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        熱管換熱器在列車空調熱回收中的應用

        點擊:1968 日期:[ 2014-04-26 21:57:48 ]
                                 熱管換熱器在列車空調熱回收中的應用                                    楊大洋   徐青                          (華東交通大學土木建筑學院南昌330013)     【摘要】空調列車的室內空氣品質和空調節能是目前列車空調中存在的兩大矛盾因素,如果在列車空調系統內采用熱管換熱器應用于排風能量回收,可以有效的平衡兩者之間的矛盾,在滿足空氣品質的同時,達到節能的目的。對其可行性等進行了分析,認為其節能效果明顯。     【關鍵詞】列車空調;熱管換熱器;節能     中圖分類號U270.38+3文獻標識碼B     0·引言     近年來我國高速列車發展迅速,但還存在不少問題,如車內人員密度大,空間相對較小,空氣品質不佳,車內旅客往往會出現胸悶、頭暈等癥狀。于是,乘客對車廂內空氣品質的要求越來越高,只有增加新風量才是改善車內空氣品質最直接有效的方法。但是,由于室外空氣焓值和氣溫與室內空氣焓值和氣溫存在差異,新風送入車廂內之前需要經過空調系統的處理,勢必要消耗熱量和加濕量。在不同室溫下,新風帶來的顯熱和潛熱占冷負荷的百分比為22.3%~36.0%[1]。由此可見,新風帶來的 顯熱和潛熱占了空調裝置冷負荷的很大一部分。另一方面,為保持室內壓力,需要將車廂內空氣排入大氣,如果直接排出,將會造成排風中能量的白白浪費。因此,如果在空調系統中設置熱管式熱回收系統,使新風與排風進行熱量的交換,將排風帶走的能量盡可能地轉移給新風,以減少新風負荷,將是一種節約能源的有效措施。     1·新風量的確定     由于空調車廂基本處于一個密閉的狀態,空調車廂內每人必須保證有一定的新風量,以滿足衛生要求。目前,運行中的列車空調車廂所需新風量的大小主要是根據室內允許CO2的濃度作為控制指標。我國空調車車內CO2控制標準為:容積濃度小于或等于0.15%[2]。但是,CO2不能作為衡量空氣品質的唯一指標,影響人的舒適及健康的氣體還包括空氣中的CO2、SO2、NO2、CO以及臭氣、粉塵和各類復雜的有機污染物等[3]。ASHRAE62-1989R認為用以確定新風量的污染物來自人員和室內氣體污染源兩個方面,所以室內最小新風量指標按每人最小新風量指標Rp與每平方米地板所需最小新風量指標Rb之和確定。把這種方法應用于鐵路空調客車中,即可以按式(1)計算最小新風量[4]:     Vmin=RpP+RbA(1)     式中:Vmin—列車最小新風量,m3/s;     Rp—每人所需要的新風量,m3/(人·s);     P—車廂內人員數,人;     Rb—單位車廂地板面積所需要新風量,m3/(m2·s);     A—車廂地板面積,m2。                        另一方面,對于高速空調客車,空調處于一個高速的運行環境,車速越高,車廂外表面的負壓值越大(見表1)。當客車時速為140km/h時,新風量將比靜態時減少12%左右;當客車時速為160km/h時,新風量減少15%左右[5]。這主要是由于車體外表面的負壓值增大,使克服新風系統阻力所需風機風壓提高,從而導致新風量的減少。新風量的減少必然會造成車廂內空氣品質的降低,而且高速客車還不同于一般的地面建筑,它還具有人員密集度高、流動性大、人在車內的駐留時間一般較長、車廂外環境條件變化大等特點。因此,對于高速列車的新風量的確定應綜合考慮各種影響因素,不能簡單地將其作為普通地面空調建筑來對待。所以在列車空調實際運行時,列車空調系統的新風量應按式(2)進行計算:     V0=Vmin+Vj(2)     式中:V0——進行空調系統設計時應確定的新風量,m3/s;     V0——由于車體外表面負壓值而使新風量減少的風量,m3/s。     Vj的大小由車速確定,車速越大Vj也越大。     此外,由于空調客車處于一個不斷變化的外部大氣環境下,列車在運行期間,隨著室外大氣質量的變化,車內的空氣品質會受到明顯的影響。當大氣質量好時對車內空氣品質起好的作用,可以按照上述方法確定新風量;但是當大氣質量差時,室外空氣進人車內會反而會降低車內的空氣品質??蛙囘\行時,內燃機車及餐車會排放大量的廢氣和油煙,在客車穿越隧道時,也會明顯地影響著車內的空氣品質。在這種情況下,往往會不引入室外新風,或者引入很少的新風,新風完全靠門窗及其它縫隙的自然滲透和乘客上下車時門的開啟進入車內。     2·熱管換熱器工作原理     熱管是一種具有高效傳熱性能的元件,可以將大量的能量通過很小的截面積進行遠距離的傳輸,而無需外加的動力。它具有很多其它換熱元件不具備的特性:高導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、可控性以及很強的適應性。                      熱管換熱器主要由熱管束,隔板以及箱體組成(如圖1所示)。冷熱流體分別從隔板的兩側通過,實現熱量的傳遞。以夏季為例,室內溫度低于室外環境溫度,經熱管換熱器,排出的冷風吸收新風所攜帶的部分熱量,從而使送入的新風的溫度沿流程逐漸降低,離開換熱器后,以低于環境溫度進入空調機組,新風O在熱管換熱器中處理到狀態點O’,和室內回風混合后達到狀態點M再流經表冷器,達到露點狀態D再經加熱后,達到送風狀態點S,由風機送入室內后達到室內狀態點R。新風處理過程的焓濕圖見圖2。     熱管換熱器屬于熱流體與冷流體互不接觸的表面式換熱器[6,7]。其結構簡單,換熱效率高,在相同傳熱量的條件下,熱管換熱器的金屬耗材少,流體通過換熱器時的壓力損失小,從而動力消耗也小。由于冷、熱流體是通過熱管換熱器不同部位換熱,而熱管元件相互又是獨立的,單根熱管失效不會對整體換熱產生影響,熱管換熱器可以方便地調整冷熱側換熱面積比。     目前常用的其他類型的熱回收裝置包括轉輪式,板式,盤管熱環式,熱泵以及熱管熱回收裝置。轉輪式換熱器換熱效率高,但是由于是兩種介質交替轉換,不可避免產生交叉污染,另外還帶有傳動設備,需要消耗一定能量;板式換熱器傳熱效率較低,設備體積大,需要占用較大的建筑空間,接管位置固定,因些靈活性很差;盤管式換熱器管道布置靈活,但需要增加額外的加壓泵,需要很高的密封性;熱泵式換熱器可以回收大量的潛熱,熱效率高,但是要配備壓縮機,冷凝器等配套設備,設備投資比較高。表2是幾種熱回收裝置的對比[8]。     對于列車空調而言,由于其特殊的運行環境,車廂內外空間有限,維護保養比較不便,而且外部運行環境比較惡劣。熱管換熱器的維護保養簡單,無需要輔助設備,占用空間小并且不需要其它能耗,以及抗凍能力好等特點,正好適用于列車空調。從表中可以清楚的看出熱管換熱器相對于其他換熱器的整體性優勢。     3·采用熱管熱換熱器進行熱回收前后能耗分析     以夏季為例,在未采用熱管換熱器對空調排風進行熱回收處理新風時,空調新風冷負荷按下式計算[9]:                                     從以上實例可看出,采用熱管換熱器對空調排風進行熱回收處理新風后,節約新風耗能的50%,利用熱管換熱器從排風中回收能量,可以減少新風負荷,從而降低整個空調機組的能耗,提高能源的利用效率,達到節能的目的。利用熱管換熱器從排風中回收能量,可節約新風耗能70~80%,節約空調負荷10~20%[11],可見其節能效果非常明顯。     4·熱管換熱器應用于列車空調存在的影響因素     鑒于熱管換熱器在房間空調熱排風熱回收系統中的應用[12],也可將熱管換熱器用于列車空調的排風熱回收處理新風。但是列車空調與建筑房間空調存在著差異,這也對熱管換熱器在列車空調中的應用帶來了一些影響因素[13],主要分為熱管自身因素和環境因素。     (1)熱管自身因素     首先是熱管工質的選擇,要選擇一種適合于列車運行環境的熱管工質,既要工作穩定,又要有較大的傳熱量,并且不造成環境破壞。管殼與工質的相容性,以及管殼材料的腐蝕溶解會對熱管使用壽命及效率產生影響。熱管自身結構的一些參數(如直徑、長度、壁厚、翅片結構等)以及熱管在換熱器中的排列形式,都會對熱管的傳熱性能產生很大的影響,從而影響換熱器的性能。熱管換熱器的緊湊性,也會涉及熱管的投資、運行費用。另一方面,熱管本身存在許多因素制約著其工作能力,即它存在一系列的傳熱極限(包括攜帶極限、聲速極限、沸騰極限、黏性極限、毛細極限等),特別是毛細極限、聲速極限和沸騰極限是熱管運行中最普遍遇到的。這些傳熱極限與熱管的尺寸、形狀、工作介質、工作溫度等有關,限制熱管的傳熱能力。     (2)環境因素     列車空調處于一個動態的運行環境下,隨著列車行駛不同的地點,季節,時間會發生變化,車廂內的負荷也在不斷的變化,新風負荷不斷變化,而空調機組的制冷量是不能自行調節的,這就需要一定的自動控制技術與之相匹配。另外,由于列車空調的特殊運行條件,大部分時間處于行駛中,鐵路周邊空氣含塵量很大,熱管換熱器中氣流速度過快,會加速熱管的磨損,從而影響其換熱能力,于是對熱管換熱器的使用壽命提出了更高的要求。     5·結論     鐵路客運作為我國最主要的一種客運方式,如何同時解決節能與環保兩大問題,是很多研究、工作人員研究研究的重點。如果在采用在傳統的列車空調節能措施的同時,將熱管換熱器應用于列車排風熱回收,對新風進行預處理,可以大幅減少新風負荷,從而降低車廂冷負荷,減少空調機組能耗。但是由于列車空調比較惡劣的運行環境以及熱管本身存在的一些影響因素,需要對熱管換熱器在列車空調熱回收中的可行性進行更加深入的分析研究,這將是一個比較重要的研究課題。     參考文獻:     [1]甘偉新.客車空調的節能途徑探討[J].鐵道車輛,2000,38(3):32-33.     [2]TB1951-87.客車空調設計參數[S].北京:中國鐵道出版社,1988.     [3]張曉英.鐵路空調客車空氣品質的研究[J].內蒙古科技與經濟,2004(1):49-50.     [4]張吉光,楊晚生,李華.鐵路高速客車車內空氣品質及改善措施[J].建筑熱能通風空調,2001(5):67-69.     [5]沈裕浩,彭彪,丁力行.列車空調的運行特性[J].制冷學報,1998(2):15-19.     [6]董其伍,王丹,劉敏珊.余熱回收用熱管及熱管式換熱器的研究[J].工業加熱,2007,36(4):37-40.     [7]莊駿,張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京:化學工業出版社.2000:187-188.     [8]楊昭,吳志光.熱管熱回收裝置在空調系統中的應用研究[C].第九屆全國熱管會議論文集,2004.     [9]陸亞俊,鄒平華.暖通空調[M].北京:中國建筑工業出版社.2002:22.     [10]陳沛霖.建筑空調實用技術基礎[M].北京:中國電力出版社.2004:31-32.     [11]余霞,王文,王如竹.熱管在空調中的應用[J].暖通空調,2004,34(5):26-29.     [12]孫世梅,陳薈晶,鄭立秋.熱管應用于空調節能的理論分析[C].第十一屆全國熱管會議論文集,2008:488-494.     [13]郭振賢,劉仁濤.熱管換熱器應用現狀及其制約因素[J].應用能源技術,2002,4:32-33.
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