文章编号: 1005—0329(2006)03—0083—04热泵空气侧换热量测量空气焓差法改进钟晓晖,吴玉庭,张行周,王艳红,崔 廷,马重芳(北京工业大学,北京 100022)摘 要: 利用空气焓差法进行热泵空气侧换热量测量时,通常采用测流量法测量风的流量和截面平均温度。
这种方法受温度测量布点的限制,使精度很难进一步提高,本文对这种方法进行了改进,采用风量测量和风速测量对温度进行加权的方法,并对这两种方法进行了比较、分析。
关键词: 热泵;换热量;焓差法中图分类号: T Q051.5 文献标识码: AImprove of E nthalpy Potential Method for Measuring Air H eat C apacity of H eat PumpZH ONG X iao 2hui 1,W U Y u 2ting ,ZH ANG X ing 2zhou ,W ANG Y an 2hong ,C UI T ing ,M A Chong 2fang(Beijing University of T echnology ,Beijing 100022,China )Abstract : When we measure the air heat capacity of heat pump by enthalpy potential method ,the flow rate measuring method was used to measure flow rate and sectional mean temperature of air.This method is limited by temperature measuring stationing.Its preci 2sion is difficult to In this paper ,the method is improved ,we use flow rate measuring method and air velocity weighting temper 2ature method.M oreover ,tw o methods were compared and analyzed.K ey w ords : heat pump ;heat capacity ;enthalpy potential method收稿日期: 2005—06—17 修稿日期: 2005—10—281 引言目前热泵制热量的测量方法主要为热平衡法和空气焓差法。
空气焓差法是利用空气流过制热装置时获得的热量(焓差)与制热装置放热量相等的原理,分别测出进入和离开制热装置放热量,两者相减即为制热量。
这种方法既可以进行静态实验还可以进行动态实验,而且结构简单、较容易实现,是目前在空调系统测试中广泛采用的一种方法。
测量进出风焓值时,常采用测流量法测量风的流量和截面平均温度,但该方法受温度测量布点所限,精度很难进一步提高。
本文对此方法进行改进,采用风量测量和风速测量对温度进行加权的方法,并用换热器水侧焓值进行了校验。
2 测试原理和试验装置211 测试原理空气焓差法测量制热量的关系式(严格绝热条件下)为:Q h =ΔH =G (h 2-h 1) (kW )(1)式中 G ———空气质量流量,kg/s h 1,h 2———进、出风空气焓值,k J/kg 湿空气焓值为:h =1.01+0.001d (2501+1.84t ) (k J/kg )(2)式中 t ———湿空气的干球温度,℃ d ———湿空气的含湿量,g/kg 干空气则 Δh =h 2-h 1=(1.01+0.00184d )(t 2-t 1)(3)因此,制热量计算的精度取决于空气流量、进出口截面平均温度以及含湿量的测量和计算。
图1所示为管道内某一截面上流体的温度分布。
在管内任取一微元面积d F ,则流体的质量流量为ρu d F ,热流量为c p ρtu d F ,通过整个截面的热流量为∫Fc p ρtud F ,截面上(按能量平均)的流体平均温度为t F ,对于常物性流体有:c p ρt F u m F =c pρ∫Ftu d F (4)即 t f =∫Fut d F /u mF=∫fut d F /V (5)式中 u m ———截面平均风速,m/s V ———体积流量,m 3/s F ———风道截面面积,m 2 u ———截面局部速度,m/s从上式可以得出各个温度点的权值受其所在点风速的影响。
图1 管截面流体平均温度的计算示意212 试验装置本文建立了吸风式风洞,并搭建了热泵空气侧换热量测量实验台。
图2所示为实验系统,该实验系统主要由风系统、水系统和测量系统三部分组成。
图2 热泵空气侧换热量测量实验台示意2.2.1 风系统风洞分为入口段、整流段、收缩断、稳定段和测试段等几个主要部分。
测试段安装换热器,测试段后安装孔板流量计,风量通过风机调节阀调节。
2.2.2 水系统其主要包括恒温水槽、循环泵、涡轮流量传感器、管道、阀门及高位水箱等。
热水进口温度通过恒温水槽来调节,保证进口水温恒定。
热水被循环水泵加压后送至被测换热器中,与空气进行热交换后,进入高位水箱。
在循环水泵出口装有涡轮流量传感器,将产生的电脉冲信号通过信号放大器送至流量数字积算仪中,从而直接测量出通过换热器的水流量。
在换热器的进出口分别设有混合室,以便准确测量进出口水温。
通过调节阀门可以改变系统水的流量,使流经换热器管内水流的速度满足测试工况的要求。
2.2.3 测量系统其主要包括以下几个部分:(1)温度测量 水侧温度测量采用T 型热电偶,精度可达0.1℃,在换热器进出口水管路上设置混合室,直接测水温;空气侧温度采用铂电阻,精度可达0.1℃;在进出口截面上各布置9个点,在各小方块中心布点,布点位置如图3所示。
图3 矩形风管测点位置示意(2)湿度测量 采用BZ16便携式自动露点湿度计,精度可达1PPM。
(3)风速测量 采用TEST O T425热敏风速仪,精度为±(5%mv±0.05m/s),mv为测量值。
(4)流量测量 空气流量采用宽量程自适应式孔板流量计测量,仪表测量范围可达100～1000m3/h。
通过流出系数、流束膨胀系数等进行在线计算,保证了计量的精度,在1∶20的测量范围可以达到±1%RS(读数值)。
水测流量测量采用涡轮流量计,型号为LWGY24,测量范围为40～250L/h,通过信号放大器接远程仪表显示读数,精度等级为±1%FS。
3 两种测量方法的结果比较对不同水流量下的空气侧换热量进行了测试,图4～7分别为水流量为40kg/h、60kg/h、80kg/h和100kg/h时水侧和空气侧的换热量。
以水侧换热量为准,比较两种测量方法的精度,两种测量方法的焓值计算方法相同,都采用式(1)～(4),区别在于对9个小区的温度测量值的处理上:方法一是取各个温度点的几何平均值;而方法二以测温点处的风速值为各个温度点的权重对温度进行加权,加权以后得到的平均温度才真实反应了流体的平均温度为t f(见式(5)),具体计算方法如下:方法一:t=(t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7+t8+t9)/9方法二:t=(v1t1+v2t2+v3t3+v4t4+v5t5+v6t6+ v7t7+v8t8+v9t9)/(v1+v2+v3+v4+v5+v6+v7+v8+v9)式中 t1～t9———图3中各小区中心点的温度值 v1～v9———测温点处的风速值从实验结果可以发现,温度加权后空气焓差法的误差减小,精度明显提高。
图7中当水流量为100kg/h时,空气侧的换热量与水侧换热量差别较大,而且风量越小,差值越大。
这是风洞保温层的效果较差,风洞出口会向外界散失一部分热量的缘故。
风量越小,出口的平均温度与外界温度的差别就越大,向外界散失的热量就越多,空气侧的换热量与水侧换热量的差别就越大。
图4 水流量为40kg/h时换热量图5 水流量为60kg/h时换热量图6 水流量为80kg/h时换热量图7 水流量为100kg/h时换热量此外,从实验结果还可以发现,随着空气流量的增加,两种方法的测量值趋于一致,这是因为随着空气流速的增加,逐渐由层流变为湍流,层流和湍流的速度分布规律不同(见图8,9),对温度的权数影响也不同,层流时,速度对温度权数的影响较大,而湍流时速度对温度权数的影响较小。
图8 层流进口段边界层的发展及换热特征图9 湍流进口段边界层的发展及换热特征4 结语温度加权焓值法不仅消除了风速对空气温度测量的原理误差,提高了测量精度,而且对测量时温度布点的要求较小,可以简单地采用均匀布点方式,使操作更简便。
同时,试验证明此方法能够显著地降低热泵空气侧换热量的测量误差。
参考文献:[1] 张小松,王立,凌辰.热泵空气侧制热量测量方法的探讨[J ].流体机械,2000,28(10):55258.[2] 谢爱霞.空气焓差法试验装置的设计和布置[J ].湛江海洋大学学报,2003,(4):52256.[3] 邵双全,石文星,彦启森.空调器性能测试实验台中空气焓值测量方法的改进[J ].实验技术与管理,2002,(5):38242.作者简介:钟晓晖(19772),博士研究生,从事制冷空调仿真与实验方面的研究,通讯地址:100022北京市北京工业大学427信箱。