熱阻的大小 6 天津大學碩士學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 跟換熱器材料的性質(zhì)有關(guān)，一般來說，金屬的導熱系數(shù)最大、非金屬的固體次之。 對流熱阻的大小跟流體的特性有關(guān)，主要有：流體的種類和相變化的情況；流體 的性質(zhì)：比熱、導熱系數(shù)、密度和黏度等：流體的流動狀態(tài)：層流和湍流；流體 流動的原因：強制對流和自然對流；傳熱面的形狀、位置和大?。簜鳠峁?、板、 管束等不同的傳熱面的形狀，管子的排列方式，水平或垂直放置，管徑管長或板 的高度等，都直接影響到對流傳熱熱阻值。 增強傳熱的方法【1 9 捌主要有以下幾種： 壁面擾流裝置 ( a ) 處理表面 ( b )粗糙表面 ( c ) 擴展表面 內(nèi)置擾流裝置 ( a )螺旋管和扭曲管 ( b ) 添加物 ( c ) 機械擾動 其他 ( a )電磁場 ( b ) 表面振動與流體振動 ( c )射流沖擊 ( d )扭曲帶 ( e ) 靜態(tài)混和器 ( f ) 流體脈動 1 3 3 2 研究現(xiàn)狀 因為管殼式換熱器的廣泛應(yīng)用，也使得對它的研究為多，其強化途徑主要從 兩方面入手，管程強化傳熱研究、殼程強化傳熱研究。強化傳熱歸結(jié)起來為兩條 途徑：改變傳熱面的形狀和在傳熱面上或傳熱流路徑內(nèi)設(shè)置各種形狀的插入物。 改變傳熱面的形狀有多種，其中用于強化管程傳熱的有：螺旋槽紋管、橫紋管、 螺紋管、縮放管、旋流管和螺旋扁管等。管內(nèi)插入物的種類很多，如螺旋線、螺 旋片、紐帶、錯開紐帶、絲網(wǎng)內(nèi)插件等。殼程強化傳熱的途徑主要有兩種：一是 改變管子外形或在管外加翅片，即通過管子形狀或表面性質(zhì)的改造來強化傳熱， 以提高換熱器效率：二是改變殼程擋板或管支撐物的形式，以減少或消除殼程流 動與傳熱的滯留死區(qū)，使傳熱面積得到充分利用【l9 i 。 第一章文獻綜述 對于板式換熱器的強化傳熱研究主要是改變板片的壓紋，以人字波為主，并 有雙人字波，平直波，球型波，直斜波等1 2 ，板片上的壓紋起到與管殼式換熱 器中管內(nèi)插入物相同的效果，都是增加通道中流體的湍流程度，達到強化傳熱的 目的【2 2 。但是這種方法在增加傳熱的時候，也增加了流體的流動阻力，有人研究 發(fā)明了低流阻板式換熱器【”】，將板間距拉開一定的距離，使流體進出口平行板片， 在板間布置繞流件來達到強化傳熱并起到加強板片的強度及剛度的作用，能夠使 板式換熱器得到更好的傳熱效果。球型板片是國內(nèi)換熱器中阻力降最小的產(chǎn)品 【2 l 】 o 現(xiàn)在還發(fā)明了許多新型高效換熱器，如可拆式板式換熱器、焊接式板式換熱 器、整體翅片式換熱器、熱管換熱器、不結(jié)垢換熱器、碳化硅換熱器、澳大利亞 的柔性換熱器、日本的s m 型換熱器和h y b r i d 換熱器、美國c h e m i n e e r 公司的 k e n i c s 換熱器和德國的塊式換熱器等1 2 4 瑚j 。 本課題的研究對象主要是板式換熱器，為了節(jié)約成本我們采用的就是光滑表 面，因為膜的厚度很小，所以在風的作用下會產(chǎn)生振動，使傳熱表面振動影響傳 熱。接下來主要看壁面振動對對流傳熱的影響研究。 1 4 壁面振動對流換熱的研究進展 壁面振動是一個非穩(wěn)態(tài)對流換熱過程，受很多因素的影響，對其進行研究問 題很復(fù)雜。從產(chǎn)生的原因來劃分，壁面振動可分為兩類：一類是由設(shè)備自身產(chǎn)生。 這一類的振動是不可避免的，比如，設(shè)備在運行過程中會由于動力裝置的運轉(zhuǎn)而 產(chǎn)生振動；流體繞流固體時產(chǎn)生誘導振動，如換熱器中的管束。另一類是人們?yōu)?了實現(xiàn)強化傳熱而通過機械方法產(chǎn)生的。 壁面振動將直接引起壁面附近的速度場和溫度場的變化，從而影響換熱性 能，人們很早就對此進行了研究。早在2 0 世紀6 0 年代，人們就開始研究振動對 傳熱的影響，研究的對象主要形式為水平放置的圓柱( 垂直放置的為少數(shù)) 、圓 管、平板、加熱金屬絲及翅片散熱板等，產(chǎn)生振動的方法主要是機械振動。大部 分的研究結(jié)果表明：壁面振動能強化換熱，但振動參數(shù)和流動參數(shù)對壁面振動換 熱影響的研究結(jié)果并不一致；通過機械方法使壁面產(chǎn)生振動時由于付出的代價遠 大于收益，因此這種方法在工程上并沒有具體應(yīng)用。最近研究較多的是流體誘導 振動實現(xiàn)強化換熱的方法。 早期的研究主要是通過實驗手段，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在8 0 年代后人們 也開始對壁面振動對流換熱問題進行數(shù)值分析。盡管有許多研究者對壁面振動對 8 天津大學碩士學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的實驗研究 流換熱問題進行了研究，但他們的研究結(jié)論并不一致，主要有： ( 1 ) 壁面振動強化對流換熱 ( 2 ) 壁面振動對換熱沒有影響 ( 3 ) 根據(jù)參數(shù)的不同，壁面振動可能強化、沒有影響或弱化換熱 ( 4 ) 壁面振動弱化對流換熱 但大部分的研究結(jié)果都表明壁面振動能強化換熱，對自然對流來說，可使換 熱系數(shù)提高3 0 一2 0 0 0 ；對強制對流，可使換熱系數(shù)提高2 0 一4 0 0 1 2 。 盡管許多的研究結(jié)果都表明振動能夠增強傳熱，但是換熱器在運行過程中產(chǎn) 生的振動也會加速換熱器的破壞，所以一直以來對振動的研究還在防止其對換熱 器產(chǎn)生破壞作用，如西南交通大學1 27 】從理論上研究了流體的振動與系統(tǒng)失穩(wěn)的關(guān) 系，南華大學【2 8 】研究了振動與疊層板狀元件的穩(wěn)定性問題等，主要是如何防止振 動引起結(jié)構(gòu)件的變形破壞進行的。因此我們在研究壁面振動對傳熱的影響同時也 要考慮改變換熱器的機構(gòu)形式，使其在振動的作用下，不至于產(chǎn)生破壞。 壁面振動按是否有能量加入，可以分為流致振動和人為激勵振動。對這兩方 面的研究，前人已經(jīng)作了很多的工作。下面我們分開來介紹。 1 4 1 流致振動的研究 流致振動是指結(jié)構(gòu)在流體的作用下所產(chǎn)生的振動，主要分為以下幾類1 2 9 1 ，見 圖1 2 。流致振動既不需要動力裝置也不需要外來能量，但一直以來，人們重視 的只是它所可能產(chǎn)生的元件損壞與噪聲，而不曾想過它的利用，而在換熱器內(nèi)完 全避免振動是不可能的。考慮振動的時候要考慮到結(jié)構(gòu)的自振頻率，以免發(fā)生共 振，破壞換熱器。 第一章文獻綜述 一f 穗歪磊萬 內(nèi)部流動l 1 輸送流體管道 笪丕塑寶壁一 輸送流體管道 的不穩(wěn)定性 j 外界流動f 遵鰱j 麗另f 一 ：不穩(wěn)定性【t 相互作用一_ 一_ 不穩(wěn)定性 一一 顫振 尾流誘發(fā)振動 緊湊管陣 的繞振 麗顫瘧 和馳振 漩渦誘發(fā)振動 漩渦誘發(fā) 結(jié)構(gòu)振動 漩渦誘發(fā) 聲學振動 一非穩(wěn)定流動二一 湍流誘發(fā)的振動由正弦波引起的振動 1 風誘發(fā)振動 二一一二一一 l 一一洶涌海洋誘發(fā)振動i 二二二_ 一 由隨機聲載荷 塑! 吼械的湍流誘發(fā)振毽誘發(fā)的振動 聲波 i i 誘發(fā)振動； 海洋波浪 誘發(fā)振動 圖1 2 流體誘導振動的分類 f i g u r e1 2t h ec l a s s i f i c a t i o no ff l u i d - - i n d u c e dv i b r a t i o n 目前的流致振動研究主要存在于核反應(yīng)堆工程中的疊層板結(jié)構(gòu)的振動研究 以及管殼式換熱器的研究中。主要研究流致振動與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系 2 6 , 2 7 ，對流 致振動影響傳熱的研究目前卻很少。文獻 3 0 中指出流致振動增加了微翅片散熱 片的熱傳導速率。用實驗的手段將微翅片散熱片的熱阻與平板散熱片的熱阻進行 比較，得出在空氣流速為4 4 和5 5 m s 時，熱傳導速率分別增加了5 5 和l1 5 。 也有用加入擾流物來形成流致振動強化傳熱的研究。k e n a ny a k u t ，b a y r a m s a h i n 用實驗的方法研究在換熱器內(nèi)加入圓錐形環(huán)狀擾流物產(chǎn)生流體誘導振動來 增強換熱器內(nèi)的換熱。錐形環(huán)狀物的斜度分別為1 0 m m ，2 0 m m ，3 0 m m ，被放在 工作流體為空氣流通的管的中央位置。結(jié)果表明n u 數(shù)隨雷諾數(shù)的增加而增加， 當錐形環(huán)狀物擾流物斜度最小時，傳熱得最大值1 3 。程林、田茂誠等 2 9 , 3 2 - 3 9 禾1 j 用 流體誘導振動原理，發(fā)明了一種新型傳熱元件彈性管束，并將其應(yīng)用于實際 生產(chǎn)中，設(shè)計了彈性管束換熱器，如圖1 3 所示。 l o 天津大學碩i 學位論文流體誘導振動強化平板新風換熱器性能的空驗研究 圖1 3 彈性管束以及彈性管束換熱器示意圖 f i g u r e1 3 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f e l a s t i c t u b eb u n d l e sa n de l a s t i c t u b eb u n d l e s h e a te x c h a n g e r 程林、罔茂誠等對該新型傳熱元件的傳熱性能進行了較為詳細的研究。彈性 管柬利用流體誘導振動改變傳熱表面的流動工況來提高對流換熟，同時利用管子 在振動時的變形清除污垢，實現(xiàn)復(fù)合強化傳熱。在恒熱流條件下，對管外水流誘 導振動強化對流換熱規(guī)律進行了試驗研究，證實營外水流誘導振動可使對流換熱 系數(shù)提高3 0 0 以上。在彈性管柬換熱器中，管外的流速較低，屬于低凡流動。 程林等對彈性管柬強化換熱主要進行了實驗研究，并在文獻4 0 1 對振動強化換熱 的機理進行了探討：認為彈性管束的振動使得在傳熱管壁面上無法形成穩(wěn)定的附 面層，從而大幅度地降低了附而層的導熱熱阻管柬的振動加強了對周圍流體的 擾動，冷熱流體的混合強烈，流體問的對流熱咀也得到有效降低”。 隨著流致振動的研究椿八，相信在不久的將來，隨著材料及結(jié)構(gòu)形式的改變， 流致振動強化傳熱的方法會在實際中得到很好的應(yīng)用。目前研究流致振動對板式 換熱器的傳熱增強效果的論文還沒有發(fā)現(xiàn)，因此本論文的研究將是一個新的升 始。 1 4 2 人為激勵振動的研究 人為激勵振動是采用人為激勵的方式如采用機械振動或電動機帶動的偏心 裝鼉來使換熱表面發(fā)生振動。早在2 0 世紀，、七十年代，人們就發(fā)現(xiàn)振動是增強傳 熱的好方法，它對傳熱的強化并不比任何一種其他的傳熱方式差”。很多的研究 結(jié)果表明，換熱面在流體中振動時，根據(jù)振動的強度及系統(tǒng)不同，對自然對流可 霆一 莖| 一 她 小 第一章文獻綜述 使換熱提高3 0 2 0 0 0 ，對強制對流可使換熱提高2 0 一4 0 0 2 。但是人為激勵 實現(xiàn)的換熱表面振動由于強化傳熱的投入遠大于收益，因此機械式強化傳熱未能 得到廣泛應(yīng)用。 但是隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，節(jié)能要求不斷提高，人們對振動影響傳熱的 研究熱情不減。有些研究表明，水平圓柱的表面振動，無論是水平還是垂直振動， 在高頻低幅和高幅低頻時，總的傳熱系數(shù)都能夠增j n l o 倍。用主動式壁面振動提 供穩(wěn)定的強迫流動是可行的，但是從結(jié)構(gòu)的設(shè)計上考慮可能會使設(shè)備很快失效。 對于主動式傳熱技術(shù)來說，無論是旋轉(zhuǎn)還是表面振動形式的機械振動能夠增加強 迫對流傳熱。但是隨著研究的深入與增加，也有的研究結(jié)果表明振動對傳熱沒有 影響，甚至產(chǎn)生負影響。下面根據(jù)振動對傳熱效果的影響是增加的，還是不產(chǎn)生 什么影響的及產(chǎn)生負影響的不同對前人的工作進行一下總結(jié)，詳細信息見下表。 表1 1振動對對流傳熱的影響研究結(jié)果列表 t a b l e1 1t h er e s e a r c hr e s u l t sl i s to f e f f e c to f v i b r a t i o no