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热管回收装置在空调排风能量回收中的应用

点击:963 日期:[ 2014-04-26 21:53:35 ]
                     热管回收装置在空调排风能量回收中的应用                         张利红1,张杰1,郭建宁2,吕向阳1     (1.河北工程大学城建学院,河北邯郸056038;2.清华大学环境科学与工程系,北京100084)     摘要:通过对国内外文献的调查,介绍了当前通风空调的能耗现状,热管的结构、工作原理、特点和分类等,并结合已有的实验数据,将装有热管热回收装置的空调系统与传统的一次回风空调系统进行对比,以期探索热管热回收装置在空调排风能量回收中的作用,结果表明,装有热管热回收装置的空调系统比传统空调系统的制冷量和再热量减少,显示了热管换热器在空调系统应用中的优势。表明热管技术可以有效地利用空调排风中的低位热能,具有节能、环保等优点,有较大的开发应用价值。     关键词:热管;热回收;空调系统     中图分类号:TK172.4文献标志码:B文章编号:1671-5292(2009)01-0103-05     近年来,随着空调的普及使用,空调的能耗已受到越来越多学者的关注。在空调系统中,大部分的空调回风经冷却或再热后作为新风送到空调房间,而其它部分回风则排出;由于新回风需经过冷热处理,因而研究如何对空调系统的排风能量进行热回收节能具有十分重要的意义。热回收装置的使用,在节约能源和环境保护方面的功效很明显,但是当前在使用热回收系统时,必须优先考虑室内空气品质。实验证明,以Fanger的PMV-预测平均投票,气流速率、垂直温差作为评价热舒适度的标准[1],[2],热管换热器的使用使空调的送风温度、湿度适宜,达到人们舒适性要求的同时亦减少了空调系统的能耗。     1·建筑废热能利用的途径及通风空调的能耗现状     1.1国内建筑废热能利用的途径     在现有的能源消耗系统中,建筑能耗约占全国总能源消耗的30%,流入建筑的能源有多种,但经过不同途径的能量转换后最终都以废气、废水、围护结构散热等形式排出。随着经济的发展和人民生活水平的提高,能源供给日趋紧张,发展低能耗健康建筑的意义越来越重要,建筑节能势在必行。建筑能流分析表明,能源回收潜力很大。目前,建筑物废热回收利用的途径如图1所示[3]。                       由图可见,选择合适的换热器回收建筑废热的全热或显热尤为重要,是降低建筑能耗及暖通空调能耗的主要措施。     1.2国内通风空调的能耗现状     据统计,冬夏两个季节通风空调系统的能耗占整个建筑能耗的50%以上[4]。另外,据2000年的商业建筑能耗调查统计,设有集中式空调系统的商业建筑的能耗费用约为150元/m2。对于中高档旅馆,如果每套客房新风量为100 m3/h,考虑到公共建筑附加系数1.2,则拥有500套客房的中高档旅馆的全部新风量为60 000 m3/h,利用焓差频数法,可以计算出我国的部分城市旅馆客房冬夏季新风处理平均每天所需冷热量,具体见表1[5]。                       考虑到空调节能对换热器的性能要求,热管换热器以其卓越的性能脱颖而出,广泛应用于各种生产工艺的余热、废热等低品位能源的回收利用,是空调系统进行热回收的一种有效节能方法。     2·热管技术     热管技术最早由美国学者提出,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源。     2.1热管的结构、工作原理及分类     热管由壳体、吸液芯和工质组成。管壳体是能承受一定内压的封闭管件,通常由金属制成,诸如铜管,不锈钢管或钢管,紧贴管内壁装有一层由多孔性物质构成的吸液芯(多为极细的铜丝,中间形成细孔,起毛细泵作用,如同蜡烛燃烧时的烛芯的作用一样),使冷凝液能从冷端传向热端,供蒸发传热用。管内抽成合适的负压,充入适量的工作液,这种液体沸点低,容易挥发,使吸液芯毛细多孔材料中充满液体后密封。管一端为蒸发段(加热段),另一端为冷凝段(冷却段),两段中间可布置绝热端,可根据实际需要选择。图2为热管的结构示意图。                       从热力学的角度看,物体的吸热、放热是相对的,有温差存在,就有热从高温处向低温处传递的现象。热传递的3种方式:辐射、对流、传导,其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。它的工作原理可概述为以下3个环节循环:①在加热段,毛细芯中的液体从外界热源获得蒸发潜热而汽化;②由于加热段与冷却段之间的压差,蒸汽流向冷却段放出冷凝潜热凝结成液体;③冷凝液在吸液芯的毛细作用下返回加热段继续蒸发吸热[6]。     热管的分类主要有以下几种:①按工作液回流动力分,有芯热管、两相闭式热虹吸管(又称重力热管)、旋转热管等;②按热管管内工作温度区分,可分为低温热管(-273~0℃)、常温热管(0~250℃)、中温热管(250~450℃)、高温热管(450~1 000℃)等;③按管壳材料和工作介质可分为铜-水热管、低碳钢-水热管、铝-氨热管等;④按热管的功能分,可分为传热热管、热二极管、热开关管、仿真热管等;⑤按凝结液的回流方式不同,可分为吸液芯热管、两相闭式热虹吸管(或称重力热管)、重力辅助热管、旋转热管等[7],[8]。     2.2影响热管性能的主要因素     热管的传热能力虽然很大,但是也不可能无限地加大热负荷,其工作能力总是受到若干因素制约的,主要有热管的工作温度、管内的工作液体、壳体材料和吸液芯的结构形式。     热管的工作温度一般是指工作时热管内部介质的蒸汽温度。以此为依据,可做出热管传热极限示意图(图3)。                     热管的传热极限主要有:粘度限、音速限、携带限、细液限和沸腾限5种。它决定了热管在特定的环境下所能达到的最大传热效率和最高的造价等[9],[10]。热管是依靠工作液体的相变来传递热量的,因此工作液体的各种物理性质对于热管的工作特性具有重要的影响。一般考虑以下原则:①工质应适合热管的工作温度区;②工质与壳体材料、管芯相容;③工质有良好的热物理性质及经济、环保性等。常见的工质有水、氨、甲醇、丙酮等。最近国外一些学者突破性地研究了以银或钛纳米流体为工质的热管换热器换热效率。实验选用了低离子水,乙醇和直径21 nm钛纳米颗粒混合物为工质,用超声波均质机混合,管材为铜管,外管径和长度分别为15,600 mm,测试了该热管的换热效率。实验证明与常规流体的热管换热效率比较,纳米颗粒显著地提高了其热效率[11]~[13]。     须特别指出的是热管的相容性。热管只有相容性良好,才能保证稳定的传热性能和长期的工作寿命。目前造成热管不相容的主要原因有以下3方面。     ①介质与管壳材料发生化学反应,产生不凝性气体,聚集形成气塞,从而使有效冷凝面积减小,热阻增大,传热能力降低;②有机工作介质在一定温度下,会逐渐发生分解,如甲苯、烷、烃类等易发生不相容现象;③介质流动时存在着温差、杂质等,使管壳材料容易发生腐蚀,流动阻力增大,传热性能降低,这类现象常发生在碱金属高温热管。     另外,翅片是一种被广泛用来有效地提高热传导效率的部件。大量的工作被用来选择和最优化翅片以满足各种场合的应用需要。对于不同的热交换器的流程长度和不同的翅片长度,最优化模型的形成是基于熵的最小额。以熵特性作为一种参考为基础,结果表明:不是所有以熵定义的形式都能导致正确的结论[14]。     3·热管换热器与常规换热器的对比     常规的转轮式换热器有气体互相渗漏,气流压力较大,接管位置固定,整体装置占用建筑空间过大,系统布置的灵活性较差,运行维护费用较高等缺点;同时由于大多数直流式空调系统排风中不同程度地含有有毒、有害物质,也不宜选择易造成新风交叉污染的板翅式、转轮式换热机等设备;而循环盘管式系统则需要另外配置循环水泵并且额外消耗电能[15]。     同常规的换热器相比,以热管为传热单元组成的热管换热器有以下几个优势:①结构简单,体积小,重量轻,可控制性强;②卓越的传热效率,适应性强,可在失重的状态下工作[16];③比普通换热器压力损失小,热回收效率高,运行不需要额外动力,不易发生排风对新风的交叉污染,可以同时满足冬夏季换热要求,有效利用空调系统排风中的低位热能,无运行维护费用,具有高效、节能、投资少和减少环境污染等优良特性[17]~[19],决定了其在空调热回收方面更具有应用潜力。     4·热管在空调系统中的应用     空调系统中用传统的方法加热除湿消耗了大量的能源,耗能特点之一是系统同时存在供热(冷)和排热(冷)的处理过程,若能将需排掉的热(冷)量转移向需热(冷)的地方,即热能回收,就能有效地利用能源[20]。实验表明冷热气流温差只要超过3℃即可回收能量,并且随着冷热气流的温差增大,节能效果愈加显著。     4.1传统一次回风空调系统     传统一次回风空调系统如图4所示。该传统一次回风带再热循环空调系统中,空调回风中大部分回风5与室外新风1混合到状态2,经表冷器冷却去湿到状态3,再经过再热器达到送风状态4,送入室内。                     传统一次回风空调系统中,表冷器所需的冷量为经过表冷器后空气焓值的降低值:     qc=h2-h3,kj/kg;     再热器的加热量:qr=h4-h3,kJ/kg     4.2使用热管的热回收空调系统     图5为使用热管的热回收空调系统。                       热管两端分别安装在空调机组的新风段与排风机组的排风段内,为使该装置在冬夏两季都方便使用,热管的安装坡向应可转换调节[21]。夏季工况下,由房间排出的空气5先经过热管的蒸发段预冷到状态6,小部分作为排风排走,大部分与室外新风1混合到状态2,经表冷器冷却去湿到饱和状态3,再经热管的冷凝段加热到要求的送风状态4,然后送入室内。冬季工况下,新风先经过热管冷凝段预热后,再进入空调器处理送风,排风经过热管蒸发段放热后再排出,回收了排风中热能,达到节能的目的,减少了空调负荷[22]。     使用热管的空调系统中:     表冷器所需的制冷量:qc′=h2-h3,kJ/kg;     所需冷量的减少值:△q=(1-ɑ)(h5-h6),kJ/kg;     节约再热器的加热量:qr′=h4-h3,kJ/kg;     则表冷器所需制冷量减少的效率:     η=(qc-qc′)/qc=△q/qc     式中:ɑ———新风与送风比例,%;     h———各点的焓值,kJ/kg。     以石家庄地区为例,计算夏季室外、室内空调空气干、湿球温度分别为35.1℃和26.6℃;空调回风干、湿球温度分别为25℃和19℃;并假定新风与回风比率为10%,则送风空气干、湿球温度分别为15℃和12℃状态下,表冷器冷量减少效率和节约再热器的再热量见表2。                      由表2可见,使用热管的热回收空调系统热回收效率是相当可观的。采用调整新风和回风之间的质量流量比值,控制新风的进口温度在32~40℃,而回风的进口温度保持在26℃左右。结果表明,新风和回风的温度随着新风进口温度的增加而升高,两个蒸发器冷凝器部分的传热效率也随之增加到大约48%;当进口新风温度增加到40℃时,大流动速率对蒸发器起到了积极的影响作用,而对冷凝器的影响则是消极的。随着新风进口温度的升高,在热回收和常规空气混合之间的焓比提高到85%左右。最佳换热效率在新气入口温度接近热管临界流体操作温度[23]。     5·结语     节能环保空调是今后空调发展的主要方向,通过与传统的一次回风空调系统相比,采用热管换热器的空调系统有效地利用了其排风中的低位热能,提高了能源的利用效率,减少了环境污染,具有广阔的应用前景。     参考文献:略
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