供热技术在建筑中的应用研究

供热技术在建筑中的应用研究

2.2.4热管采暖与水热媒技术为了提高钢盒的抗压能力，节约热量，解决易受氧化腐蚀的问题，近年来出现了几种形式的管道管式氧化物。它已成为发展趋势的发烧热量。热管散热器利用柱型或板型散热器为壳体,在散热器底部穿入热媒管,壳体内注入工质,并建立真空环境,这是一种常温重力式热管。工作过程是:在散热器底部,供热系统通过热媒管将壳体内的工质加热,在工作温度内,工质沸腾,蒸气上升至散热器上部凝结放热,凝结液顺散热器内壁回流至加热段被再次加热蒸发。理论分析和实验测试表明:散热器散热量的60%以自然对流形式散热,40%以辐射形式散热。分别以氟里昂-11、水、甲醇、丙酮为热管工质进行测试表明,以甲醇、丙酮为热管工质的散热器综合性能最佳。对比普通水热媒散热器,热管散热器有以下优点:(1)表面温度均匀,F.F.Jebrail等人实验表明:对于90℃和72℃的热媒水,普通散热器不同表面点之间的最大温差分别为16.1℃和12.2℃;而同样表面积的热管散热器,当以甲醇为热管工质时分别为2.87℃和5.68℃,当以丙酮为热管工质时分别为0.25℃和2.10℃。(2)没有普通散热器容易出现的氧化腐蚀问题。(3)所需热媒量大为减少,可大为节省输送动力消耗,简化输送管路系统。(4)系统简单轻便,节省金属材料耗量80%;不受水压力制约,安装方便灵活,维护工作量少。(5)通过适当改装,置于房顶倒置安装,可以较方便地改造为太阳能热水系统。同时,热管散热器作为一项新技术,用于集中供热系统,也有一些实际性的工程问题有待进一步完善:(1)热管散热器属于二次间壁换热,其传热能力主要取决于热媒管内的传热热阻,因此,强化热媒与热管工质之间的换热是提高效率的关键,对比普通水热媒散热器,相同的散热器表面积和相同的热媒流量,热管散热器表面温度略低,相应的传热系数也低。(2)热管从启动到稳定工作,管内产生从负压到正压的大跨度压力变化,停止工作时,管壳内需要维持一定的负压,因此,生产工艺要求较普通散热器高的多,工艺成本相应提高。(3)热管工质的毒性、可燃性、与壳体材料的相容性、沸点、饱和压力、热传输因子等热物理性质和参数对热管散热器的性能和实际适用性起着决定性作用,须要慎重考虑。2.2.5热利用的方式我国地热资源极为丰富,全国已发现地热点3200多处,打成的地热井2000多眼,高温地热主要分布在西藏南部和云南西部,地热发电主要在西藏,已装机25MW,已运行20年,可满足拉萨地区45%~50%的电力需求。近几年发展最快的是中、低温地热利用如采暖、洗浴、医疗、旅游、种养业等。地热采暖已发展到800万m2,天津市已达到500万m2,随着对环境的重视,北京地区也在加强规划。美国西弗吉尼亚、日本长野等地通过热管技术利用地下5~20m深处的地热融化停车场、高速公路收费处、加油站等地面积雪,效果良好。而过去常采用在道路下面埋设管子,用循环热水融雪,因而能耗大,运行费用高。日本专家进行了热虹吸管提取的地热能为冬季温室加热的实验研究,并进行了西红柿种植试验。结果表明:使用热管与不使用热管的温室相比较,室温提高2~9℃,而且,室外温度越低,温差越大;西红柿的生长速度快一倍。招玉春对太阳能及热管在温室中的应用作经济分析认为:农业温室中,燃料成本占总成本20.0%~32.2%,采用热管技术,利用太阳能和地热可以大大降低农业温室运行和管理成本,提高经济效益。2.2.5.太阳能和其它低身份废热S.B.Riffat和A.Holt提出了一种新型的热管/喷射式制冷模型。该系统制冷性能COP值可与吸收式制冷媲美,而且结构非常紧凑,可有效利用太阳能和其它形式的80℃左右的低品位废热。以甲醇为工质时,系统性能明显高于用水为工质;当发生温度80℃,蒸发温度5℃,冷凝温度35℃时,前者比后者高70%;以甲醇为工质,冷凝段以35℃空气被动冷却时,单级喷射系统COP值为0.7,双级系统可进一步提高性能;冷凝温度对系统性能的影响,要大于发生温度和蒸发温度对其的影响,因此,在改善系统性能时,应着重考虑冷凝段的强化传热。2.2.5.3.品味低工业热利用在有稳定低品位工业废热的情形下,采用热管技术利用工业废热作为吸收式制冷的热源,达到提高能源利用率,减少环境污染的目的。2.2.5.缩短食品冷冻和解冻所需时间在食品加工中,利用插入式热管可大为缩短食品冷冻和解冻所需要的时间,减少食品表面水分蒸发,从而减少能耗,保持食品质地均匀,减少细菌污染。3工程应用的绩效分析热管在建筑节能上的应用,国内外都缺乏系统的研究,仍然有许多问题有待深入探索。3.1废热回收利用的空间特征热管在建筑节能上的应用,其工况条件与工业节能应用有很大差异,因此在设计和应用上不能简单套用工业节能应用的方法和理论体系。差异主要体现在以下几个方面:(1)冷、热源都处于近室温状态,而且温差非常接近,比如建筑物夏季排风、新风温差一般不会超过15℃,冬季大多数不会超过30℃。(2)随着季节、昼夜、气候的变化,换热器工作条件变化很大。比如:排气夏季是冷源,冬季则是热源;夏季白天温差大,冬季则白天温差相对较少。(3)废热排放和能源利用在空间上都有集中与分散并存的特点。(4)废热排放和能源利用在时间上不稳定,但有一定的周期性。3.2不同形式的热管换热器的热蓝压检测在建筑节能中,按热管换热器结构形式的不同,大致可以分为三种情形:整体式经典热管换热器、整体式热虹吸管换热器、分离式热虹吸管换热器。3.2.1网目数对吸液芯细极限的影响经典热管是应用和研究历史最长一种,对其研究趋于成熟,然而,经典热管的传热机理复杂,热传递存在着一系列的传热极限,限制热管传热的物理现象为毛细力、声速、携带、沸腾、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等,这些传热极限与热管尺寸、形状、工作介质、吸液芯结构、工作温度等有关。毛细极限是最有普遍意义的一种,对于适当网目数的吸液芯,增加层数,可以提高热管的传热能力和毛细极限,但是,增加到一定层数,由于蒸汽通道减少,传热能力有可能受声速极限和携带期限的制约,各种影响因素相互关联。A.AboEl-Nasr等人在特定的实验条件下的实验结果是,吸液芯材料以16层最佳,实际工程应用建议以适当模型实验为基础。另外,经典热管生产工艺复杂,成本较高。3.2.2实验结果的分析热虹吸热管没有吸液芯结构,凝液在重力作用下回流,其传热机理与经典热管有所不同,传热极限主要有携带极限、干涸极限和沸腾极限。影响热虹吸管传热性能的因素很多,如热虹吸管几何尺寸、倾角、充液量、工质的热物理性质、管内的工作温度等等,其中充液量和倾角最为重要。关于充液量,Imura得到的结果是最佳充液率为V′=1/5~1/3,Harada等提出V′=0.25~0.30为合适,Feldma得到的最佳充液量为热虹吸管总容积的18%~20%。关于倾角的影响,针对不同的工质和热虹吸管的长径比实验结果有所不同,这是由于工质的物理性质使得重力对其传热流动过程的影响差异所致,总的来说,在其它工况不变的情况下,倾斜角在20°~40°之间会获得较好的传热效果,进一步加大倾角,传热量的变化比较平坦。由于热虹吸管传热机理的复杂性,充液量、倾角以及其它相关传热规律的研究大多建立在实验基础之上,研究者们实验手段、分析方法、运行条件等方面会有所不同,得出的结论也会有所差异,因此建议在实际的工程应用中,在参考相关文献的基础上,通过适当的模型实验确定最佳充液量、倾角以及其它有关设计、运行参数。热虹吸管在实际使用中,其最大传热能力往往受限于携带极限,因此在结构上减少汽-液间的相互作用成为强化传热的重点,这些措施除通过机加工、电镀、腐蚀、激光等方法形成槽道内表面、多孔内表面结构外,更简便而又有效的途径则是具有内插件的热虹吸管,既内插开空抑泡管、溢流同心导管、内置热管、内置分流管等。值得指出的是,热虹吸管生产工艺简单,普通换热器厂家都可生产,因而成本较低,这是在建筑节能应用中值得考虑的。但也有实验结果显示:对于铜-水热管,有吸液芯结构的热管其传热性能比较没有吸液芯结构的重力热虹吸管高得多,在相对于水平面倾角分别为36°、60°和90°时,传热能力前者比后者分别提高55%、25%和70%;实验也同时显示,无吸液芯结构热管在启动后,达到稳定工作状态所需要的时间少。3.2.3最佳充液量的确定分离式热虹吸管由于其结构的独特性,管内工质的传热与传质过程与整体式热管有所不同,管内蒸汽与液体同向流动,故而不存在携带限,限制其传热能力的主要有烧干限、声速限和冷凝限。从分离式热管内部的运行机理来看,实际上它是一汽水自然循环系统,只有当冷凝段和蒸发段达到一个最小高度差,足以克服各段循环阻力,这时蒸发段出口截面含汽率为x0=1,工质循环倍率为K=1,即认为达到最佳工作点。由于分离式热虹吸管换热器每排热管组件工作点不同,因此必须按照每排热平衡计算的结果逐排校核其汽水动力循环,以求得Hmin及此状态下的最小充液量,使热管换热器运行在最高效率状态。充液量是影响分离式热管效果的最重要因素之一。充液量过多,汽液混合物将进入蒸汽上升管,甚至到达冷凝段,降低系统的传热性能;充液量过少,则会使加热段上部管内壁面无液膜覆盖,引起传热恶化。充液量不仅与热负荷有关,而且受工质的热物理性质、热管的结构特性、几何尺寸、运行工况等各种因素制约。研究者们由于实验模型、试验条件、测试手段、分析方法的差异,关于分离式热管最佳充液量的研究,各自得出的结果差异较大,其定值由28%到95%不等,当中较多结论认为70%左右为最佳,而且这些研究大多数以工业应用为背景,因此对于工程应用并不具有广泛意义,实际工程应用建议进行适当模型实验确定最佳充液量。而且,由于分离式热管各排蒸发段或冷凝段组件的温度变化并不是连续的,其工作点、传热特性亦不同,如果整台换热器都充以固定的充液量,势必难以发挥热管的高效率。分离式热管换热器的设计建议采用离散变量设计方法。分离式热虹吸管换热器与整体式热管换热器比较具有自身的特点:(1)在空间布局上,可以根据需要方便灵活地布置热管的蒸发段和冷凝段,可以实现较远距离热量传输;而且可以不同热汇共用热源,也可以几个热源共同加热一个热汇,但管排不均匀加热和冷却对换热器性能有一定的影响,这是设计和运行中需要考虑的。(2)受传热极限制约较少,可以实现更高热流密度传输。(3)冷、热源完全隔离,不存在相互污染的危险。(4)换热器相互串通的管件较多,一旦某一处出现泄漏,就会导致整排组件或整个换热器功能的丧失。3.3工质及水的特性材料的选择包括管壳材料、吸液芯材料、工作液体的选择,本文主要分析有关工质选择的一些问题。热管是依靠工质的相变来传递热量的,一般应考虑以下一些原则:(1)工作液体应适应热管的工作温度区,并有适当的饱和蒸汽压。(2)工作液体与壳体、吸液芯材料应相容,且应具有良好的热稳定性。(3)工作液体应具有良好的综合热物理性质,要求液体的输运因素大,同时液体的热导因素也大,还要考虑液体在工作温度下的过热度。(4)其他,包括经济性、毒性、环境污染等。近室温条件下,几种工质的主要热物理参数如表5所示:尽管水具有很高的输运因素和热导因素,但一般不建议在近室温条件下采用水作为工质,因为水的饱和蒸汽压太小,蒸汽流非常稀薄,传热容易受声速极限的制约;另外认为,这种温度条件下,水的过热度太大,传热易受沸腾极限制约。4与其他性能及工程应用的建议,有以下几种(1)建筑能耗规模越来越大,能源回收潜力很大;建筑能流分析表明,热管换热技术适合建筑能源回收和节能;热管换热器具有效率高,结构紧凑,形式多样,布置灵活,适用性强等优越性。(2)在回收集中排气中的废热或废冷来预处理新风时,与全热交换器比较,热交换效率略低,压力损失略高,但温度适用范围大,不存在交叉污染;在竖管风道自然排风系统中,具有比普通换热器压力损失小,换热效率高的优越性;与房间空调器结合,可提高系统空气处理能力,节省系统能耗,提高舒适度,但需要适当提高风机压头。(3)热管技术在太阳能、地热能以及其它形式底品位废热利用中优势越来越受到重视,太阳能热水器已非常普及,相信太阳能空调的实用化和普及也将为期不远。(4)热管散热器具有表面温度均匀、节省金属耗量、减少热媒量、防氧化腐蚀和安装便利等优势,但同时也存在一些实际性的工程问题有待进一步完善。(5)分离式热管各排蒸发段或冷凝段组件的温度变化并不是连续的,其工作点、传热特性亦不同,如果整台