冷热源系统能效提升--空调系统的热回收技术
2023-05-12 17:29:42
随着世界范围内能源日趋紧张、矿物燃料减少和能源需求明显增长,促使人们探索节能的新途径和提高能源的有效利用率。根据各国的能源利用水平不同,有43%~70%的能源主要以废热的形式丢失,还会造成城市的“热岛效应”。故欧美发达国家十分重视空调热回收技术的研究和实践,实现热能的二次利用,从而减少能源的直接消耗和排放,以达到节能和环保的目的。在中国,近几年来,我国的空调热回收技术也得到了迅速发展,在实际工程应用中的节能效果相当明显,广泛应用于宾馆、医院、学校、工厂、大型场馆等场所。
一、空调冷水机组的余热回收
中央空调的冷水机组在夏天制冷时,机组的排热通常是通过冷却塔将热量排出带走。利用热回收技术,可将排出的低品位热量有效地利用起来,结合蓄能技术,为用户提供生活热水,达到节约能源的目的。空调冷水机组余热回收的热量较大,可以完全替代燃油燃气、锅炉生产热水,节省大量的燃油燃气。空调冷水机组余热回收一般有部分热回收和全部热回收。
部分热回收:只利用压缩机出口蒸汽显热,蒸汽显热一般占全部冷凝热的15﹪左右,其它的冷凝热在冷凝器中被风机带走;采用串联形式。部分热回收将中央空调在冷凝(水冷或风冷)时排放到大气中的热量,采用高效的热交换装置对热量进行回收,制成热水供需要使用热水的地方使用,如图1所示。部分热回收无需改变制冷系统的运行工况, 同时减轻了制冷主机(压缩机)的冷凝负荷,可使主机耗电降低 10~20%。此外冷却水泵的负荷大大地减轻,冷却水泵的节电效果将会大幅度提高,其节能率可提高到50~70%。
(图 1 中央空调机组部分热回收系统原理)
2、全部热回收
全热回收:利用全部的冷凝热进行制取生活热水;采用系统切换形式。全部热回收主要是将冷却水的排热全部利用,如图2所示。但一般冷水机组的冷却水设计温度为冷却塔水温度(常规为出水37℃、回水32℃),属低品位热源,采用一般的热交换不能充分回收这部分热能,所以在设计时要考虑提高冷凝压力,或将冷却水与高温源热泵或其他辅助热源结合,充分回收这部分热量,系统简单可靠。做全热回收,可直接产生50~55℃的热水,同时取消冷却塔的使用,减小了建筑物周围的噪音,有效地保护了建筑物周围的环境。
(图 2 中央空调机组全部热回收系统原理)
工业及商业公辅设备的主要能耗,是中央空调系统的耗电及锅炉的耗气消耗,利用中央空调的余热回收装置全部或部分取代锅炉供应热水,将会使中央空调系统能源得到全面的综合利用,从而使用户的能耗大幅下降。
二、排风和空气处理能量回收
在建筑物的空调负荷中,新风负荷所占比例比较大,通常占空调总负荷的20%~30%。为保证室内环境卫生,空调运行时要排走室内部分空气,必然会带走部分能量,而同时又要投入能量对新风进行处理。在系统中安装昊磊能量回收装置,用排风中的能量来处理新风,就可减少处理新风所需的能量,降低机组负荷,提高空调系统的经济性。
1、排风能量回收原理
对于全空气中央空调系统,一般新风比15%或以上,其全空气系统+排风能量回收方案如图3所示。图中的热交换器是能量回收设备。通常,空气能量回收设备有两类:一类是显热回收型,一类是全热回收型。显热回收的能量体现在新风和排风的温差上所含的能量;全热回收体现在新风和排风的焓差上所含的能量。
(图 3 中央空调系统排风能量回收系统原理)
热回收新排风系统的通风器带有蓄热体和电机,在安装时需要同时使用。每对通风器在单位时间内交替进风和出风,也就是说一个在出风的同时,另一个在进风。一个通风器将室内污浊空气排出室外的同时令一个通风器引入室外新鲜空气,在室内与室外之间形成往复式的空气环流。
冬季排风能量回收工作时,室内热空气在排出的过程中流经蓄热体,蓄热体吸收室内空气的热量,反向通风时,室外的冷空气流经蓄热体进入室内,这时冷空气带走蓄热体的热能,使进入到室内的新风温度升高,如此循环,达到健康、舒适、节能通风的目的。
2、空气处理过程中的能量回收
中央空调系统空气处理过程中的能量具有很高的回收潜力。以一次回风中央空调系统为例,采用热管热交换器的空调器能量回收系统如图3所示。在该热回收装置中,热管中的蒸发器部分和冷凝器部分分别用于冷却回风和加热送风。室内空气状态4下的回风经过热管中的蒸发器部分被冷却到状态6。状态6下的回风部分作为排风,而大部分回风与室外新风混合,混合后在状态1的空气经表冷器冷却去湿到饱和状态2,饱和状态2下的湿空气经热毛细动力循环热管中的冷凝器部分加热到要求的送风状态3送入室内。与传统一次回风空调器系统相比,空调系统制冷量由热管中的蒸发器部分的交换冷量和表冷器部分的冷量组成。从而有效地节省了空调能耗。
(图 4 中央空调系统空气处理中能量回收系统原理)
三、结论
随着我国经济的快速发展,空调系统的应用十分广泛, 空调系统的运行会产生较多热量,这些热量向外部环境排放,会对周边环境及生态产生一定的不利影响。热回收技术减少了制冷系统的热量排放,对周边环境及生态的发展起到了良好的保护作用;同时,又充分利用空调系统的余热和废热,将空调系统中产生的低品位热量有效地利用起来,达到了节能的目的。
综上所述,为了提高阀的使用寿命、稳定性、正常调节等工作性,调节阀应避免在小开度工作,通常应大于10%~15%。但对高压阀、双座阀、蝶阀、处于流闭状态的调节阀来说,应大于20%(线性阀)~30%(对数阀)。
2、当阀选大了或工艺条件变化时,调节阀经常在小开度下工作,此时如何加以解决?
①降低阀上压差ΔP。由方程式Q=C√ΔP/P可知,当ΔP减小时,Q也减小,为了保持通过调节阀的流量不变,就要增大阀的开度,这样可避免阀在小开度下工作。具体方法如下:
a、在阀后加限流孔板消耗一部分压降;
b、关闭管路上串联的手动阀,至调节阀获得较大理想的工作开度为止。
这两种办法都是增大管路上的压降,以减小阀上压降,因为系统总压降ΔP系统=阀上压降ΔP阀+管路压降ΔP管路。由于ΔP系统不变,当ΔP管路增大时,ΔP阀必然减小。
②缩小口径由Q=C√ΔP/P可知,C值减小,Q也减小,为保持通过阀的流量不变,就必然要加大开度,这样也可避免阀在小开度工作。C值与阀的口径DN、阀座直径dN有关。减小C值的办法是:
a、换一台小档口径的阀,如将DN32换成DN25;
b、阀体不变,换小档DN的阀芯阀座,如将DN10换成DN8。
当调节阀处于小开度工作时,可能会出现以下问题:
1. 易受堵塞: 在小开度下,流体流速较慢,容易使流体中的颗粒沉积在调节阀的流道中,导致阀门堵塞或卡死。
2. 流量控制不稳定: 在小开度情况下,调节阀的流量控制可能变得不够稳定,容易受到外部干扰或内部因素的影响,导致流量波动或不准确。
3. 闪蒸和振荡: 当流体在小开度情况下通过调节阀时,可能会出现闪蒸现象,从而导致流体压力和温度剧烈变化,还可能引起阀门振荡。
对策包括:
1. 选择合适的阀门类型: 对于需要在小开度下工作的情况,可以选择一些专门设计用于小流量的调节阀,如微调节阀,以减少堵塞的可能性。
2. 增加过滤器和网孔: 可以安装过滤器或者网孔,来防止颗粒物进入调节阀的流道,减少堵塞的风险。
3. 优化阀门的设计和材料: 设计合理、材料耐腐蚀的阀门结构,可以降低对于颗粒物堵塞的敏感度。
4. 增加阀门的承受范围: 结合调节阀和控制系统,可以增加阀门的承受范围,从而提高在小开度下的控制精度和稳定性。
5. 增强检修和维护: 定期检查并维护调节阀,及时清理管道和过滤器,可以减少堵塞的风险。
通过合理选择阀门类型,采取有效的防堵措施以及加强对调节阀的维护和保养,可以有效地解决调节阀在小开度工作时可能出现的问题。
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