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热管技术在空调系统余热回收中的应用

2018-01-10 来源:  浏览:    关键词:空调系统,能耗,热管,能量回收
摘要:摘要:近年来,空调系统的耗能已成为人们的关注焦点,空调耗能已经占到了整个建筑耗能的30%~ 40%,而且在空调系统中,大部分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间,而其余的风量则排排风系统排除出室外,这部分回风携带的热(冷)量就被浪…

摘要:近年来,空调系统的耗能已成为人们的关注焦点,空调耗能已经占到了整个建筑耗能的30%~ 40%,而且在空调系统中,大部分空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间,而其余的风量则排排风系统排除出室外,这部分回风携带的热(冷)量就被浪费掉了。由于热管具有很大的传热系数,导热速度快,结构简单等特点,利用热管的高导热性对排风中低位热能进行能量回收用于新风的预热或(预冷)以达到节能效果,既经济又可行。

1前言

据调查,空调工程中处理新风的能耗大致要占到总能耗的25%~30%,对于高级宾馆和办公建筑可高达40%[1]。排风中携带有大量的可利用低品位热能,如不能合理的利用将造成极大的浪费,因此中央空调节能设计尤为重要,尤其是对排风宜设置热回收装置,进行能量的梯次利用。众所周知,在空调系统中用传统的方法加热除湿浪费了大量的能源,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[2]。热管技术利用其“相变吸热,冷凝放热”原理,巧妙的实现了低品位能源的运输转移。

2热管在空调中的运用

2.1热管空调系统图

图1为热管空调系统流程图,主要由净化过滤段:热回收段、再冷盘管段段、加湿段、送风机段、排风机段构成,如下图所示。

热管空调系统流程图  

图1热管空调系统流程图

 净化过滤段:采用无滤材荷电净化PM2.5技术,空气进入离子瀑室,数十亿正负离子瞬间释放,形成强大的离子场,将污染物瞬间推送到收集壁,利用不停机定时水冲洗将收集壁收集到的污染物清理干净;无滤网无耗材,99%的超高净化效率,可净化至纳米级颗粒物,包括病毒、细菌及对人体健康危害最大的超细颗粒物,保证室内空气净化品质;

热回收段:高导热性热管换热器利用密封隔板把冷源和热源分隔开,不但可避免冷热源的相互污染实现零串风,还可避免常规换热器(例烟管式)中冷源入口处的低温腐蚀。热管的耐蚀性能较好,可使排温度下降。并且由于冷、热源分隔,两端均可加翅片,提高传热效率;

混合段:新风与回风根据不同需求按照一定的新回风比例进行混合;

再冷盘管:盘管里走冷却水对送风进行再冷以保证送风达到设计要求温度;

再热段:经处理后的送风在再热段再热以达到室内送风温度要求;

加湿段:对于干燥地处和特殊季节根据需求可装配等温加湿器、等焓加湿器,以满足实际送风要求;

2.2热管换热器在空调热回收中的应用

通过比较,热管式换热器以其热回收效率高,运行不需额外动力,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,具有高效、节能、投资少和减少环境污染等优良特性等特点,决定了其在空调热回收方面更具有应用潜力。

夏季工况下,由房间排出的空气先经过热管的蒸发段预冷后,小部分作为排风排走,大部分与室外新风混合由热管的冷凝段升温,然后再经过表冷器进一步冷却去湿到要求的送风状态送入室内[3],提高空调系统的制冷和去湿能力。

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[4]。

2.3空调参数对热回收的影响

热管热回收效果收空调排风参数影响,研究表明主要受空调的新回风比、新回风温度、迎面风度影响较大。将脉动热管换热器样机应用于空调系统中,测试其冬夏季工况下的能量回收效果,并分析了空调系统新风温度、风量( 风速) 及倾斜角对热回收效率的影响。结果表明: ( 1) 新风排风风量相等、排风温度及风速不变时,随着新风入口温度的增加,夏季工况下新排风温差增加,则热回效率增加; 冬季工况下新排风温差降低,则热回收效率随之降低。( 2) 随着排、新风比的增加,热回收效率先下降后上升,排、新风比为 1 时换热效率最小; 且风速对脉动热管换热器换热效率的影响要小于温度。( 3) 当风速和新排风温差一定时,倾角由 0°到 90°变化过程中,换热效率先上升后下降,60°时热管效率最高; 且新风入口温度越高,倾斜角对脉动热管换热器换热效率的影响越小[5]。

3热管的基本特征及优势分析

3.1热管的运行原理

图1新回风热交换示意图,热管利用相变吸收,冷凝放热原理,当回风流经热管时,其内部工质在蒸发端吸热相变在微压差作用下上升到冷凝端,冷凝放热回流至蒸发端,一次往复循环达到热量的传递输出。当冷热源段温差出现变化时,因其可逆性原理,需经旋转轴可实现冷凝端和蒸发端的自由切换,已达到全年不停机连续工作使用。

 新回风热交换示意图 

图1新回风热交换示意图

 3.2热管的基本特征

(1)高热导性:由于热管的传热主要靠工质相变时吸收和释放潜热以及蒸汽流动传输热量,且多数工质的潜热是很大的,因此不需要很大的蒸发量就能带走大量的热,管内内工质液体的汽、液相变传热,热阻很小,具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比,单位重量的热管可多传递几个数量级的热量。

(2)有热流密度换能力:热管蒸发和凝结的空间是分开的,因此可以实现热流密度变换,在蒸发段可高热流密度输入,而冷凝段可以用低热流密度输出反之亦然。

(3)温性:热管内腔蒸汽处于饱和状态,饱和蒸汽压力决定饱和蒸汽温度,饱和蒸汽从蒸发端流向冷凝等端产生的压降很小,宜温降很小因而热管具有优良的等温性。这也是其能高效传递热量的根本原因。

(4)传热方向可逆:热量可通过热管的任一方向进行传递。当冷凝段温度超过蒸发段时,可逆方向传递,特别适用于空调设施。

3.3倾角、充液率、热管尺寸对热管换热的影响

1)以一个模拟的两相闭式热虹吸管换热系统测试了热管的长径比、充液率及倾斜角对热性能的影响. 实验设置充液率在 20% ~60%范围内变化,热管的长径比分别为 15、20 和 30,倾斜角则在 15-90°之间变动。结果表明,对3个长径比和几种不同的充液率,均在倾角为 60°时获得热虹吸管的最佳热性能; 要取得最佳传热效果,不同的长径比分别对应不同的充液率,且总体来看长比较小时,充液率对传热速率的影响更大[6]。李棚辉等在冷却水流量为 0. 5 m3/ h 时,分别对不同倾斜角度( 30-90°,间隔 10°) 及不同操作温度下 ( 40 -80 ℃ ,间隔 10 ℃ ) 装置的最大传热量进行测试以此确定最佳倾斜角度。结果显示随着倾斜角度的增大,最大传热量呈现先增大后降低的趋势,最大传热量出现在θ为 60°左右。

 

 倾斜角度对最大传热量的影响

图2倾斜角度对最大传热量的影响[7]

 2)充液率一般指热管内部工质的体积与热管蒸发端体积的比值;在一定的热流密度下,理论上存在一个维持热管工作循环的最小充液率,以避免热管出现烧干现象。周温泉等通过实验研究,得出热管的换热量随充液率的不同而发生变化,最佳充液率为 45% ~ 52% 。

换热量与充液率的关系 

图3换热量与充液率的关系[8]

3.4热管换热器在余热回收应用的优势

(1)无需提供外动力,无运动部件运行可靠性高;

(2)高导热性,热阻小,可通过较小温差实现较大的传热率,轴向传热能力强,表面温度均匀,方向可逆性;

(3)重力热管结构简单紧凑,独立运行,可靠性高;

(4)适用温度范围广,可运行与低温零下几十度至高温几千度;

(5)通过特殊工艺处理可防低温腐蚀,与传统普通换热器相比布置灵活方便处理积灰;

(6)维修方便,运行可靠,使用寿命一长。

 4小结

热管因其成熟的技术及加工生产工艺、简单的结构、低维护费用、无辅助设备、占用空间小、自身不耗能、接管灵活、可靠的运行和高导热性,使其在余热回收竞争领域占据优势;热管技术与空调技术结合,可以实现能源的“开源节流”,节约能源消耗,以提高能源利用效率。同时也符合绿色建筑和节能改造工程中将的相关要求。

参考文献

[1]杨昭,吴志光.热管热回收装置在空调系统中的应用研究.《热管技术和应用》,2004(3)

[2]余霞,王文,王如竹.热管在空调中的应用[ J].暖通空调,2004, 34(5): 26-29.

[3]陈振乾,施明恒.热管热回收空调系统的研究[J].建筑热能通风空调,2000,19(4): 9-11.

[4]李建雄,王宏.热管技术在空调通风系统节能中的应用[J].制冷,2007, 26(2):31-34.

[5]林天轮. 空调用脉动热管冷热回收装置的试验研究[D].上海: 东华大学环境科学与工程学院,2011.

[6]Emami M R S,Noie S H,Khoshnoodi M. Effect of aspect ratio and filling ratio on thermal performance of an inclinedtwo-phase closed thermosyphon[J]. Iranian Journal of Science and Technology,2008,32( B) : 39.

[7]李棚辉,韩晓星等.倾角与冷却水温度对新型闭式重力热管换热器传热性能影响.文章编号: 0253-4339( 2017) 02-0029-05

[8]周温泉,任杰等.水平布管重力型分离式热管实验研究,文章编号: 1002-6339 ( 2014) 02-0190-03

 作者简介

向俊,男,硕士研究生,1991出生,安康人,从事中低温余热回收再利用研究。

 

 

 


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