振动平板的传热性能实验

王一平，卢艳华，朱 丽，王 启，冯 娜

(1. 天津大学化工学院，天津 300072；2. 天津大学建筑学院，天津300072)

当前，建筑能耗约占我国社会总能耗的 28%．据建设部测算，2020年—2030年左右，我国建筑能耗将占总能耗的 30%～40%，达到欧美目前的比例，超过工业，成为全社会第一能耗大户，其中暖通空调负荷(heating，ventilation and air conditioning，HVAC)约占65%．随着生活水平的提高，人们对室内空气品质要求越来越高，新风负荷已占 HVAC的 30%～40%．利用新风与排风之间的热量交换，将新风负荷60%～80%的能量回收进入室内，可兼顾“能量”与“质量”的问题，但目前的热回收设备存在交叉污染、成本高、效率低、运行费用高、维护难、操作条件苛刻、体积重量大等问题[1-7]．

从原理上讲，整个热回收过程为气-气间壁式换热，其主要热阻来源于传热板两侧的空气滞流边界层，需要采用强化传热技术来提高换热设备性能．振动作为一种主动式强化传热方式，根据振动的强度及系统不同，对自然对流可使其传热提高30%～2 000%，对强制对流可使其传热提高 20%～400%[8]．流体流动导致换热表面振动，不用任何外加装置，就可实现传热面振动．国内外学者[9-11]进行了流体诱导换热表面振动强化传热的研究，并应用于实际生产，实现了可观的经济效益．

为了流体诱导振动在建筑中排风余热回收的有效利用及高效传热设备开发，笔者以聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)薄板为换热材料，实验研究了流体低速错流流过振动平板的传热特性．

1 实 验

1.1 实验系统

实验系统主要包括空气处理系统、平板激振系统和温度采集系统3部分，如图1所示．

图1 实验装置流程示意Fig.1 Flow chart of experimental equipment

(1)空气处理系统．以电热带作为加热元件，通过调节变压器的电压来改变加热空气的温度，用旁路阀门调节风量，利用玻璃转子流量计测量流量．

(2)平板激振系统．主要由直流稳压电源、直流电机、偏心转子、曲柄连杆结构组成，如图 2所示．通过改变电机输入电压、转速表测试电机转速，实现改变振动频率；通过改变偏心转子的偏心大小来改变振幅，并用 CCD图像传感器记录实验过程的振幅进行分析校准．

图2 振动产生装置示意Fig.2 Vibration producing equipment

(3)温度采集系统．采用OMEGA生产的TT-J36型 2×0.127,mm 0.1精度等级的热电偶作为采温元件，在冷、热风进口及出口设置测温点，将各个测温点的热电偶与昌晖公司生产的SWP系列多路巡检显示控制仪(采集卡)相连，形成 RS485网络，再通过RS232-RS485转换器接到计算机的串口，利用组态软件构成实时数据采集系统，数据可通过 EXCEL查询，数据采集系统界面如图3所示．

图3 实验数据采集界面Fig.3 Interface of experimental data collection system

1.2 实验数据处理

实验测量的主要参数有进冷热空气的进出口温度、流量、传热平板的振幅和频率，通过自动数据采集系统将实验数据输入计算机．待实验工况达到稳定后，开始采集数据．

传热量的计算式为

式中：Qh、Qc为热、冷风侧传热量，W；mh、mc为热侧、冷侧风量，kg/s；cph、cpc为热、冷侧空气的定压比热；thi、tho为热侧进、出口温度，℃；tci、tco为冷侧进、出口温度，℃．

传热效率定义为η＝(实际显热回收量/最大可能的显热回收热量)×100%．当送风量相同时，忽略流体物性变化，以热空气为基础，则

2 实验结果与讨论

2.1 温差对传热的影响

冷热空气流量为2.3,m3/h时，不同振动频率下冷热空气进口温差对换热效率的影响如图4所示．

图4 不同振动频率下换热效率随温差的变化曲线Fig.4 Variations of heat transfer efficiency with temperature difference under various vibration frequencies

从图 4可以看出：在其他条件相同的情况下，平板振动与不振动相比，换热效率都是随着温差的增加减少的．当不振动的时候，换热效率是随温差线性下降的；有振动时，效率随温差的变化曲线近似呈抛物线，且随着振动频率的增加，变化的趋势趋平缓．表明有振动时换热效率受温差的影响小，而不振动时换热效率受温差的影响较大．

另外，从图4还可以看出振动频率对换热效率的影响存在临界点，临界点的温差范围为 16～18,℃，当温差小于临界点时，换热效率与振动频率呈反比，即同一温差下，振动频率越高，换热效率越低；当温差大于临界点时，换热效率与振动频率呈正比．其原因将通过数值模拟的手段对实验工况下板间的速度场、温度场做进一步分析，以期得到振动频率对换热效率的影响机理．

2.2 风量对传热的影响

以冷热空气进口温差保持在 21.0,℃、风量保持在 1.7,m3/h为例，研究在不同振动频率下风速对效率的影响，如图5所示．

图5 不同振动频率下风速对换热效率的影响Fig.5 Effect of speed of air flow on heat transfer efficiency under various vibration frequencies

从图 5中可以看出，板在振动与不振动的情况下，其换热效率都随着板间风速的增加而减少，这是由于停留时间减少、换热不充分导致的．在流速增加、换热效率减少的总体趋势下，传热效果在振动的情况下优于不振动时．以振动频率 40.1,r/s时的传热效果最好，其次是20.9,r/s和5.2,r/s．

2.3 振动频率对传热的影响

在平板振幅为 0.24,mm、风量为 2.0,m3/h、冷热风进口温差为 20.7,℃的工况下，得到了不同振动频率的换热效率的测量结果，如图6所示．

从图 6可以看到，当换热板产生振动时，其换热效果优于不振时，且换热效率随着振动频率的增加而增加．分析原因如下：换热板的振动使得换热板表面附近的流体流动边界层发生扰动，进而导致热边界层的扰动，传热效果得到改善；频率增大时，换热板的振动响应加快，从而使得换热板表面的流体流动边界层及热边界层扰动更加充分，使得传热效果增强．

图6 振动频率与换热效率的关系Fig.6 Relationship between vibration frequency and heat transfer efficiency

2.4 振幅对传热的影响

以换热板振动频率为 40.1,r/s、空气流量 2.3,m3/h为例，研究不同温差下换热效率与振幅的变化趋势，如图7所示．

图7 换热效率在不同的温差下随振幅的变化Fig.7 Variatios of heat transfer efficiency with vibration amplitude under various temperature differences

从图 7可以看到，随着振幅的增大，换热效率有所增加，换热得到明显改善．主要原因是由于换热板的周期性振动，换热通道形状发生周期性变化，使得通道内流体速度场发生周期性扰动，进而影响到温度场的变化，使得传热得到改善；随着幅度的增加，换热通道的形状变化增加，通道内流体速度场及温度场的变化幅度增加，从而使得传热效果增加．

3 结 论

(1)换热效率均随着温差的增加而减少，传热板不振动时传热效率呈线性变化，有振动时，效率变化曲线近似呈抛物线，且随着振动频率的增加，变化的趋势趋平缓；振动频率对换热效率的影响存在临界点，临界点的温差范围为 16～18,℃，当温差小于临界点时，换热效率与振动频率呈反比，当温差大于临界点时，换热效率与振动频率呈正比．

(2)换热效率随着流量的增加而减少，传热效果在振动的情况下明显优于不振动时．

(3)随着换热板振幅和频率的增加，传热效果得到改善，振动振幅对传热的影响较大，换热效率最大增加18.1%．

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