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无锡东进:膜式全热换热器的探讨分析

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1实验装置与实验方法

1.1实验系统

膜式全热换热器EHD强化空气对流传热系统,主要由膜式全热换热器,高压静电发生器,风机和风管组成。进入换热器的新风温湿度为室外的实际气候工况,由风机从室外引入,而进入换热器的排风为室内实际工况由风机直接从室内排出,其温湿度大小由建筑物的中央空调控制。在新排风进出口布置温湿度测点1,2,3和4,其值用芬兰VAISALA温湿度传感器测得。在新风进出口管路上布置测点5和6,通过WQ1151电容式差压变送器测得新排风通过换热器的空气阻力损失。本实验系统新排风风量由通过在新排风进口处的EF80热式气体质量流量计测得,风量通过在风机上串联的调速开关来进行调节。换热器中高压电场强化是通过布热能动力工程2010年置在换热器内的线-板电极结构来实现,电压的调节通过高压静电发生器实现。

1.2膜式全热换热器芯体结构及内部电极结构

膜式全热换热器芯体结构示意图膜式全热换热器是新风换热器的核心,因此换热器的制作成为影响换热性能的关键。图2为膜式全热换热器芯体结构示意图,在膜材料的两个对边上粘贴塑料条,然后通过4根绝缘棒串联固定,如图3所示,固定时塑料条间隔放置,形成交错矩形通道,新风与排风交叉通过换热器。整个芯体长,宽,高为200mm200mm260mm,芯体内气流通道高度为4mm.膜材料选择对水分子有选择透过性功能的高分子膜材料,厚度为0.02mm,膜孔径为3000D(道尔顿),约为2nm.膜式全热换热器芯体内部的电极结构布置如图3所示。本研究选择的电极布置方式为线-板式结构,电极电压通过高压静电发生器产生和调节。在相同的电压下[8],正极性放电较负极性放电更加强烈,正极性放电等离子区域大于负离子电晕,因此选用0.2mm的细铜丝作为正极电晕线。为了防止两个相邻的电晕线相互影响,每相邻电晕线间距为20mm;选用高密度金属网作为放电负极,正负电极之间为热交换膜,这样在两个通道内就形成了一个线-板式的电极结构。每两个线-板结构中间隔一个通道,以便防止两层电极之间的相互影响。换热器共布置了11个线-板结构,所有的线电极并联并与高压静电发生器的正极相连,电极板并联接地。

由于受膜式换热器本身结构的影响,膜式全热换热器的线板间距离为7mm.

2.EHD电场强化空气对流换热原理

EHD对传热的强化作用实质上来源于电场力对流体的作用,根据电磁学理论,对单相气体,其介电常数接近为1,自由电荷的库仑力(电泳力)占主要地位,其主要表现为电晕放电。本实验电晕线施加正电压后,电极上产生电晕放电照片。在线电极附近,由于电场的作用,气体将会离子化电离,产生带电粒子,这些带电粒子在库仑力的作用下向电极板运动,并且通过碰撞将动量传给中性分子引起的高速离子射流流动,这种离子射流对周围流体流动产生强烈的扰动,形成附加的流体运动,即所谓的电诱导二次流,它将导致对流传热效果的加强。

3实验数据分析

本实验中温度,湿度,风量值均为直接测量得到,显热及潜热的换热效率分别与温度,风量及湿度,风量有关,因此本研究采用二次方公式误差传递的方法分析实验测量值对显热效率及潜热效率的影响,经计算得出显热效率的相对误差#5.91,潜热效率的相对误差#5.11.

4实验结果及分析

4.1电极电压对换热效率的影响

温差3.7,湿度差5.5g/kg,迎面风速0.56m/s,线板距离7mm时,在换热器内部流场施加电压后,电压值对换热效率的影响的实验结果。在施加电压之前,换热器的显热换热效率为37.8,潜热换热效率为56.在相同实验条件下,当施加电压大于起晕电压(本研究为4.5kV)后,才开始对换热起到强化作用。这是因为,只有达到起晕电压后,才可能激发电极产生足够能量的电子,形成由电极向电极板运动的电晕风,从而对空气产生扰动强化换热。在邻近击穿电压附近(本研究为5.6kV),强化效果最明显,显热效率为43.8,潜热换热效率为56.9.可见,换热器的显热换热效率在施加电压后有明显的提高,潜热效率变化则不明显。显热效率随着施加电压的提高而增大,缘于随着电极电压的逐步升高,电场强度越来越大,空气粒子的离子化程度越来越高,使得流场中的自由电荷越来越多,电荷受到的库仑力也越来越大,由库仑力造成的垂直于流动方向的径向扰动越来越强,所以显热换热效率越来越高,直至达到击穿电压的临界点时,换热效率达到最高值。而对于潜热效率,虽然电晕风也能引起传质边界层的扰动,从而加强潜热量的交换,但是由于在极不均匀电场中,水分子具有弱电负性[12],容易吸附电子形成负离子,造成水分子向电晕线方向运动,从而对潜热的交换有一定抑制作用,因此EHD电场强化对潜热效率影响并不明显。

施加电压对换热效率的影响图6为温差5.3,湿度差4.3g/kg,迎面风速0.56m/s,线板距离7mm时,EHD强化换热的实验结果。在施加电压之前,显热效率为40.5,潜热效率47.1,施加电压后,在临近击穿电压的情况下,显热效率为46.1,潜热换热效率为47.8,可见在相同风速,不同的温差和湿度差条件下,施加电场都会对显热换热有明显强化作用,而对潜热强化则不明显。

不同迎面风速下电极电压对显热效率的影响4.2迎面风速对EHD强化换热的影响迎面风速对全热换热器换热效率的影响比较大,文献[13]在此方面已经做了大量的实验研究。

换热器在温差为5.3,不同迎面风速下电极电压对显热效率的影响。实验表明,换热器的显热效率随着风速的增大明显减小。根据对流传热传质原理,掠过固体表面的气流速度增大,对流传质系数增加,但通道长度一定时,风速的增大将使单位体积空气在换热器内热质交换时间变短,不利于新排风进行充分的热质交换,最终导致全热换热器的换热效率是随着风速的增加而减小。从实验结果可以看出,在施加电场后,不同迎面风速下,显热换热效率都有相应的提高,但风速增大时,EHD电场强化换热的效果相对减弱,迎面风速越小,强化效果越明显。这是由于随着流速的增大,电场力跟粘性力和惯性力相比,作用不是很明显。电晕风对于低雷诺数对流换热具有较好效果,当雷诺数较高时,由于此时的对流换热系数已经较大而且电晕风引起的二次流小于主流速度,因而强化效果不明显。因此,对于电场强化余热回收,有必要对电场和流场的结构进行优化,以提高余热回收效率。

5结论

(1)膜式全热换热器在外加高压电场的条件下,显热效率提高了6以上,而潜热效率的提高则不明显。

(2)EHD电场强化换热在达到起晕电压后才开始起作用,并且施加电极电压越高,强化效果越明显,在临界击穿电压处,强化效率达到最高值。对电极结构进行优化,提高施加电压,可以提高换热器的效率。

(3)EHD电场强化换热在不同迎面风速下,显热换热效率都有提高。迎面风速越小,显热换热效率越大,电场强化传热效果越明显。