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熱管回收裝置在空調排風能量回收中的應用點擊：1870 日期：[ 2014-04-26 21:53:35 ] |
| 熱管回收裝置在空調排風能量回收中的應用 張利紅1，張杰1，郭建寧2，呂向陽1 （1．河北工程大學城建學院，河北邯鄲056038；2．清華大學環境科學與工程系，北京100084） 摘要：通過對國內外文獻的調查，介紹了當前通風空調的能耗現狀，熱管的結構、工作原理、特點和分類等，并結合已有的實驗數據，將裝有熱管熱回收裝置的空調系統與傳統的一次回風空調系統進行對比，以期探索熱管熱回收裝置在空調排風能量回收中的作用，結果表明，裝有熱管熱回收裝置的空調系統比傳統空調系統的制冷量和再熱量減少，顯示了熱管換熱器在空調系統應用中的優勢。表明熱管技術可以有效地利用空調排風中的低位熱能，具有節能、環保等優點，有較大的開發應用價值。 關鍵詞：熱管；熱回收；空調系統 中圖分類號：TK172.4文獻標志碼：B文章編號：1671-5292（2009）01-0103-05 近年來，隨著空調的普及使用，空調的能耗已受到越來越多學者的關注。在空調系統中，大部分的空調回風經冷卻或再熱后作為新風送到空調房間，而其它部分回風則排出;由于新回風需經過冷熱處理，因而研究如何對空調系統的排風能量進行熱回收節能具有十分重要的意義。熱回收裝置的使用，在節約能源和環境保護方面的功效很明顯，但是當前在使用熱回收系統時，必須優先考慮室內空氣品質。實驗證明，以Fanger的PMV-預測平均投票，氣流速率、垂直溫差作為評價熱舒適度的標準[1]，[2]，熱管換熱器的使用使空調的送風溫度、濕度適宜，達到人們舒適性要求的同時亦減少了空調系統的能耗。 1·建筑廢熱能利用的途徑及通風空調的能耗現狀 1.1國內建筑廢熱能利用的途徑 在現有的能源消耗系統中，建筑能耗約占全國總能源消耗的30%，流入建筑的能源有多種，但經過不同途徑的能量轉換后最終都以廢氣、廢水、圍護結構散熱等形式排出。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，能源供給日趨緊張，發展低能耗健康建筑的意義越來越重要，建筑節能勢在必行。建筑能流分析表明，能源回收潛力很大。目前，建筑物廢熱回收利用的途徑如圖1所示[3]。 由圖可見，選擇合適的換熱器回收建筑廢熱的全熱或顯熱尤為重要，是降低建筑能耗及暖通空調能耗的主要措施。 1.2國內通風空調的能耗現狀 據統計，冬夏兩個季節通風空調系統的能耗占整個建筑能耗的50%以上[4]。另外，據2000年的商業建筑能耗調查統計，設有集中式空調系統的商業建筑的能耗費用約為150元/m2。對于中高檔旅館，如果每套客房新風量為100 m3/h，考慮到公共建筑附加系數1.2，則擁有500套客房的中高檔旅館的全部新風量為60 000 m3/h，利用焓差頻數法，可以計算出我國的部分城市旅館客房冬夏季新風處理平均每天所需冷熱量，具體見表1[5]。 考慮到空調節能對換熱器的性能要求，熱管換熱器以其卓越的性能脫穎而出，廣泛應用于各種生產工藝的余熱、廢熱等低品位能源的回收利用，是空調系統進行熱回收的一種有效節能方法。 2·熱管技術 熱管技術最早由美國學者提出，它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源。 2.1熱管的結構、工作原理及分類 熱管由殼體、吸液芯和工質組成。管殼體是能承受一定內壓的封閉管件，通常由金屬制成，諸如銅管，不銹鋼管或鋼管，緊貼管內壁裝有一層由多孔性物質構成的吸液芯（多為極細的銅絲，中間形成細孔，起毛細泵作用，如同蠟燭燃燒時的燭芯的作用一樣），使冷凝液能從冷端傳向熱端，供蒸發傳熱用。管內抽成合適的負壓，充入適量的工作液，這種液體沸點低，容易揮發，使吸液芯毛細多孔材料中充滿液體后密封。管一端為蒸發段（加熱段），另一端為冷凝段（冷卻段），兩段中間可布置絕熱端，可根據實際需要選擇。圖2為熱管的結構示意圖。 從熱力學的角度看，物體的吸熱、放熱是相對的，有溫差存在，就有熱從高溫處向低溫處傳遞的現象。熱傳遞的3種方式：輻射、對流、傳導，其中熱傳導最快。熱管就是利用蒸發制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。它的工作原理可概述為以下3個環節循環：①在加熱段，毛細芯中的液體從外界熱源獲得蒸發潛熱而汽化；②由于加熱段與冷卻段之間的壓差，蒸汽流向冷卻段放出冷凝潛熱凝結成液體；③冷凝液在吸液芯的毛細作用下返回加熱段繼續蒸發吸熱[6]。 熱管的分類主要有以下幾種：①按工作液回流動力分，有芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（又稱重力熱管）、旋轉熱管等；②按熱管管內工作溫度區分，可分為低溫熱管（－273～0℃）、常溫熱管（0～250℃）、中溫熱管（250～450℃）、高溫熱管（450～1 000℃）等；③按管殼材料和工作介質可分為銅-水熱管、低碳鋼-水熱管、鋁-氨熱管等；④按熱管的功能分，可分為傳熱熱管、熱二極管、熱開關管、仿真熱管等；⑤按凝結液的回流方式不同，可分為吸液芯熱管、兩相閉式熱虹吸管（或稱重力熱管）、重力輔助熱管、旋轉熱管等[7]，[8]。 2.2影響熱管性能的主要因素 熱管的傳熱能力雖然很大，但是也不可能無限地加大熱負荷，其工作能力總是受到若干因素制約的，主要有熱管的工作溫度、管內的工作液體、殼體材料和吸液芯的結構形式。 熱管的工作溫度一般是指工作時熱管內部介質的蒸汽溫度。以此為依據，可做出熱管傳熱極限示意圖（圖3）。 熱管的傳熱極限主要有：粘度限、音速限、攜帶限、細液限和沸騰限5種。它決定了熱管在特定的環境下所能達到的最大傳熱效率和最高的造價等[9],[10]。熱管是依靠工作液體的相變來傳遞熱量的，因此工作液體的各種物理性質對于熱管的工作特性具有重要的影響。一般考慮以下原則：①工質應適合熱管的工作溫度區；②工質與殼體材料、管芯相容；③工質有良好的熱物理性質及經濟、環保性等。常見的工質有水、氨、甲醇、丙酮等。最近國外一些學者突破性地研究了以銀或鈦納米流體為工質的熱管換熱器換熱效率。實驗選用了低離子水，乙醇和直徑21 nm鈦納米顆?；旌衔餅楣べ|，用超聲波均質機混合，管材為銅管，外管徑和長度分別為15，600 mm，測試了該熱管的換熱效率。實驗證明與常規流體的熱管換熱效率比較，納米顆粒顯著地提高了其熱效率[11]~[13]。 須特別指出的是熱管的相容性。熱管只有相容性良好，才能保證穩定的傳熱性能和長期的工作壽命。目前造成熱管不相容的主要原因有以下3方面。 ①介質與管殼材料發生化學反應，產生不凝性氣體，聚集形成氣塞，從而使有效冷凝面積減小，熱阻增大，傳熱能力降低；②有機工作介質在一定溫度下，會逐漸發生分解，如甲苯、烷、烴類等易發生不相容現象；③介質流動時存在著溫差、雜質等，使管殼材料容易發生腐蝕，流動阻力增大，傳熱性能降低，這類現象常發生在堿金屬高溫熱管。 另外，翅片是一種被廣泛用來有效地提高熱傳導效率的部件。大量的工作被用來選擇和最優化翅片以滿足各種場合的應用需要。對于不同的熱交換器的流程長度和不同的翅片長度，最優化模型的形成是基于熵的最小額。以熵特性作為一種參考為基礎，結果表明：不是所有以熵定義的形式都能導致正確的結論[14]。 3·熱管換熱器與常規換熱器的對比 常規的轉輪式換熱器有氣體互相滲漏，氣流壓力較大，接管位置固定，整體裝置占用建筑空間過大，系統布置的靈活性較差，運行維護費用較高等缺點；同時由于大多數直流式空調系統排風中不同程度地含有有毒、有害物質，也不宜選擇易造成新風交叉污染的板翅式、轉輪式換熱機等設備；而循環盤管式系統則需要另外配置循環水泵并且額外消耗電能[15]。 同常規的換熱器相比，以熱管為傳熱單元組成的熱管換熱器有以下幾個優勢：①結構簡單，體積小，重量輕，可控制性強；②卓越的傳熱效率，適應性強，可在失重的狀態下工作[16]；③比普通換熱器壓力損失小，熱回收效率高，運行不需要額外動力，不易發生排風對新風的交叉污染，可以同時滿足冬夏季換熱要求，有效利用空調系統排風中的低位熱能，無運行維護費用，具有高效、節能、投資少和減少環境污染等優良特性[17]~[19]，決定了其在空調熱回收方面更具有應用潛力。 4·熱管在空調系統中的應用 空調系統中用傳統的方法加熱除濕消耗了大量的能源，耗能特點之一是系統同時存在供熱（冷）和排熱（冷）的處理過程，若能將需排掉的熱（冷）量轉移向需熱（冷）的地方，即熱能回收，就能有效地利用能源[20]。實驗表明冷熱氣流溫差只要超過3℃即可回收能量，并且隨著冷熱氣流的溫差增大，節能效果愈加顯著。 4.1傳統一次回風空調系統 傳統一次回風空調系統如圖4所示。該傳統一次回風帶再熱循環空調系統中，空調回風中大部分回風5與室外新風1混合到狀態2，經表冷器冷卻去濕到狀態3，再經過再熱器達到送風狀態4，送入室內。 傳統一次回風空調系統中，表冷器所需的冷量為經過表冷器后空氣焓值的降低值： qc=h2-h3，kj/kg； 再熱器的加熱量：qr=h4-h3，kJ/kg 4.2使用熱管的熱回收空調系統 圖5為使用熱管的熱回收空調系統。 熱管兩端分別安裝在空調機組的新風段與排風機組的排風段內，為使該裝置在冬夏兩季都方便使用，熱管的安裝坡向應可轉換調節[21]。夏季工況下，由房間排出的空氣5先經過熱管的蒸發段預冷到狀態6，小部分作為排風排走，大部分與室外新風1混合到狀態2，經表冷器冷卻去濕到飽和狀態3，再經熱管的冷凝段加熱到要求的送風狀態4，然后送入室內。冬季工況下，新風先經過熱管冷凝段預熱后，再進入空調器處理送風，排風經過熱管蒸發段放熱后再排出，回收了排風中熱能，達到節能的目的，減少了空調負荷[22]。 使用熱管的空調系統中： 表冷器所需的制冷量：qc′=h2-h3，kJ/kg； 所需冷量的減少值：△q=（1-ɑ）（h5-h6），kJ/kg； 節約再熱器的加熱量：qr′=h4-h3，kJ/kg； 則表冷器所需制冷量減少的效率： η＝（qc－qc′）/qc＝△q/qc 式中：ɑ———新風與送風比例，%； h———各點的焓值，kJ/kg。 以石家莊地區為例，計算夏季室外、室內空調空氣干、濕球溫度分別為35.1℃和26.6℃；空調回風干、濕球溫度分別為25℃和19℃；并假定新風與回風比率為10％，則送風空氣干、濕球溫度分別為15℃和12℃狀態下，表冷器冷量減少效率和節約再熱器的再熱量見表2。 由表2可見，使用熱管的熱回收空調系統熱回收效率是相當可觀的。采用調整新風和回風之間的質量流量比值，控制新風的進口溫度在32~40℃，而回風的進口溫度保持在26℃左右。結果表明，新風和回風的溫度隨著新風進口溫度的增加而升高，兩個蒸發器冷凝器部分的傳熱效率也隨之增加到大約48%；當進口新風溫度增加到40℃時，大流動速率對蒸發器起到了積極的影響作用，而對冷凝器的影響則是消極的。隨著新風進口溫度的升高，在熱回收和常規空氣混合之間的焓比提高到85％左右。最佳換熱效率在新氣入口溫度接近熱管臨界流體操作溫度[23]。 5·結語 節能環?？照{是今后空調發展的主要方向，通過與傳統的一次回風空調系統相比，采用熱管換熱器的空調系統有效地利用了其排風中的低位熱能，提高了能源的利用效率，減少了環境污染，具有廣闊的應用前景。 參考文獻：略 |
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