分离型热管特性分析及其热回收空调器的应用研究

摘要

随着建筑能耗的不断增加，以及全球能源供应紧张局面的出现，减少建筑能源消耗更加被人们所重视。建筑空调系统节能的途径有很多，其中重要的一种方式就是开发和利用热回收装置。采用热回收节能装置预热/预冷新风，不仅可以节约能耗，并且可以引入和加大新风量，改善室内空气环境，创造健康的室内气候。 本文针对住宅用空气源窗式热泵空调开发研制了分离型热管热回收器。热回收装置的增加相应使得室内空调气流环境状态和窗式空调的运行性能发生变化，本文将详细讨论以上内容。 本文首先指出了本课题的研究背景及实际意义，回顾了热管的发展过程以及目前国际、国内进展情况。文献调查分析指出空调热回收装置是实现节能和健康双赢的一个有效手段。 探讨了分离型热管充液率的上下临界边界，建立一维数学模型，得出上下临界边界的关系式。分别讨论工质蒸发温度、截面特性、热输入量、工质类型等参数对充液率临界边界的影响。分析结果表明，不同的参数影响不同的边界，工质蒸发温度和蒸发段长度主要影响下边界，而截面水力半径则对上边界作用明显。不同的工质类型，热管可运行充液率范围不同。然后，设计相应的实验方案，以便能够对理论结果进行验证。 设计并开发制作了分离型热管热回收器，同时进行了该热回收装置的性能实验。实验主要针对热管的启动温度，热管充液率以及室内外温度对热管性能的影响。以期了解当热管结构形式确定后，其它参数如充液率、室内外温度等对热管的影响。实验结果表明热管充液率对热管回收效率影响很大。 分别考虑卧室住宅空调采用带热回收装置窗机、无热回收装置窗机和分体机三种模式，并且将空调器送风口放置高位置和低位置，在夏季制冷运行和冬季制热运行条件下，对室内空气的流速、温度、人体释放CO2浓度和污染物浓度分布进行CFD数值模拟。数值预测结果表明，室内流场结构及新风、排风对污染物浓度和分布影响很大。新风的稀释作用与排风的携带作用可以降低室内污染物整体水平；合理的流场结构可以有效抑制污染物的扩散作用。从气流组织及排污能力而言，带热回收装置窗机优于相同条件下的其它两种模式。 最后分析探讨了热回收装置对空气源热泵结霜性能的影响。主要运用质量和能量守恒方程求解混合空气的物理特性，并讨论入口空气温度、相对湿度和空气质量流对总换热系数、霜层厚度及空气侧压降的影响。经热回收装置换热的室内空气与室外空气混合后温度、相对湿度和质量流量会发生变化，影响窗式空调的结霜。

目录

文摘

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第1章热管发展及其热回收应用

1.1热管发展历史及现状

1.1.1热管的发展过程

1.1.2现状及发展趋势

1.2热管回收空调器及其应用相关问题

1.2.1能源现状是热管节能的原动力

1.2.2室内空气环境问题

1.2.3改善室内空气环境

1.2.4热回收对空调器结霜过程造成的影响

1.2.5本文主要内容

第2章热管基本原理

2.1热管的运行原理

2.1.1普通吸液芯热管的工作原理

2.1.2分离式热虹吸管的工作原理

2.2热管的特点

2.3热管的分类

2.3.1两相闭式热虹吸管

2.3.2毛细力驱动热管

2.3.3环状热管

2.3.4平板热管

2.3.5旋转热管

2.3.6前翼热管

2.3.7载气热管

2.3.8毛细泵循环热管

2.4热虹吸管理论

2.4.1蒸发传热分析

2.4.2冷凝传热分析

第3章分离型热管充液率运行边界探讨

3.1 引言

3.2 工质充液率可运行边界数学模型

3.2.1充液量数学模型概述

3.2.2充液率下边界的确定

3.2.3充液率上边界的确定

3.3充液率可运行边界计算结果分析

3.3.1截面水力半径对充液率边界的影响

3.3.2不同工质类型条件下蒸发段长度对充液率边界的影响

3.3.3 工质蒸发温度对临界液膜厚度的影响

3.4实验装置及可行方案

3.4.1实验装置

3.4.2实验方案及步骤

3.5本章小结

第4章分离型热管热回收器的设计及性能分析

4.1引言

4.2样机结构设计及制作

4.2.1样机设计

4.2.2样机结构

4.2.3制作过程

4.3样机实验仪器简介及实验过程

4.3.1风量测量

4.3.2温度测量

4.3.3实验过程

4.3.4实验误差分析

4.4实验结果及数据分析

4.4.1热管启动温度的实验

4.4.2充液率对热管运行影响的实验

4.4.3室外温度对热管运行的影响

4.5本章小结

第5章热回收窗式空调模式的卧室空气环境

5.1研究背景

5.2物理模型描述及三种典型床体位置模拟

5.2.1分体式空调器

5.2.2普通窗式空调器及带热回收装置的窗式空调器

5.2.3改变床体位置的模拟

5.3数值计算模型及边界的建立

5.3.1常用湍流流体控制方程组及其离散求解方法

5.3.2边界条件

5.3.3室内CO2发生量的确定

5.3.4室内有机污染物甲醛发生量的确定

5.3.5空气渗透量计算

5.4计算结果与讨论

5.4.1夏季制冷运行条件下流场结构

5.4.2夏季制冷运行时各类情况比较及分析

5.4.3冬季制热运行条件下流场结构

5.4.4冬季制热运行时各类情况的指标比较及分析

5.5本章小结

第6章热回收对空气源窗式热泵空调结霜过程的影响

6.1引言

6.2数学模型描述

6.2.1蒸发器表面结霜

6.2.2总传热量

6.2.3空气侧模型

6.3物理模型

6.4计算结果与讨论

6.4.1入口空气温度的影响

6.4.2相对湿度的影响

6.4.3空气质量流量的影响

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢

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