连栋温室热水供热系统散热管道传热系数的计算与测试

设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产。目前已由简易塑料大棚、简易温室发展到具有人工环境控制设施的自动化、机械化程度很高的现代化大型温室和植物工厂。现代化的大型温室，通常是占地面积较大的连栋温室。冬季，为保证温室内作物的正常生长，温室内需设置供热系统，以维持温室内合适的温度。温室供热系统常采用两种型式。一种是热水供热系统，另一种是热风供热系统。热水供热系统常采用散热管道作为散热元件，它具有蓄热量大，热稳定性好，温室内温度场较均匀等优点。因而被广泛采用。散热管的热工性能参数是热水供热系统设计的基本数据。据初步调查，国内连栋温室热水供热系统散热管道的设计大多凭经验套用，造成有些温室散热管布置数量偏少，达不到供热效果；有些则布置过多，引起不必要的浪费。而供热系统的初投资在温室工程中占了一定比例（根据笔者的工程实践，约占初投资的20%~30%）；散热系统的运行费用则在温室总运行费用中，占了很大比例。

　　本文将通过研究农业温室最常用的以热水为热媒、以管道为散热设备的供热系统的热工性能参数，为农业温室供热系统的设计提供经济、可靠的技术参数。

2连栋温室供热系统的型式

2.1采用管道散热的热水供热系统的型式

2.1.1系统原理图

　　供热系统的原理图见图1。

图1供热系统原理图

2.1.2散热管道的材质与外形

　　散热管道按管道材质分类，可分为钢管和PVC管道。

　　钢管的优点是耐压高，管壁导热热阻小；缺点是易腐蚀。

　　PVC管优点是耐腐蚀，缺点是管壁导热热阻较大。

　　散热管道外形有光管与圆翼形管道。

　　采用圆翼形散热管，虽与光管相比，换热系数有一定提高，但也增加了初投资。因此实际工程仍多采用光管散热管。

2.2散热管道布置方式

2.2.1蔬菜种植区散热管道的布置方式

　　蔬菜种植区散热管道的布置方式见图2。地面散热管水平布置在田垄之间的人行道上，管径通常为DN50；管道中心离地面约150 mm；地面散热管还可作为采摘果实手推车的导轨，一举两得。在种植蔬菜的中间位置，垂直吊装2根散热管道，管径通常为DN25。吊装散热管的高度可随作物生长情况而调整。如蔬菜种植初期，吊装高度约0.5 m；蔬菜结果时吊装管高度约1.50～1.70 m。

图2散热管布置示意图(种植蔬菜)

2.2.2花卉区或育苗区散热管道的布置方式

　　花卉区或育苗区常采用花架或苗床，散热管道布置方式见图3。苗床(或花架)的高度H≈0.5 m；散热管道敷设在下部，苗床(或花架)应有足够的间隙，以保证散热管道的热气流均匀的掠过盆栽花卉区或苗区，向上浮升，如果散热量不够，也可以在柱上布置散热管。



图3散热管道布置示意图(种植花卉或育苗)

2.3散热管热水供热系统的特点

　　一般热水管道加热系统都采用同程式系统以保证系统阻力平衡和水力工况稳定。这一系统形式为保持热力工况稳定和室内温度场均匀创造了良好基础。与其他供热散热器相比，散热管道的有效辐射面积大，所以辐射换热量占总换热量的比例也略高。这有利于温室内作物的生长。

3温室散热管道热工性能的理论分析

3.1计算的原始数据

　　计算的原始参数如下：

　　温室内冬季植物所需的设计温度，不同的植物，温度要求不同。冬季室内的计算温度：蔬菜区tn=14℃；花卉区tn=18℃；育苗区tn=20℃。

　　设计供水温度，考虑到温度太高会伤害作物，宜取tg=80℃；设计回水温度，取th=55℃。

3.2理论分析及计算

3.2.1基本计算公式

　　散热管的散热特性与供暖散热器的放热特性有相同之处，也有不同之处。相同之处是管外表面以自然对流放热为主，不同之处是散热器辐射换热占的比例较少。根据文献，圆管的K值计算式为

　　式中αw--散[HJ]热管外表面的复合换热系数，W/(m²·K)；αn--散热管内表面的对流换热系数，W/(m²·K)；D--散热管道外径，m；dn--散热管道内径，m；λ--散热管导热系数，W/(m·K)。

　　对于薄壁的散热管，根据传热学的基本原理，可认为

K≈αw

　　散热管外表面的复合换热系数

αw=αc+αr (2)

　　式中αc--对流换热系数；αr--辐射换热系数。

3.2.2对流换热系数的分析与计算

　　散热管外是自然对流换热。对流换热系数αc可根据下式计算出

 αc=Nuw(λ/D)

　　式中Nuw--管外空气的努谢尔特准则，无因次；λw--空气导热系数，W/(m·K)。

　　根据文献推荐的关联式Nuw=C(Grw·Prw)ⁿ (4)

　　式中Grw--管外空气的格拉肖夫准则，无因次，表征自然对流的流态对换热的影响；Prw--管外空气的普朗特准则，无因次； C、n--实验确定的常数。

　　现取花卉区的设计温度tn=18℃。各参数计算后得：温室内壁温度tam与温室内外的计算温度及温室外围护结构的热工性能相关。此处上海地区双层薄膜温室为例，计算得tam=11.3℃。代入公式(4)得

　　空气导热系数λw=0.0277W/(m·K)； 

　　空气的运动粘滞系数νw=17.04×10^-6m²/s；

　　空气容积膨胀系数β=0.00318K^-1； 

　　空气普朗特准则Prw=0.699；

　　D=0.053m，g=9.8m/s²，C=0.48，n=0.25计算得

Nuw=13.8

αc=Nuw(λw/D)=6.79 W/(m²·K)

3.2.3辐射换热系数的分析与计算

　　辐射换热系数α计算式如下

　　 αw=εCb[(T4am-T4w2)/(tf2-tw2)]×10^-8

　　式中ε--管道外壁与周围环境间的相当发射率；管道管材是镀锌钢管，查文献得其发射率ε=0.28;Cb--黑体辐射系数，Cb=5.67W/(m²·K)；tw2--散热管外壁温度，取设计供、回水的算术平均值，即tw2=(80+55)/2=67.5℃；tf2--管外空气温度，tf2=18℃；T--温度，K。

　　计算得

αr=2.22W/(m²·K)

　　因此

αw=αc+αr=9.01W/(m²·K)

　　代入(2)式得：K=9.01W/(m²·K)

　　由上述计算结果，可以看出：

　　散热管道外壁面的换热为复合换热。辐射因素所占的比例为

 αr/αw=2.22/9.01=24.6%

　　与散热器相比，辐射因素引起的散热占较大比例。

4　散热管热工性能的实验室测试与分析

4.1实验方案的确定

　　散热器传热系数的物理概念是表示当散热器内热媒平均温度tpj与室内气温tn相差1℃时，每1m²散热器面积所散出的热量，单位是W/(m²·℃)。它是散热器散热能力强弱的主要标志。

　　按文献的规定，在相同流体的3个点以上测得散热量时,应将结果整理成以下形式

K′=a(Δt)^b=a(tpj-tn)^b (5)

　　式中K′--在实验条件下，散热管的传热系数，W/(m²·℃)；a、b--由实验确定的系数；Δt--散热管热媒与室内空气的平均温差，℃，Δt=(tpj-tn)； tpj--散热管进出口热媒的平均温度，℃。

tpj=(tg+th)/2

　　式中tg--散热管进口处热媒温度，℃；th--散热管出口处热媒温度，℃；tn--室内温度，℃。

　　系数a和b是将logK看作log(tpj-tn)的函数，通过最小二乘法求得。K′值的实验室计算方法如下：

　　先测量出进水温度tg、出水温度th、室内温度tn、热水流量G；然后由下式计算K值

Ｋ=Q/F·Δt=GC(tg-th)/F(tpj-tn)

　　其中F--散热管总表面积，m²；G--热水流量，kg/s；C--水的定压比热，J/(K·kg)。

4.2实验台布置

　　国际标准化组织(ISO)规定：散热器传热系数K值的实验，应在一个符合ISO标准的封闭小室内，保持室温恒定下进行的。根据文献［3］，密闭小室的主要要求如下：

　　地面(4±0.2) m×(4±0.2) m；

　　高度(2.8±0.2) m；

　　小室应为气密,换气次数不应大于0.5次/h；

　　小室内表面应涂不含金属填料的油漆；

　　构成小室的围护结构的热阻偏差应在20%以内；

　　小室外应设风冷或水冷的补偿层，以保证小室内表面温度尽可能均匀。

　　本实验在同济大学暖通空调实验室中进行的。实验小室完全符合ISO标准的各项规定。实验小室为长4.0 m，宽4.0 m，高2.8 m的封闭小室。外间设有空调系统的补偿层。

　　实际测点布置以及实验台的设计如图4。

　　各测点都采用经标定的热电偶温度计；测点9作为基准点，其读得值即tn值(位于平面的几何中心，距地面高度0.75 m)；

　　测试时每个测点均连续测试，每次间隔5min；

　　若基准点连续测试4次，温度波动不超过±0.1℃，其他各测点连续测试4次，温度波动不超 过±0.2℃时，便可认为环境已经处于稳定状态。

　　实验台的布置如图5。

图4散热器闭式小室温度场测点布置图

图5密闭小室实验台布置图(单位：mm)

　　钢管总长度：L=1496.9cm；钢管内径：d=50mm；钢管外径：D=53mm；钢管总的外表面积：F=πDL=3.14×53×10^－３×1496.9×10^－2=2.49m²。

4.3实验方法及实验数据记录

　　实验需记录的实验数据有：进水温度tg、出水温度th、中间温度、基准点温度tn、热水流量G。

4.3.1实验数据记录

表1实验数据记录

参数	工况1	工况2	工况3	工况4
Δt/℃	49.71	44.17	39.21	34.89
K′/W·(m2·K)	9.90	9.75	9.55	9.42

4.3.2实验数据整理

　　根据文献的规定，在同一种流体的3个以上的温度点测得散热量时，应将结果整理成下式

K′=A0(tpj-tn)^B=A0Δt^B(6)

　　式中系数A0和B，可通过将lnK看作lnΔt的函数，通过最小二乘法求得。

　将式(5)变形得

lnK=lnA0+BlnΔt

　　令y=lnK；x=lnΔt；A=lnA0

表2实验数据整理结果

i	xi	yi	xiyi	x2i
1	3.91	2.29	8.95	15.29
2	3.79	2.27	8.60	14.36
3	3.67	2.25	8.26	13.47
4	3.55	2.24	7.95	12.60
	Σxi=14.92	Σyi=9.05	Σxiyi=33.76	Σx2i=55.72

　　根据最小二乘法的原理，所求的A和B为

　　式中C--测量组数，C=4。

　　所以，直线方程为

y=2.07+0.0512x

　　因此，传热系数K的实验公式为

　　K=7.92的Δt^0.0512

　在理论计算条件下，将温室室内散热管道的设计参数tn=18℃，tpj=67.5℃代入实验室公式得

K=7.92Δt^0.0512=7.92(67.5-18)^0.0512=9.67W/(m²·K )

　　与前述理论分析的K值相比，其相对误差为

5　结论

　　1) 由实验数据可以看出，散热管道的K值随管内外介质温差的减小而缓慢减小。减小的幅度也比较小。

　　2) 实验公式计算的K值与理论分析所得K值很接近，相对误差为7.3%，因此，上述的K值的实验公式是可信的，可作为散热管道的设计依据。

　　3) 辐射因素引起的散热，在外表面换热总量中，占较大比例。因此，对管道表面涂镀发射率较高的材料，以增强辐射换热，是提高散热管热工性能的有效方法。

　　4) 理论计算用到的各准则关系式，是在实验室条件下得出的半经验公式；而实验公式也是以实验室实验为根据得出的。由于实验室工况与现场条件有一定差异。因此K值的计算值和现场实际的K值可能会有一定的偏差。因此，实际应用时应考虑对实验K值的修正。这个修正值只有通过现场实测才能得到，有待进一步研究。

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