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畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
所在學(xué)院：
專 業(yè)：
翻譯原文： A study on energy saving of cooling/reheating system
using compact heat exchanger
指導(dǎo)教師：
201XX 年3 月 25 日
應(yīng)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(dāng)循環(huán)空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤管時(shí)，空氣會(huì)被冷卻到過(guò)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(píng)價(jià)在制冷/再熱系統(tǒng)中緊湊型熱交換器對(duì)于冷空氣與再熱空氣之間熱量傳遞時(shí)節(jié)能效益的影響。我們對(duì)系統(tǒng)的熱除濕性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性評(píng)估，并與模擬數(shù)據(jù)比較。研究結(jié)果顯示，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)的節(jié)能效率高達(dá)50%。并且受到換熱器的迎面風(fēng)速、進(jìn)口溫度、進(jìn)口含濕量和傳熱效率的影響。此外，我們還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相當(dāng)吻合。
關(guān)鍵詞：制冷/再熱系統(tǒng)；節(jié)能；緊湊型換熱器
1．簡(jiǎn)介
為了獲得理想的室內(nèi)空氣溫度和濕度，我們要對(duì)潛熱負(fù)荷和顯熱負(fù)荷都進(jìn)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(gè)過(guò)冷的冷卻盤管和一個(gè)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(shí)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?zé)?。但有時(shí)也采用非金屬材料制作的換熱器。在這方面，因?yàn)樗芰暇哂袃r(jià)格低廉、重量輕、便于加工的優(yōu)點(diǎn)，它可能是最有前途的材料。因此，本研究是測(cè)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(cè)試了五種不同的塑料（聚丙烯）制成的換熱器原型。測(cè)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(dòng)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(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查，他們調(diào)查研究了淺凹坑平板式熱交換器對(duì)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(duì)應(yīng)的壓降微乎其微。
Saman和 Alizadeh [4, 5]研究了一個(gè)用作減濕/冷卻器的標(biāo)準(zhǔn)交叉流凹坑塑料換熱器的熱除濕性能。結(jié)果顯示，當(dāng)提高換熱器進(jìn)口處的溫度和含濕量時(shí)，換熱器的熱效率和除濕效率都會(huì)提高。
研究人員對(duì)空調(diào)系統(tǒng)在不同條件下的相關(guān)控制方法進(jìn)行了大量的研究。Zhang等人[6,7]利用溫度-濕度控制方法來(lái)分析建筑物暖氣和通風(fēng)裝置控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)相對(duì)較高的溫度導(dǎo)致溫度-濕度控制系統(tǒng)中的加熱器無(wú)法正常運(yùn)作，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將這問(wèn)題考慮在內(nèi)；否則當(dāng)天氣變得溫暖潮濕時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)變的不穩(wěn)定。
Chen等人[8]發(fā)表的關(guān)于一個(gè)獨(dú)立的除濕系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示，即使在一個(gè)完全潮濕的天氣條件下，該系統(tǒng)依然能提供一個(gè)舒適的室內(nèi)環(huán)境。將獨(dú)立的除濕系統(tǒng)和傳統(tǒng)的除濕系統(tǒng)進(jìn)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(guān)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(lái)，他們對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的除濕性能也進(jìn)行了許多額外的研究。
最近，Mazzei等人[13]發(fā)表了一篇關(guān)于暖通空調(diào)除濕系統(tǒng)熱舒適性的關(guān)鍵性論文。
這篇論文提出了一個(gè)新型的空調(diào)系統(tǒng)。具體地說(shuō)，該系統(tǒng)就是一個(gè)包含了塑料換熱器的制冷/再熱系統(tǒng)。熱力學(xué)建模和性能試驗(yàn)已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)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(xué)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(diǎn)2之前的高溫潮濕的室外空氣(點(diǎn)1)進(jìn)行預(yù)冷和干燥。隨后，空氣被冷卻盤管完全冷卻和干燥到達(dá)點(diǎn)3。然后被冷卻干燥的空氣又回到換熱器中并到達(dá)點(diǎn)4?？諝饨?jīng)過(guò)再熱后就輸入房間內(nèi)。但是，假如再熱器沒(méi)能對(duì)空氣進(jìn)行充分加熱，在點(diǎn)5處的輔助加熱器將會(huì)啟動(dòng)使得房間內(nèi)的溫度相對(duì)適中。
2.2 模型組成
系統(tǒng)中每一點(diǎn)的能量消耗和空氣狀況都可以通過(guò)熱力學(xué)方程模擬得出?？諝鉅顩r可以通過(guò)參考溫度、相對(duì)濕度、含濕量、焓和其他參數(shù)計(jì)算得出。
經(jīng)過(guò)預(yù)冷和干燥的點(diǎn)2處的空氣狀況可以根據(jù)下面方程式(1)、(2)、(3)計(jì)算得出。因?yàn)閾Q熱器的效率隨空氣流速的變化而變化，如果在點(diǎn)2處空氣的焓低于飽和狀態(tài)下的焓，那么空氣的相對(duì)濕度將會(huì)達(dá)到100%。但是如果未能達(dá)到飽和狀態(tài)，點(diǎn)2處的比濕度與點(diǎn)1處的相同。
(1)
(2)
(3)
在典型的制冷/再熱系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)冷卻盤管的空氣狀態(tài)可以通過(guò)室內(nèi)需求的含濕量來(lái)確定。因此，就如方程（4）所示，點(diǎn)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(gè)確切的室內(nèi)含濕量；冷卻盤管的效率可以被用來(lái)確定空氣的狀態(tài)。此外，根據(jù)飽和水蒸氣曲線，因?yàn)榭諝獾睦鋮s除濕是通過(guò)冷卻盤管來(lái)完成的，冷卻盤管的出口相對(duì)濕度包括等于100%的情況。
(4)
(5)
(6)
過(guò)冷空氣經(jīng)過(guò)換熱器后的焓可以利用方程來(lái)計(jì)算得出，該方程與在之前經(jīng)過(guò)換熱器的預(yù)冷過(guò)程中所提到的方程式類似。此外，因?yàn)樵撨^(guò)程沒(méi)有質(zhì)量傳遞，冷卻盤管進(jìn)出口處空氣的含濕量是相等的。
(7)
(8)
當(dāng)換熱器對(duì)空氣的再熱不夠充分時(shí)，將會(huì)通過(guò)輔助再熱器將空氣溫度提高到恰當(dāng)?shù)臄?shù)值。此外，此時(shí)空氣的含濕量與經(jīng)過(guò)換熱器的空氣的含濕量相等。
(9)
(10)
3.實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過(guò)程
3.1實(shí)驗(yàn)裝置
制冷/再熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)構(gòu)造如圖3所示。它由風(fēng)機(jī)、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(shí)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)機(jī)和冷卻盤管的性能容量可以通過(guò)一個(gè)變頻器進(jìn)行改變。篩眼式空氣加熱器是用來(lái)維持一個(gè)適當(dāng)?shù)目諝鉅顩r。
在風(fēng)機(jī)的出口安裝了一個(gè)音速噴嘴作為流量計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)化的T型熱電偶和濕度傳感器被嵌入管壁上，用來(lái)測(cè)量管內(nèi)的空氣溫度和相對(duì)濕度。
3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程
實(shí)驗(yàn)大體是在空氣干球溫度28℃、濕球溫度23.5℃的條件下進(jìn)行的。在此條件下，空氣的相對(duì)濕度為68%，含濕量為0.0164㎏/㎏。換熱器的迎面風(fēng)速設(shè)定為2m/s。室內(nèi)所需達(dá)到的空氣狀態(tài)設(shè)定為溫度19℃、相對(duì)濕度50%。冷卻盤管的容量由空氣所需達(dá)到的相對(duì)濕度確定。另外，為了維持某一特定的狀態(tài)，壓縮機(jī)需在一定程度上進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)空氣在換熱器里再熱不充分時(shí)，需要用輔助再熱器來(lái)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(diǎn)1，Hot Out代表點(diǎn)2，Cold In代表點(diǎn)3，Cold out代表點(diǎn)4和點(diǎn)5（最終狀態(tài)）。根據(jù)前面所提到的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)所需的最終室內(nèi)狀態(tài)不變時(shí)，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(dāng)室內(nèi)所提供的空氣狀態(tài)為19℃，相對(duì)濕度為50%時(shí)，經(jīng)過(guò)冷卻盤管的空氣溫度應(yīng)該始終維持在8℃。但是，因?yàn)橹评溲b置的壓縮機(jī)容量并不能被完全的調(diào)控，所以經(jīng)過(guò)冷卻盤管的空氣溫度不能維持在一個(gè)恰當(dāng)?shù)闹?。因此，我們通過(guò)增加換熱器的迎風(fēng)流速來(lái)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(duì)濕度的分布情況。根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，空氣經(jīng)過(guò)換熱器后的溫度應(yīng)該低于實(shí)驗(yàn)濕度范圍所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。但是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，空氣的相對(duì)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?yàn)閾Q熱器所有表面的溫度不能達(dá)到冷凝溫度，所以某些空氣后還沒(méi)被冷凝就流過(guò)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(guò)冷卻盤管后的相對(duì)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(píng)估系統(tǒng)的性能，我們繪制了圖6來(lái)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(gè)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(huì)降低。而換熱器承擔(dān)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(lái)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(fēng)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?。河骘L(fēng)速為2m/s所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)節(jié)能率大約為39%。因?yàn)椴荒芡耆母魺?，而且輔助再熱量低于正確值，所以實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(dāng)空氣經(jīng)過(guò)冷卻盤管和換熱器時(shí)，熱流量增加。因?yàn)榻?jīng)過(guò)換熱器的熱流量大于經(jīng)過(guò)冷卻盤管時(shí)的熱流量和再熱時(shí)的減少量，所以節(jié)能率從42%降低到38%。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)相當(dāng)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(shí)，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(yīng)相應(yīng)增加。所以，冷卻盤管的熱流量也要相應(yīng)增加，其出口處的空氣溫度要相應(yīng)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(shí)驗(yàn)當(dāng)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(guò)冷卻盤管的熱流量減小，而換熱器的熱流量卻會(huì)增加。正如我們先前所提到的，因?yàn)閾Q熱器承擔(dān)了最大份額的制冷和再熱任務(wù)。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(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)的節(jié)能率高達(dá)50%。并且，顯然系統(tǒng)的節(jié)能率受換熱器前部迎面風(fēng)速、入口溫度、入口含濕量以及換熱器效率的影響。當(dāng)流速增加時(shí)，因?yàn)閾Q熱器的效率降低，系統(tǒng)的節(jié)能率降低。當(dāng)入口處空氣溫度升高時(shí)，因?yàn)閾Q熱器冷熱側(cè)流體的溫度差異增加和對(duì)輔助再熱器的需求降低，系統(tǒng)的節(jié)能率增加。當(dāng)空氣濕度增加時(shí)，因?yàn)槌凉裥枨笤龃螅到y(tǒng)的節(jié)能率降低。此外，值得注意的是，在模擬實(shí)驗(yàn)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(cè)得的數(shù)據(jù)都與模擬數(shù)據(jù)相當(dāng)一致。
感謝
由韓國(guó)政府商貿(mào)能源部實(shí)施的區(qū)域改革性研究生提升項(xiàng)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(hào)
：效率
：相對(duì)濕度
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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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