連棟溫室散熱管道輻射涂層的熱工性能研究

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摘要：本文從連棟溫室供熱系統(tǒng)的節(jié)能要求出發(fā)，重點研究了常用的熱水供熱系統(tǒng)光管散熱管道的熱工性能在涂輻射涂層前后性能變化，及提高散熱管道輻射換熱特性對溫室內(nèi)熱環(huán)境的影響，為設(shè)計經(jīng)濟合理的連棟溫室提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：節(jié)能熱工性能換熱0前言連棟溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要組成部分，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。但由于連棟溫室中的供熱系統(tǒng)初投資和運行費用高，使連棟溫室的發(fā)展受到了影響。如何提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的技術(shù)含量，降低溫室運行的成本成為迫在眉睫的問題。目前連棟溫室供熱系統(tǒng)的散熱設(shè)備，主要為常規(guī)散熱器、光管散熱管道以及帶肋片的散熱管道，由于光管散熱管道熱器（包括帶具有傳熱系數(shù)大，輻射換熱量比例大，拆卸方便，可作為溫室內(nèi)做業(yè)的導(dǎo)軌，熱管道作為散溫度場均勻，垂直溫差較小等特點。因此成為連棟溫室中最常用的散熱設(shè)備。本文著重研究提高光管散熱管道的熱工性能，并探討降低連棟溫室供熱系統(tǒng)費用的可行性。1連棟溫室供熱系統(tǒng)常用光管散熱管道的熱工性能1.1理論分析的原始數(shù)據(jù)冬季室內(nèi)的計算溫度取花卉區(qū)的設(shè)計溫度：tn=18℃。室外氣溫，取上海地區(qū)供暖室外計算溫度tj=-2oC。設(shè)計供水溫度，考慮到溫度太高會傷害作物，宜取tg=80oC；設(shè)計回水溫度，取th=55oC；供、回水平均溫度取供、回水溫度的算術(shù)平均值67.5℃。散熱管道材質(zhì)為鍍鋅鋼管，外徑57mm，壁厚δ=3.5mm，λ=54W/m·K，散熱管道內(nèi)為受迫紊流流動換熱1.2理論計算與分析由于散熱管道管壁很薄，遠小于鋼管直徑，因此在K值計算時，可近似為無限大平壁。根據(jù)文獻[1],平壁的K值計算式為：W/m2.℃?。?）式中：αn--散熱管內(nèi)表面的復(fù)合換熱系數(shù)，W/m2·K；δ--散熱管道壁厚，m；λ--散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。αw=αc+αrαc–管外對流換熱系數(shù)，W/m2·K；αr–管外輻射換熱系數(shù)，W/m2·K；根據(jù)傳熱學(xué)原理，K值主要取決于αw，可認為K≈αw,從文獻[2]得計算結(jié)果得到：αc=6.91，αc=2.22，K≈αw=9.13輻射因素所占的比例為2涂鍍輻射涂層的光管散熱管道的熱工性能分析在常用光管外壁面發(fā)射率較低的情況下（計算時取發(fā)射率=0.28），輻射散熱在總的散熱中仍占較大的比例，為此我們設(shè)想在光管散熱管道表面涂鍍發(fā)射率較高的紅外輻射涂料來增強輻射換熱，從而達到提高光管散熱管道的熱工性能的目的。2.1輻射涂層的特性及其基本要求2.1.1涂料自身的輻射性能：1)材料結(jié)構(gòu)與輻射性能的關(guān)系。不同材料的發(fā)射率不同。一般來說金屬導(dǎo)電體的數(shù)值較?。浑娊赓|(zhì)材料的數(shù)值較高。2)溫度與輻射性能的關(guān)系。金屬材料的發(fā)射率通常隨溫度上升而增加；電解質(zhì)材料的發(fā)射率則與溫度沒有固定的相互關(guān)系。3)材料表面狀態(tài)與輻射性能的關(guān)系。一般來說，材料表面越粗糙，其發(fā)射率值越大，這種情況對金屬比對電介質(zhì)材料更為顯著。4)輻射特性隨工作時間的變化。金屬材料由于氧化作用，其發(fā)射率通常會隨工作時間增加而提高；而某些電解質(zhì)材料由于晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生改變，其發(fā)射率反而將隨工作時間增加而下降。2.1.2涂層材料用于溫室工程的要求：1)防水防腐要求；2)不影響溫室內(nèi)作物的生長；3)無毒無害；4)價格適中，施工方便。2.1.3示范材料的選擇：根據(jù)涂料自身的輻射性能和溫室工程的要求，在實驗中采用上海某涂料制造有限公司試制的紅外輻射涂料作為示范涂料。涂料主要成分及基本參數(shù)如下：主要成分(按質(zhì)量百分比)：硫化鉛--20%，氧化鋯--20%，稀釋劑—60%；涂層厚度：0.3mm；導(dǎo)熱系數(shù)λ’:約0.5～0.8W/m·K；發(fā)射率：在連棟溫室的溫度工況下，涂料的發(fā)射率=0.91～0.93。計算時取=0.922.2有輻射涂層的光熱管道熱工性能分析散熱管道近視為無限大平壁。根據(jù)文獻[1]，K值計算式為：W/m2.℃?。?）δ'--涂料厚度，m；λ'–涂料導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K。','--有涂料的散熱管內(nèi)，外表面的復(fù)合換熱系數(shù)，W/m2·K；由于涂層很薄，δ'/λ'≈0。外壁涂層對內(nèi)壁換熱情況的影響很小，因此，外壁涂層對內(nèi)壁換熱系數(shù)αn’基本無影響，可認為αn’=αn；散熱管外表面的對流換熱系數(shù)仍為αw’=αc’+αr’由于外壁的對流換熱形式是自然對流換熱，因此換熱系數(shù)與表面涂層情況及壁面粗糙度無關(guān)，僅與壁面溫度和周圍空氣溫度以及定型尺寸有關(guān)。在壁面溫度和周圍空氣溫度及定型尺寸不變的條件下，管外對流換熱系數(shù)不變。在溫度條件不變的工況下，輻射換熱系數(shù)僅與發(fā)射率有關(guān)，則：所以K'=α’=7.29+6.91=14.20W/m2·K。由上述理論計算，可知：在管道表面涂鍍高發(fā)射率涂料，能夠顯著提高管道換熱系數(shù)，是提高散熱管熱工性能的有效方法。2.3實驗室測試的初步結(jié)果根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）規(guī)定：光管傳熱系數(shù)K值的測定在符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的封閉小室內(nèi)，保持室溫恒定下進行。為此實際測量在同濟大學(xué)暖通空調(diào)實驗室中進行。根據(jù)文獻[2]中的方法指導(dǎo)實驗并進行實驗臺的布置經(jīng)過實驗并通過計算最后可將傳熱系數(shù)K的實驗公式整理為：K=9.81Δt0.088在理論計算的條件下，將溫室室內(nèi)散熱管道的設(shè)計參數(shù)tn=18℃，tpj=67.5℃代入實驗室公式得：K=9.81Δt0.088=9.81x(67.5-18)0.088=13.83W/m2.℃與前述理論分析的K值接近。2.4輻射涂層對植物熱平衡的影響在同樣熱舒適的前提下，低溫輻射供暖房間的設(shè)計溫度可以比對流供暖房間降低2～3℃。這一溫度降低量是以人體熱舒適方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的。植物從本質(zhì)上來說也是生物，也有對熱舒適的感受。下面將仿照人體熱舒適方程，寫出植物的熱舒適方程，并嘗試推導(dǎo)出對象溫室涂鍍輻射涂層后，設(shè)計溫度的理論降低量。由于植物不向外做機械功，所以W≡0；模仿人體的熱平衡方程式，植物的熱平衡方程式寫為如下形式：S’=M’-E’-R’-C’=0（3）式中：S’--植物的蓄熱率，W/m2；M’--植物的能量代謝率，W/m2；E’--植物葉片表面水分蒸發(fā)及呼吸作用帶走的熱量，W/m2；R’--植物與周圍環(huán)境的輻射換熱量，W/m2；C’--植物與周圍環(huán)境的對流換熱量，W/m2。植物在穩(wěn)定環(huán)境下達到熱舒適，S’應(yīng)為0。在環(huán)境參數(shù)改變時，須保證S’仍=0，才能保證植物的熱舒適感受不變。根據(jù)文獻4，M’、E’、R’、C’四項中，僅E’和C’兩項與空氣溫度tf2有關(guān)。其中，E’=L+Eres+Ed+Esw式中：L--呼吸時的顯熱損失，W/m2；Eres--呼吸時的潛熱損失，W/m2；Ed--植物體液滲透造成的熱損失，W/m2；Esw--植物表面水分蒸發(fā)造成的熱損失，W/m2；這四項中，僅L一項與空氣溫度tf2有關(guān)。由此我們可知當(dāng)環(huán)境溫度變化時，要使植物的熱舒適感覺不變，則必須保證L+R’+C’=常數(shù)。下面，來逐一分析L、R’和C’三項的理論計算方法。植物與周圍環(huán)境的輻射換熱量R’應(yīng)等于圍護結(jié)構(gòu)各表面與植物間的輻射換熱量R1加散熱管道與植物之間的輻射換熱量R2。圍護結(jié)構(gòu)各表面與植物間的輻射換熱情況是大空腔與內(nèi)包壁之間的輻射換熱，根據(jù)文獻1，其單位面積的換熱量可寫成以下形式：（4）式中：ε3--植物表面的發(fā)射率，無因次；σb--黑體輻射常數(shù)，5.67x10-8W/m2·K4；T3--葉片表面絕對溫度，K；Tr--圍護結(jié)構(gòu)各表面的平均輻射溫度，K；散熱管道與植物之間的輻射換熱情況是大空腔內(nèi)兩灰表面之間的輻射換熱，只計一次輻射時，根據(jù)文獻1，其單位面積的換熱量可寫成以下形式：（5）式中：ε4--散熱管表面的發(fā)射率，無因次；Tn4--散熱管道表面絕對溫度，K；Φ3,4--植物對散熱管道的輻射角系數(shù)，無因次；表示植物表面向空間輔射的總能量中投落到散熱管道表面的百分比。散熱管道表面溫度高于植物葉片表面溫度，所以此項為負值，即植物從散熱管道得熱。所以，6單位表面積植物與周圍環(huán)境的對流換熱量C’=α3(t3-tf2)式中：α3--葉片的對流換熱系數(shù)，W/m2·K；t3--葉片表面溫度，℃；tf2--植物周圍空氣溫度，℃；根據(jù)文獻5，根據(jù)實驗公式：α3=5.7+3.8v式中v--周圍空氣的流速。所以，（7）植物呼吸時的顯熱損失通過下式計算：L=0.278qCp(t3-tf2)?。?）式中：q--單位表面積葉片單位時間內(nèi)的呼吸換氣量，kg/m2·h；Cp--空氣的定壓比熱，1.01kJ/kg·K；0.278--單位換算系數(shù)，1kJ/h=0.287W；散熱管道涂鍍輻射涂層后，ε4上升。為保證L+R’+C’=常數(shù)，tf2必須下降，且必須有：△L+△R’+△C’=0；將式3、6、7、8代入△L+△R’+△C’=0，并整理得：將上式變形得：（9）式〈9〉便是對象溫室涂鍍輻射涂層后，設(shè)計溫度的理論降低值計算公式。3輻射涂層的節(jié)能節(jié)材效果及初步結(jié)論3.1節(jié)能效果分析及初步結(jié)論涂鍍輻射涂層后，在滿足溫室內(nèi)植物的生長要求和相同的熱舒適條件下，溫室內(nèi)的空氣設(shè)計溫度可以比常用散熱管的熱水供熱系統(tǒng)降低約2℃左右，以上海地區(qū)為例，溫室的設(shè)計熱負荷可減少10%。3.2節(jié)約管材的分析及初步結(jié)論涂鍍輻射涂層后，理論計算及實驗分析均表明：散熱管道的傳熱系數(shù)有了較明顯的增大，其增加幅度理論上可達30%—40%，這說明在供熱量相同的條件下，散熱管道的管材理論可以減少約30%，散熱管道的初投資可以明顯下降。當(dāng)然，涂鍍輻射涂層將增加初投資，經(jīng)濟上是否合算，這取決于涂料的價格及其在溫室中的使用壽命，同時由于光管散熱管道的傳熱系數(shù)的測量在實驗室中進行，其實際效果還需要在現(xiàn)場進行大量實測來檢驗。參考文獻1章熙民、任澤霈、梅飛鳴.傳熱學(xué)(第三版).中國建筑工業(yè)出版社，1993.62蔡龍俊、馮哲雋.棟溫室熱水供熱系統(tǒng)散熱管道傳熱系數(shù)的計算與測試北京.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2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