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小型热管热回收通风换气装置在实验室中的应用

点击:2325 日期:[ 2014-04-20 00:59:04 ]
摘要:阐述了热管换热器在通风空调余热(冷)回收中的应用情况,并针对实验室换气次数较大又需避免交叉污染等特点,介绍了一种既能满足室内新风量又节能的小型热管热回收通风换气装置。
    关键词:热管换热器;通风换气;节能;实验室
    中图分类号:TU831文献标志码:A文章编号:1673-7237(2012)05-0010-03
    0·引言
    随着经济的快速发展,近几年来我国对科教领域的投入也大大增加,改建、新建的现代化实验室越来越多,由于要保证实验人员身心健康、创造安全舒适的实验环境,实验室所需新风量比较大,导致其空调能耗显著增加,而能源日益短缺,这就需要增加带热回收的通风换气装置,有效利用现有能源来改善室内空气品质[1]。在各种热回收通风换气装置中,热管以其换热效率高,热流方向的可逆性,结构简单、紧凑、经济,并能防止交叉污染等优良的性能在节能方面发挥出巨大的作用,因此,得以迅速发展,备受人们重视。但目前主要利用热管换热器回收工业余热和集中排风废热(冷),在建筑中直接使用热管换热器进行通风换气的应用和研究较少。本文综述了热管换热器在通风空调中近室温工况条件下的应用情况,并阐述了实验室直接使用小型双向热管热回收通风换气装置回收显热的能量回收方案。
    1·小型热管热回收通风换气装置的工作原理
    小型热管热回收通风换气装置由热管换热器、进气和排气风机、新风过滤装置、进排风风道、外壳等组成,其夏季工作原理如图1所示。热管换热就是利用余热加热热管的一端,吸液芯中工质吸收外界的热量而汽化,由于不断产生蒸汽而压力增加,在压差的驱使下蒸汽就沿着中间通道流向热管的另一端,并冷凝成液体向外界放热,液体依靠毛细力(或重力)的作用返回加热端,继续受热汽化进行下一轮循环。夏季时,室外新风温度高于室内排风温度,让室外新风加热热管的蒸发段,用排风吸收新风所带的部分热量;冬季时,室内排风温度高于室外新风温度,让室内排风加热热管的蒸发段,用排风预热室外新风;过渡季节时,利用该装置的旁通通道将室外新风直接引入实验室内而不经过热管交换器,以达到节能目的[2]。
          
    2·热管换热器在通风空调余热回收中的应用
    GB50189—2005《公共建筑节能设计标准》规定“建筑物内设有集中排风系统且符合下列条件之一时,宜设置排风热回收装置且该装置的额定热回收效率不应低于60%。①送风量大于或等于3 000 m3/h的直流式空气调节系统,且新风与排风的温度差大于或等于8℃;②设计新风量大于或等于4 000 m3/h的空气调节系统,且新风与排风的温度差大于或等于8℃;③设有独立新风和排风的系统。”鉴于节能设计标准的一些规定,应认真考虑回收排风中的冷热量来预冷热新风的措施。在各种热回收通风换气装置中,热管换热器又以传热效率高,可避免新风与回、排风的交叉污染等优势,在通风空调节能中广泛应用。
    2.1热管换热器在有集中排风的空调系统中的应用
    一般设有集中排风的空调系统的换气次数都比较大,处理新风所需要的能量也比较大,同时导致排风量增大,排风所带走的热量增加。因此,利用热管换热器回收排风中的能量对降低空调系统的能耗具有重要意义。
    若用分离式热管换热器回收空调系统排风的热(冷)量预处理新风,新风比按30%计算,可使系统节能7%以上,并且随着新排风温差的增大和新风比的增加其节能效果越显著,实验表明只要冷、热气流之间的温差超过3℃就可以回收能量[3]。
    Abd El-Baky and Mohamed[4]在集中排风空调系统中应用热管换热器来吸收新风中的部分热量,如图2所示。实验在排风(冷流体)温度保持在26℃,新风(热流体)质量流量保持0.4 kg/s的情况下,两侧空气流量比在1、1.5、2.33之间变化,新风温度在32~40℃之间变化。结论是:当新风温度上升时,随着新、排风间温度差增大,冷凝段和蒸发段的传热均增加;当新风的温度达到40℃时,蒸发段和冷凝段的传热效率增加了高达48%;当新风温度接近热管中工作介质的工作温度时,得到最优热回收效率。
          
    Noie-Baghban和Majideian[5]介绍了应用在医院手术室废热回收的热管换热器的理论分析、设计和制作,并将实际结果和计算机模拟结果进行比较分析。计算机仿真了单根热管的蒸发段输入热流量为20~400 W时3种工作液体(甲醇、水、丙酮)和3种吸液芯结构(50目镍网、250目镍网、100目不锈钢网)的传热特性,最终选择最合适换热量为800 W的医院手术室的工作液体是甲醇和吸液芯结构是100目不锈钢网作为重力热管制作材料。抽真空的方法使用翅片、热管的排数、密封等都对热管的换热效率有较重要的影响。潘峰[6]针对某生物安全实验室的直流式空调系统的特点,设计了可以回收空调系统排风能量的热管热回收系统,回收的最大冷量可占夏季冷负荷的12%,回收的最大热量可占冬季热负荷的40%,冬季回收的热量受排风机组换热器运行时结霜的限制。吴生、黄翔等人[7-8]提出了热回收型热管间接蒸发冷却空调机组进行了理论和实验研究,得出热管式两级蒸发冷却空调系统最佳排风、新风风量比为0.8;采用蒸发冷却降温措施有利于加大对新风的处理能力,尤其以直接喷淋的方式效果比较好;在一次空气风量为5 000 m3/h时,最佳二次/一次风量比为0.8;淋水量为0.418 m3/h,室外干球温度为34.56℃,室内排风干球温度为27.81℃时,采用这种热管式间接+直接蒸发冷却两级空调机组可以将室外一次空气处理到干球温度22.26℃,一次空气的温降可达12.3℃,间接蒸发冷却器的冷却效率可达70.39%。
    2.2热管-空调器组合系统
    房间空调器在潮湿地区使用时,因潮湿地区潜热负荷在房间总热负荷所占比例较大、除湿能力不足而不能形成舒适的室内环境。针对这个问题,目前一些研究者提出在基本不改变房间空调器现有配置的基础上,加装热管换热器组成热管-空调器组合系统(如图3),能较好地控制室内湿度,满足室内舒适性的要求。
          
    McFarland等人[9]的实验研究了在不改变传统的房间空调器配置的情况下安装热管后,热管对空调系统的除湿量、再热量、潜热能效比等的影响。实验结果表明,当室内设计温度为22℃,相对湿度为50%时,空调的除湿量增加了62%,再热量减少了20%,潜热能效比增加了90%。热管技术用于提高传统的房间空调器的除湿量和减少它所需再热量是非常有效的。鱼剑琳等人[10]针对潮湿地区空调总热负荷中潜热负荷所占比例较大这一问题,提出了将重力式热管换热器用于房间空调器来降低蒸发器的进风温度,同时可使除湿量增加30%~40%,而制冷量和功耗率基本不变,并且空调器的出风温度和相对湿度更适宜,但是会增加室内侧的空气流动阻力,需要重新配置室内侧风机。
    2.3小型热管热回收通风换气装置
    目前市场上的几种通风换气装置如静止板翅式、转轮式、高效纳米薄膜式换气机等,它们存在着诸如换热系数不高、辅助动力过大、配套设施过多、成本过高等问题。在通风换气装置中应用热管换热器,能克服和改善现有新风换气机所存在的问题。
    汤广发等人[11]开发了整体式热管热回收器,研究得到新风温降与送风效率、排风温升与排风效率都具有趋势一致性。在室内外温差一定的情况下,热回收效率与送风温差成正比。夏季热回收效率最高可达58.1%,平均值为52.5%。制冷量和EER的平均值分别为0.234 kW和5.86。
    郑茂余等人[12]采用离散法建立了小型热管式通风换气装置计算模型,分析了热管的倾角、管长、迎面风速、外界温度、翅片结构等参数对热回收效率的影响。随着热管的管径和翅片高度的增大,小型热管式通风换气装置的回收效率有增大的趋势。随着风速的增大热回收效率减小,虽然风速加大会提高热管的换热系数,降低热阻,但单位时间内通过的风量加大,热回收效率降低。
    刁彦华等人[13]对热管式通风换热器在房间通风中进行了热回收实验研究,测试其在2~6人标准新风量的普通房间内的热回收效果。当室内外温差范围为3~16℃时,夏季新风温降可达1.4~11℃,热回收效率为46%~70%;冬季新风温升可达1.3~10℃,热回收效率为43%~63%。不论夏季或冬季,热回收效率都随着室内外温差的增大而升高,随风量的增大而降低。实验结果表明利用小型热管式通风换热器进行日常通风换气时的热回收效率高,阻力损失小,节能效果显著。
    徐青等人[14]探讨了将热管换热器用在列车空调热回收中来解决目前空调列车的室内空气品质和空调节能的两大矛盾的可行性。理论计算出采用热管换热器对列车空调排风热回收后处理新风,可以节约新风耗能50%,同时指出热管换热器在列车空调中应用的两个主要影响因素:热管自身因素和环境因素。
    3·应用实例分析
    衡阳某高校实验室,长5.7 m,宽3.1 m,高3.8 m。实验室的最大人员密度为30 p/100 m2,新风需要量为10 L/s·p,则根据计算所需的新风量为200 m3/h,保证室内正压,排风量为180 m3/h。假定该装置的热回收效率为70%。室内外计算参数如表1所示。
            
    (1)夏季工况时:由该装置的热回收效率公式ε=Q 0/Q max=(tw-tw’)/(tw-tn)计算出该装置的送风温度tw’=28.3℃,查i-d图知室内空气焓值为55.48 kJ/kg,室外空气焓值为86.84 kJ/kg,送风状态点W’的焓值为78.6 kJ/kg。
    新风经过热管热回收处理后,显热的变化量:Q 0=mCP t=QSρCP(tw-ts)=200×1.165×1.005×(36-28.3)=501 W
    依据风机资料,每台风机功率为35 W,2台风机的总功率为70 W。
    能效比EER=Q0/P=1 803/70=7.16
           
    (2)冬季工况时:由该装置的热回收效率公式ε=Q 0/Q max=(tw’-tw)/(tn-tw)得出该装置的送风温度tw’=13.4℃,查i-d图知室内空气焓值为38.62 kJ/kg,室外空气焓值为4.35 kJ/kg,送风状态点W’的焓值为19.97 kJ/kg。
    新风经过热管热回收处理后,显热的变化量:Q 0=mCP t=QSρCP(tw-ts)=200×1.165×1.005×(13.4+2)=1 000 W
    依据风机资料,每台风机功率为35 W,2台风机的总功率为70 W。
    能效比EER=Q0/P=1 000/70=14.3
            
    由计算结果可以看出:
    ①实验室用该小型热管热回收通风换气装置能满足实验室所需要的新风,且节能效果比较明显,特别适合需要避免交叉污染的实验室使用。
    ②冬季使用该装置的节能效果要③室内外温差越大,热管热回收效率越高。
    4·结语
    (1)实验室的空调能耗越来越大,能量回收的潜力会更大,小型热管热回收通风换气装置比较适合于实验室、医院等特殊场所换气热(冷)回收。
    (2)热管换热器在通风空调余热回收中的应用主要包括3个方面:热管换热器在有集中排风的空调系统中的应用,热管-空调器组合系统,小型热管热回收通风换气装置。
    (3)衡阳某实验室用该小型热管热回收通风换气装置,当热管换热器的热效率为70%时,夏季的能效比可达7.16,冬季的能效比高达14.3。
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