哈雷釬焊板式換熱器
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                小型熱管熱回收通風換氣裝置在實驗室中的應用

                點擊:1750 日期:[ 2014-04-26 21:13:55 ]
                                   小型熱管熱回收通風換氣裝置在實驗室中的應用                      劉澤華,金雷,王新華,李鵬輝,楊曉敏                    (南華大學城市建設學院,湖南衡陽421001)     摘要:闡述了熱管換熱器在通風空調余熱(冷)回收中的應用情況,并針對實驗室換氣次數較大又需避免交叉污染等特點,介紹了一種既能滿足室內新風量又節能的小型熱管熱回收通風換氣裝置。     關鍵詞:熱管換熱器;通風換氣;節能;實驗室     中圖分類號:TU831文獻標志碼:A文章編號:1673-7237(2012)05-0010-03     0·引言     隨著經濟的快速發展,近幾年來我國對科教領域的投入也大大增加,改建、新建的現代化實驗室越來越多,由于要保證實驗人員身心健康、創造安全舒適的實驗環境,實驗室所需新風量比較大,導致其空調能耗顯著增加,而能源日益短缺,這就需要增加帶熱回收的通風換氣裝置,有效利用現有能源來改善室內空氣品質[1]。在各種熱回收通風換氣裝置中,熱管以其換熱效率高,熱流方向的可逆性,結構簡單、緊湊、經濟,并能防止交叉污染等優良的性能在節能方面發揮出巨大的作用,因此,得以迅速發展,備受人們重視。但目前主要利用熱管換熱器回收工業余熱和集中排風廢熱(冷),在建筑中直接使用熱管換熱器進行通風換氣的應用和研究較少。本文綜述了熱管換熱器在通風空調中近室溫工況條件下的應用情況,并闡述了實驗室直接使用小型雙向熱管熱回收通風換氣裝置回收顯熱的能量回收方案。     1·小型熱管熱回收通風換氣裝置的工作原理     小型熱管熱回收通風換氣裝置由熱管換熱器、進氣和排氣風機、新風過濾裝置、進排風風道、外殼等組成,其夏季工作原理如圖1所示。熱管換熱就是利用余熱加熱熱管的一端,吸液芯中工質吸收外界的熱量而汽化,由于不斷產生蒸汽而壓力增加,在壓差的驅使下蒸汽就沿著中間通道流向熱管的另一端,并冷凝成液體向外界放熱,液體依靠毛細力(或重力)的作用返回加熱端,繼續受熱汽化進行下一輪循環。夏季時,室外新風溫度高于室內排風溫度,讓室外新風加熱熱管的蒸發段,用排風吸收新風所帶的部分熱量;冬季時,室內排風溫度高于室外新風溫度,讓室內排風加熱熱管的蒸發段,用排風預熱室外新風;過渡季節時,利用該裝置的旁通通道將室外新風直接引入實驗室內而不經過熱管交換器,以達到節能目的[2]。                 2·熱管換熱器在通風空調余熱回收中的應用     GB50189—2005《公共建筑節能設計標準》規定“建筑物內設有集中排風系統且符合下列條件之一時,宜設置排風熱回收裝置且該裝置的額定熱回收效率不應低于60%。①送風量大于或等于3 000 m3/h的直流式空氣調節系統,且新風與排風的溫度差大于或等于8℃;②設計新風量大于或等于4 000 m3/h的空氣調節系統,且新風與排風的溫度差大于或等于8℃;③設有獨立新風和排風的系統?!辫b于節能設計標準的一些規定,應認真考慮回收排風中的冷熱量來預冷熱新風的措施。在各種熱回收通風換氣裝置中,熱管換熱器又以傳熱效率高,可避免新風與回、排風的交叉污染等優勢,在通風空調節能中廣泛應用。     2.1熱管換熱器在有集中排風的空調系統中的應用     一般設有集中排風的空調系統的換氣次數都比較大,處理新風所需要的能量也比較大,同時導致排風量增大,排風所帶走的熱量增加。因此,利用熱管換熱器回收排風中的能量對降低空調系統的能耗具有重要意義。     若用分離式熱管換熱器回收空調系統排風的熱(冷)量預處理新風,新風比按30%計算,可使系統節能7%以上,并且隨著新排風溫差的增大和新風比的增加其節能效果越顯著,實驗表明只要冷、熱氣流之間的溫差超過3℃就可以回收能量[3]。     Abd El-Baky and Mohamed[4]在集中排風空調系統中應用熱管換熱器來吸收新風中的部分熱量,如圖2所示。實驗在排風(冷流體)溫度保持在26℃,新風(熱流體)質量流量保持0.4 kg/s的情況下,兩側空氣流量比在1、1.5、2.33之間變化,新風溫度在32~40℃之間變化。結論是:當新風溫度上升時,隨著新、排風間溫度差增大,冷凝段和蒸發段的傳熱均增加;當新風的溫度達到40℃時,蒸發段和冷凝段的傳熱效率增加了高達48%;當新風溫度接近熱管中工作介質的工作溫度時,得到最優熱回收效率。                 Noie-Baghban和Majideian[5]介紹了應用在醫院手術室廢熱回收的熱管換熱器的理論分析、設計和制作,并將實際結果和計算機模擬結果進行比較分析。計算機仿真了單根熱管的蒸發段輸入熱流量為20~400 W時3種工作液體(甲醇、水、丙酮)和3種吸液芯結構(50目鎳網、250目鎳網、100目不銹鋼網)的傳熱特性,最終選擇最合適換熱量為800 W的醫院手術室的工作液體是甲醇和吸液芯結構是100目不銹鋼網作為重力熱管制作材料。抽真空的方法使用翅片、熱管的排數、密封等都對熱管的換熱效率有較重要的影響。潘峰[6]針對某生物安全實驗室的直流式空調系統的特點,設計了可以回收空調系統排風能量的熱管熱回收系統,回收的最大冷量可占夏季冷負荷的12%,回收的最大熱量可占冬季熱負荷的40%,冬季回收的熱量受排風機組換熱器運行時結霜的限制。吳生、黃翔等人[7-8]提出了熱回收型熱管間接蒸發冷卻空調機組進行了理論和實驗研究,得出熱管式兩級蒸發冷卻空調系統最佳排風、新風風量比為0.8;采用蒸發冷卻降溫措施有利于加大對新風的處理能力,尤其以直接噴淋的方式效果比較好;在一次空氣風量為5 000 m3/h時,最佳二次/一次風量比為0.8;淋水量為0.418 m3/h,室外干球溫度為34.56℃,室內排風干球溫度為27.81℃時,采用這種熱管式間接+直接蒸發冷卻兩級空調機組可以將室外一次空氣處理到干球溫度22.26℃,一次空氣的溫降可達12.3℃,間接蒸發冷卻器的冷卻效率可達70.39%。     2.2熱管-空調器組合系統      房間空調器在潮濕地區使用時,因潮濕地區潛熱負荷在房間總熱負荷所占比例較大、除濕能力不足而不能形成舒適的室內環境。針對這個問題,目前一些研究者提出在基本不改變房間空調器現有配置的基礎上,加裝熱管換熱器組成熱管-空調器組合系統(如圖3),能較好地控制室內濕度,滿足室內舒適性的要求。                 McFarland等人[9]的實驗研究了在不改變傳統的房間空調器配置的情況下安裝熱管后,熱管對空調系統的除濕量、再熱量、潛熱能效比等的影響。實驗結果表明,當室內設計溫度為22℃,相對濕度為50%時,空調的除濕量增加了62%,再熱量減少了20%,潛熱能效比增加了90%。熱管技術用于提高傳統的房間空調器的除濕量和減少它所需再熱量是非常有效的。魚劍琳等人[10]針對潮濕地區空調總熱負荷中潛熱負荷所占比例較大這一問題,提出了將重力式熱管換熱器用于房間空調器來降低蒸發器的進風溫度,同時可使除濕量增加30%~40%,而制冷量和功耗率基本不變,并且空調器的出風溫度和相對濕度更適宜,但是會增加室內側的空氣流動阻力,需要重新配置室內側風機。     2.3小型熱管熱回收通風換氣裝置     目前市場上的幾種通風換氣裝置如靜止板翅式、轉輪式、高效納米薄膜式換氣機等,它們存在著諸如換熱系數不高、輔助動力過大、配套設施過多、成本過高等問題。在通風換氣裝置中應用熱管換熱器,能克服和改善現有新風換氣機所存在的問題。     湯廣發等人[11]開發了整體式熱管熱回收器,研究得到新風溫降與送風效率、排風溫升與排風效率都具有趨勢一致性。在室內外溫差一定的情況下,熱回收效率與送風溫差成正比。夏季熱回收效率最高可達58.1%,平均值為52.5%。制冷量和EER的平均值分別為0.234 kW和5.86。     鄭茂余等人[12]采用離散法建立了小型熱管式通風換氣裝置計算模型,分析了熱管的傾角、管長、迎面風速、外界溫度、翅片結構等參數對熱回收效率的影響。隨著熱管的管徑和翅片高度的增大,小型熱管式通風換氣裝置的回收效率有增大的趨勢。隨著風速的增大熱回收效率減小,雖然風速加大會提高熱管的換熱系數,降低熱阻,但單位時間內通過的風量加大,熱回收效率降低。     刁彥華等人[13]對熱管式通風換熱器在房間通風中進行了熱回收實驗研究,測試其在2~6人標準新風量的普通房間內的熱回收效果。當室內外溫差范圍為3~16℃時,夏季新風溫降可達1.4~11℃,熱回收效率為46%~70%;冬季新風溫升可達1.3~10℃,熱回收效率為43%~63%。不論夏季或冬季,熱回收效率都隨著室內外溫差的增大而升高,隨風量的增大而降低。實驗結果表明利用小型熱管式通風換熱器進行日常通風換氣時的熱回收效率高,阻力損失小,節能效果顯著。     徐青等人[14]探討了將熱管換熱器用在列車空調熱回收中來解決目前空調列車的室內空氣品質和空調節能的兩大矛盾的可行性。理論計算出采用熱管換熱器對列車空調排風熱回收后處理新風,可以節約新風耗能50%,同時指出熱管換熱器在列車空調中應用的兩個主要影響因素:熱管自身因素和環境因素。     3·應用實例分析     衡陽某高校實驗室,長5.7 m,寬3.1 m,高3.8 m。實驗室的最大人員密度為30 p/100 m2,新風需要量為10 L/s·p,則根據計算所需的新風量為200 m3/h,保證室內正壓,排風量為180 m3/h。假定該裝置的熱回收效率為70%。室內外計算參數如表1所示。                   (1)夏季工況時:由該裝置的熱回收效率公式ε=Q 0/Q max=(tw-tw’)/(tw-tn)計算出該裝置的送風溫度tw’=28.3℃,查i-d圖知室內空氣焓值為55.48 kJ/kg,室外空氣焓值為86.84 kJ/kg,送風狀態點W’的焓值為78.6 kJ/kg。     新風經過熱管熱回收處理后,顯熱的變化量:Q 0=mCP t=QSρCP(tw-ts)=200×1.165×1.005×(36-28.3)=501 W     依據風機資料,每臺風機功率為35 W,2臺風機的總功率為70 W。     能效比EER=Q0/P=1 803/70=7.16                  (2)冬季工況時:由該裝置的熱回收效率公式ε=Q 0/Q max=(tw’-tw)/(tn-tw)得出該裝置的送風溫度tw’=13.4℃,查i-d圖知室內空氣焓值為38.62 kJ/kg,室外空氣焓值為4.35 kJ/kg,送風狀態點W’的焓值為19.97 kJ/kg。     新風經過熱管熱回收處理后,顯熱的變化量:Q 0=mCP t=QSρCP(tw-ts)=200×1.165×1.005×(13.4+2)=1 000 W     依據風機資料,每臺風機功率為35 W,2臺風機的總功率為70 W。     能效比EER=Q0/P=1 000/70=14.3                   由計算結果可以看出:     ①實驗室用該小型熱管熱回收通風換氣裝置能滿足實驗室所需要的新風,且節能效果比較明顯,特別適合需要避免交叉污染的實驗室使用。     ②冬季使用該裝置的節能效果要③室內外溫差越大,熱管熱回收效率越高。     4·結語     (1)實驗室的空調能耗越來越大,能量回收的潛力會更大,小型熱管熱回收通風換氣裝置比較適合于實驗室、醫院等特殊場所換氣熱(冷)回收。     (2)熱管換熱器在通風空調余熱回收中的應用主要包括3個方面:熱管換熱器在有集中排風的空調系統中的應用,熱管-空調器組合系統,小型熱管熱回收通風換氣裝置。     (3)衡陽某實驗室用該小型熱管熱回收通風換氣裝置,當熱管換熱器的熱效率為70%時,夏季的能效比可達7.16,冬季的能效比高達14.3。 參考文獻: [1]李陽春.實驗室空調通風系統優化設計[J].實驗技術與管理,2004,21(6):106-108. 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[13]楊開篇,刁彥華,等.熱管式通風換熱器熱回收的實驗研究[J].化學工程,2009,37(7):17-20. [14]楊大洋,徐青.熱管換熱器在列車空調熱回收中的應用[J].制冷與空調,2010,24(1):56-59. 作者簡介:劉澤華(1966),男,博士,南華大學教授,教務處處長,碩士生導師,主要從事熱環境與建筑節能研究(lzh_1966@126.com)。 金雷(1988),女,湖南常德人,碩士在讀,供熱、供燃氣、通風及空調工程專業,主要研究方向為熱回收與空調節能(leilei6020@163.com)。
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