熱管式空氣換熱器在實驗動物設施建設上的應用

張大維,徐彩云,李曉慧,王 彥,甘振威

(1.吉林大學基礎醫學院,長春 130021; 2.吉林大學公共衛生學院,長春 130021)

實驗動物設施的目的是保證動物生存所需空氣,排除動物飼養過程中產生的有害氣體,防止潔凈區內被微生物污染[1]。 動物飼養設施環境需要保證時刻處于恒溫、正壓(或負壓)和全新風狀態下[2],為此,中央空調通風系統需要全天候不間斷的運行,以供給動物生存必需的恒溫、潔凈的新鮮空氣,同時排出動物飼養過程中產生的有害氣體和微生物,這就導致了實驗動物設施空調通風系統能源消耗量較大[3-4]。如何降低實驗動物設施運行中的能耗,降低運行成本,實現節能減排成為實驗動物設施建設和運行管理的難點[5]。 目前,實驗動物設施建設的發展方向,通過細化管理,應用新能源技術,將實驗動物設施運行過程中產生的“廢氣(汽)、廢水”進行二次利用,實現節能減排[6]。 本研究中的新型的熱管式空氣換熱器是一種行之有效的節能減排方法之一,將其應用于實驗動物設施進排風系統之間,通過熱量交換,回收設施排放空氣的冷熱能量,加以利用,從而達到節能減排的目的[7]。

1 熱管式空氣換熱器的結構組成及工作原理

1.1 熱管

熱管是一種具有高導熱性能的管式傳熱組件,是由銅、鋁等管材兩頭密封,經抽真空后,填充變相工質(由氟里昂-12 等復合材料)配合制成[8]。 熱管內同時存在氣相和液相工質,管內壓力由氣液分界面的溫度所決定[9],利用蒸發制冷管內產生溫差和壓差的原理,兩段之間的蒸汽壓力不同,熱量自高溫熱源(放熱段或蒸發段)傳入熱管時,處于與熱源接觸段的熱管內壁吸液芯中的飽和液體吸熱氣化,蒸汽在壓差的推動下進入熱管空腔[10],空腔內的壓力不斷升高,蒸汽分子便由氣化段流向熱管的另一端,蒸汽在這里遇到冷原(受熱段或冷凝段)凝結成液體,同時對冷源放出潛熱[11],從而完成一個循環。 如此循環不止,使熱量源源不斷地進行傳導。

1.2 熱管式空氣換熱器

熱管式空氣換熱器是一種蒸發—冷凝器型的換熱設備,將熱管按一定行列間距布置,成束裝在框架的殼體內,用中間隔板將熱管的蒸發段和冷凝段隔開。 利用熱管進行空調熱回收時,由于冷、熱空氣的溫差較小,為了提高換熱效率,必須選擇熱阻小的管芯結構,如軸向槽道或周向槽道管芯、金屬燒結管芯、內螺旋溝槽[12];為了增大傳熱面積,管外加有翅片,肋化系數(翅化比)一般為10 ～25。 沿氣流方向的熱管排數通常為4～10 排[13]。

用中間隔板將熱管的蒸發段和冷凝段分隔開,分為冷、熱兩個流體通道,避免蒸發段和冷凝段交叉,中間熱媒在自然對流或毛細管壓力作用下實現其中的循環。 水平放置的熱管式空氣換熱器在冬季和夏季使用時,蒸發段和冷凝段可自由切換,從而無需季節轉換。 且每個通道的底部均開有液體排放口,在排放口外接有排放管路,即實現了進排風系統的隔離,又實現了換熱作用,保證了進排風空氣不能交叉污染。 其具體結構如圖1,圖2。

圖1 熱管和熱管式換熱器結構原理圖Figure 1 Schematic diagram of heat pipe and heat pipe heat exchanger

圖2 熱管式空氣換熱器結構原理圖Figure 2 Schematic diagram of the structure of the heat pipe air heat exchanger

2 熱管式換熱器在實驗動物設施上應用

實驗動物設施(長春地區)常年排出的空氣溫度為20℃～26℃,實驗動物設施冬季室內外溫差最大達55℃,夏季溫差最大12℃,室內外溫差的存在為使用氣-氣熱管式空氣換熱器進行能量回收創造了基本條件,溫差越大,換熱效果越明顯。

由于實驗動物設施排放氣體有機物質(動物背毛、皮屑)和粉塵較多,極易導致空氣換熱器堵塞和腐蝕,因此在空氣換熱器使用上需要進行改造,根據動物飼養設施的特點建立完整的設備體系,形成一個可應用于動物飼養設施空氣換熱系統,實現節能設備在實驗動物設施高效、穩定運行[14]。

該系統包括殼體、設置在殼體內的過濾裝置、熱管換熱器、新風進氣總管和新風出氣總管。 殼體上設置有新風進口和新風出口;新風進口與換熱裝置之間設置有過濾裝置,且罩體均通過出風分管與新風出氣總管連通;每個進風分管上均設置有氣閥;每個出風分管上均設置有測溫裝置。

3 實驗設計及數據處理

本研究通過采用銅鋁復合和純鋁材質的熱管式換熱器,水平放置,在實驗動物飼養設施進排風通風系統間,使用該設備進行能量交換。 利用可編程控制器(PLC)和采集模塊,設計溫度記錄儀,對換熱器進行測試和記錄,評價低溫空氣換熱器能量回收效率。 其熱回收原理如圖2;為便于理解將熱管低溫熱回收設備立面圖及俯視圖附于下圖3。

以月份為橫坐標,以溫度為縱坐標,統計各個月份的室內、室外溫度,統計換熱效率。 換熱效率計算公式如下:

其中T1為新風換熱前溫度(室外溫度),T2為新風換熱后溫度,T3為排風換熱前溫度(室內溫度)。

圖3 熱管式熱回收設備立面圖(左)、俯視圖(右)Figure 3 Heat pipe heat recovery equipment elevation (left), top view (right)

圖4 銅鋁復合翅片的熱管式空氣換熱器換熱效率圖Figure 4 Heat transfer efficiency diagram of heat pipe air heat exchanger with copper-aluminum composite fins

4 實驗結果與討論

采用銅鋁復合翅片的熱管式空氣換熱器,材質為銅鋁復合材料,水平放置,風量為12000 m3/h,迎面風速為1.72 m/s。 全年平均換熱效率為42.5%(全年換熱效率詳見圖4),其中冬季(10 月份～4 月份)平均換熱效率可達到43.7%。 夏季可節約用電量0.43 萬kW·h,冬季可節約電量12.55 萬kW·h。

采用工業純鋁螺旋一體化翅片(內螺旋溝槽)的熱管式空氣換熱器,材質為純鋁,水平放置,風量為25 000 m3/h,迎面風速為1.38 m/s。 全年平均換熱效率為72.6%(全年換熱效率詳見圖5),其中冬季(10 月份～4 月份)平均換熱效率可達到54.6%。夏季可節約用電量0.47 萬kW·h,冬季可節約電量22.35 萬kW·h。在室內外溫差很小,或室外溫度與控制溫度相近時,可能會出現負效應結果,尤其是夏季(5～9 月份)[15]。

由此可見,兩臺設備均有較好的節能效果,工業純鋁螺旋一體化翅片(內螺旋溝槽)的熱管式空氣換熱器換熱效率(73%)明顯高于銅鋁復合翅片的熱管式空氣換熱器(45%),且工業純鋁螺旋一體化翅片(內螺旋溝槽)的熱管式空氣換熱器冬季節能效果(22.35 萬kW·h)也明顯高于銅鋁復合翅片的熱管式空氣換熱器(12.55 萬kW·h)。

5 結論

本研究結果證實,熱管式空氣換熱器在實驗動物設施上的應用,能夠達到較好的節能減排效果。實驗動物設施利用熱管式空氣換熱器在空調通風設備的排風和新風之間進行能源交換,回收設施排放氣體中的(冷、熱)能量,對新風能量進行補充,提高(降低)設施新風溫度,降低電器使用負荷,實現了能源的二次利用,較好地解決了實驗動物設施能耗高的問題,具有廣泛的社會和經濟意義[16]。