连栋温室散热管道辐射涂层的热工性能研究

晨怡热管 佚名 2006/10/24 18:08:16

摘要：本文从连栋温室供热系统的节能要求出发，重点研究了常用的热水供热系统光管散热管道的热工性能在涂辐射涂层前后性能变化，及提高散热管道辐射换热特性对温室内热环境的影响，为设计经济合理的连栋温室提供依据。
关键词：节能 热工性能 换热

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　0 前言

　　连栋温室作为设施农业的主要组成部分，是农业现代化的重要标志之一。但由于连栋温室中的供热系统初投资和运行费用高，使连栋温室的发展受到了影响。如何提高设施农业的技术含量，降低温室运行的成本成为迫在眉睫的问题。目前连栋温室供热系统的散热设备，主要为常规散热器、光管散热管道以及带肋片的散热管道，由于光管散热管道热器（包括带具有传热系数大，辐射换热量比例大，拆卸方便，可作为温室内做业的导轨，热管道作为散温度场均匀，垂直温差较小等特点。因此成为连栋温室中最常用的散热设备。本文着重研究提高光管散热管道的热工性能，并探讨降低连栋温室供热系统费用的可行性。

　　1 连栋温室供热系统常用光管散热管道的热工性能

　　1.1 理论分析的原始数据

　　冬季室内的计算温度取花卉区的设计温度：t _n=18 ℃。室外气温，取上海地区供暖室外计算温度t_j=-2 ^oC。

　　设计供水温度，考虑到温度太高会伤害作物，宜取t_g=80 ^oC；设计回水温度，取t_h=55 ^oC；

　　供、回水平均温度取供、回水温度的算术平均值67.5℃。

　　散热管道材质为镀锌钢管，外径57mm，壁厚δ=3.5mm，λ=54W/m·K，散热管道内为受迫紊流流动换热

　　1.2 理论计算与分析

　　由于散热管道管壁很薄，远小于钢管直径，因此在K值计算时，可近似为无限大平壁。根据文献[1],平壁的K值计算式为：

　　　　W/m². ℃　　　 （1）

　　式中： α_n -- 散热管内表面的复合换热系数，W/m²·K ；

　　δ -- 散热管道壁厚，m ；

　　λ -- 散热管导热系数，W/m·K 。

　　α_w =α_c+α_r

　　α_c – 管外对流换热系数，W/m²·K ；

　　α_r – 管外辐射换热系数，W/m²·K ；

　　根据传热学原理，K值主要取决于α_w，可认为K≈α_w,从文献[2]得计算结果得到：

　　α_c=6.91，α_c=2.22，K≈α_w=9.13

　　辐射因素所占的比例为

　　2 涂镀辐射涂层的光管散热管道的热工性能分析

　　在常用光管外壁面发射率较低的情况下（计算时取发射率=0.28），辐射散热在总的散热中仍占较大的比例，为此我们设想在光管散热管道表面涂镀发射率较高的红外辐射涂料来增强辐射换热，从而达到提高光管散热管道的热工性能的目的。

　　2.1 辐射涂层的特性及其基本要求

　　2.1.1涂料自身的辐射性能：

　　1)材料结构与辐射性能的关系。不同材料的发射率不同。一般来说金属导电体的数值较小；电解质材料的数值较高。

　　2)温度与辐射性能的关系。金属材料的发射率通常随温度上升而增加；电解质材料的发射率则与温度没有固定的相互关系。

　　3)材料表面状态与辐射性能的关系。一般来说，材料表面越粗糙，其发射率值越大，这种情况对金属比对电介质材料更为显著。

　　4)辐射特性随工作时间的变化。金属材料由于氧化作用，其发射率通常会随工作时间增加而提高；而某些电解质材料由于晶体结构将发生改变，其发射率反而将随工作时间增加而下降。

　　2.1.2涂层材料用于温室工程的要求：

　　1)防水防腐要求；2)不影响温室内作物的生长；3)无毒无害；4)价格适中，施工方便。

　　2.1.3示范材料的选择：

　　根据涂料自身的辐射性能和温室工程的要求，在实验中采用上海某涂料制造有限公司试制的红外辐射涂料作为示范涂料。涂料主要成分及基本参数如下：

　　主要成分(按质量百分比)：硫化铅--20%，氧化锆--20%，稀释剂—60%；

　　涂层厚度：0.3mm；导热系数λ’:约0.5～0.8W/m·K；

　　发射率：在连栋温室的温度工况下，涂料的发射率=0.91～0.93。计算时取=0.92

　　2.2 有辐射涂层的光热管道热工性能分析

　　散热管道近视为无限大平壁。根据文献[1]，K值计算式为：

　　 　　　W/m². ℃ 　　　（2）

　　δ' -- 涂料厚度，m ；

　　λ' – 涂料导热系数，W/m·K 。

　　',' -- 有涂料的散热管内，外表面的复合换热系数，W/m²·K ；

　　由于涂层很薄，δ'/λ'≈0。外壁涂层对内壁换热情况的影响很小，因此，外壁涂层对内壁换热系数α_n’基本无影响，可认为α_n’=α_n ；

　　散热管外表面的对流换热系数仍为 α_w’=α_c’ +α_r’

　　由于外壁的对流换热形式是自然对流换热，因此换热系数与表面涂层情况及壁面粗糙度无关，仅与壁面温度和周围空气温度以及定型尺寸有关。在壁面温度和周围空气温度及定型尺寸不变的条件下，管外对流换热系数不变。

　　在温度条件不变的工况下，辐射换热系数仅与发射率有关，

　　

　　则：

　　所以K'=α’=7.29+6.91=14.20W/m²·K。

　　由上述理论计算，可知：在管道表面涂镀高发射率涂料，能够显著提高管道换热系数，是提高散热管热工性能的有效方法。

　　2.3 实验室测试的初步结果

　　根据国际标准化组织（ISO）规定：光管传热系数K值的测定在符合ISO标准的封闭小室内，保持室温恒定下进行。为此实际测量在同济大学暖通空调实验室中进行。根据文献[2]中的方法指导实验并进行实验台的布置

　　经过实验并通过计算最后可将传热系数K的实验公式整理为： K = 9.81Δt ^0.088

　　在理论计算的条件下，将温室室内散热管道的设计参数t_n=18℃，t_pj=67.5℃代入实验室公式得： K = 9.81Δt ^0.088 = 9.81x(67.5-18)^0.088 = 13.83 W/m². ℃

　　与前述理论分析的K值接近。

　　2.4 辐射涂层对植物热平衡的影响

　　在同样热舒适的前提下，低温辐射供暖房间的设计温度可以比对流供暖房间降低2～3℃。这一温度降低量是以人体热舒适方程为基础推导出的。植物从本质上来说也是生物，也有对热舒适的感受。下面将仿照人体热舒适方程，写出植物的热舒适方程，并尝试推导出对象温室涂镀辐射涂层后，设计温度的理论降低量。

　　由于植物不向外做机械功，所以W≡0；模仿人体的热平衡方程式，植物的热平衡方程式写为如下形式：

　　 S’=M’-E’-R’-C’=0 　　　　　　（3）

　　式中： S’ -- 植物的蓄热率，W/m²；

　　 M’ -- 植物的能量代谢率，W/m²；

　　 E’ -- 植物叶片表面水分蒸发及呼吸作用带走的热量，W/m²；

　　 R’ -- 植物与周围环境的辐射换热量，W/m²；

　　 C’ -- 植物与周围环境的对流换热量，W/m²。

　　植物在稳定环境下达到热舒适，S’应为0。在环境参数改变时，须保证S’仍=0，才能保证植物的热舒适感受不变。

　　根据文献<4>，M’、E’、R’、C’四项中，仅E’和C’两项与空气温度t_f2有关。

　　其中， E’=L+E_res+E_d+E_sw

　　式中： L -- 呼吸时的显热损失，W/m²；

　　 E_res -- 呼吸时的潜热损失，W/m²；

　　 E_d -- 植物体液渗透造成的热损失，W/m²；

　　 E_sw -- 植物表面水分蒸发造成的热损失，W/m²；

　　这四项中，仅L一项与空气温度t_f2有关。

　　由此我们可知当环境温度变化时，要使植物的热舒适感觉不变，则必须保证 L+R’+C’=常数。

　　下面，来逐一分析L、R’和C’三项的理论计算方法。

　　植物与周围环境的辐射换热量R’应等于围护结构各表面与植物间的辐射换热量R₁加散热管道与植物之间的辐射换热量R₂。

　　围护结构各表面与植物间的辐射换热情况是大空腔与内包壁之间的辐射换热，根据文献<1>，其单位面积的换热量可写成以下形式：

　　 　　　　（4）

　　式中： ε₃ -- 植物表面的发射率，无因次；

　　 σ_b -- 黑体辐射常数，5.67x10^-8W/m²·K⁴；

　　 T₃ -- 叶片表面绝对温度，K；

　　 T_r -- 围护结构各表面的平均辐射温度，K；

　　散热管道与植物之间的辐射换热情况是大空腔内两灰表面之间的辐射换热，只计一次辐射时，根据文献<1>，其单位面积的换热量可写成以下形式：

　　 　　　　（5）

　　式中： ε₄ -- 散热管表面的发射率，无因次；

　　 T_n4 -- 散热管道表面绝对温度，K；

　　 Φ_3,4 -- 植物对散热管道的辐射角系数，无因次；表示植物表面向空间辅射的总能量中投落到散热管道表面的百分比。

　　散热管道表面温度高于植物叶片表面温度，所以此项为负值，即植物从散热管道得热。

　　所以，　　　　<6>

　　单位表面积植物与周围环境的对流换热量C’=α₃(t₃ - t_f2)

　　式中： α₃ -- 叶片的对流换热系数，W/m²·K；

　　 t₃ -- 叶片表面温度，℃；

　　 t_f2 -- 植物周围空气温度，℃；

　　根据文献<5>，根据实验公式：α₃=5.7+3.8v

　　 式中 v -- 周围空气的流速。

　　所以， 　　　　（7）

　　植物呼吸时的显热损失通过下式计算：

　　 L =0.278 qC_p(t₃-t_f2) 　　　（8）

　　式中 ：q -- 单位表面积叶片单位时间内的呼吸换气量，kg/m²·h；

　　 C_p -- 空气的定压比热，1.01kJ/kg·K；

　　 0.278 -- 单位换算系数，1kJ/h=0.287W；

　　散热管道涂镀辐射涂层后，ε₄上升。为保证L+R’+C’=常数，t_f2必须下降，且必须有：△L+△R’+△C’=0；

　　将式<3>、<6>、<7>、<8>代入△L+△R’+△C’=0，并整理得：

　　

　　将上式变形得： 　　（9）

　　式〈9〉便是对象温室涂镀辐射涂层后，设计温度的理论降低值计算公式。

　　3 辐射涂层的节能节材效果及初步结论

　　3.1 节能效果分析及初步结论

　　涂镀辐射涂层后，在满足温室内植物的生长要求和相同的热舒适条件下，温室内的空气设计温度可以比常用散热管的热水供热系统降低约2℃左右，以上海地区为例，温室的设计热负荷可减少10%。

　　3.2 节约管材的分析及初步结论

　　涂镀辐射涂层后，理论计算及实验分析均表明：散热管道的传热系数有了较明显的增大，其增加幅度理论上可达30%—40%，这说明在供热量相同的条件下，散热管道的管材理论可以减少约30%，散热管道的初投资可以明显下降。

　　当然，涂镀辐射涂层将增加初投资，经济上是否合算，这取决于涂料的价格及其在温室中的使用寿命，同时由于光管散热管道的传热系数的测量在实验室中进行，其实际效果还需要在现场进行大量实测来检验。

　　参考文献

　　1 章熙民、任泽霈、梅飞鸣. 传热学(第三版). 中国建筑工业出版社，1993.6

　　2 蔡龙俊、冯哲隽. 栋温室热水供热系统散热管道传热系数的计算与测试北京. 农业工程学报，2003.3

　　3 采用密闭小室测试采暖散热器的热工性能[S]. 北京. 中国建筑工业出版社 1978

　　4 赵荣义、范存养、薛殿华. 空气调节(第三版). 中国建筑工业出版社，1994.11

　　5 冯雅、陈启高. 种植屋面热过程研究. 中国新能源网（www.newenergy.org.cn）

　　6 贺平、孙刚. 供热工程(第三版). 中国建筑工业出版社，1993.11

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