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低温热管能量回收装置在纺织厂中的应用摘要：在纺织行业中，某些工厂厂房为保证工艺及劳动保护的要求，需要大量的排风，为此现行标准规范要求这类厂房的空调系统应采用直流式空气调节系统。然而在我国北方地区由于冬季比较寒冷，如果机械地遵照规范执行的话，一方面会造成环境的热污染，另一方面又会由于巨大的新风加热量而造成极大的能源浪费。我通过在有关工程设计中的一个实例，说明了低温热管的应用在这种能源回收中的显著作用，及该应用在相应领域中广泛的使用前景。关键词：焓值饱和蒸汽直流式空气调节系统新风量低温热管1·引言：根据《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）中第6·3·13条的要求，一些空气调节系统应采用直流式空气调节系统，即全新风系统，包括以下几种情况：（1）夏季空气调节系统回风焓值高于室外空气焓值；（2）系统服务的各空气调节区排风量大于按负荷计算出的送风量；（3）室内散发有害物质，以及防火防爆等要求不允许空气循环使用；（4）各空气调节区采用风机盘管或循环风空气处理机组，集中送新风系统。如此看来，在纺织行业中，许多车间由于生产工艺的要求，造成车间内的高热高湿，甚至还可能造成车间内弥漫着对人体有害的气体，这样就需要大量的排风才能满足车间内的卫生要求。在这种车间环境下，空调送风必须采用直流式空气调节系统。而直流式空调系统冬季所需要的新风加热量，占车间总供热能量的比率是非常高的，同时排风中的余热如不加处理和利用就将成为了一个巨大的能源浪费，同时还会造成对环境的热污染。2·举例说明:下面，举两个普遍使用的例子说明这个问题。例1：印染车间：在印染过程中，对纱或布的处理，是在一定的高温热水和化学药剂混合的条件下在染纱锅内蒸煮完成的，所以染纱锅内水的加热量、加热温度要求稳定可靠。染纱锅内的热水一般采用的是0.6MPa或0.3MPa的饱和蒸汽,通过直接或间接的方式加热。在生产中为了操作方便这些染纱锅通常处于敞开状态。有些工厂在染纱锅上部采用接受式排风罩，使大量水蒸气直接排出车间；而有些工厂则直接将大量水蒸气扩散到车间环境内，使得车间环境夏季焓值远大于室外空气焓值，这时通常采用墙上安装轴流通风机的方式，将高焓空气直接排出室外，而在冬季，由于这些水蒸气中所含化学药剂中有一定的酸、碱成分，不宜回收。为了满足操作工的劳动保护要求，车间内需要采用直流式空气调节系统，夏季送低温风，冬季送干热风。在冬季当室外温度低于18℃时，送入车间的空调风就要求采用0.3MPa的饱和蒸汽进行加热，耗热量很大。在北京地区，一个日染色能力将近10吨的印染车间，冬季送风量大约为每小时3万立方米，送风温度为22℃，送风加热采用0.3MPa的饱和蒸汽，用量为0.6T/h；同时，为防止排风天窗因室内外温差而产生凝结水，需要设置的天窗排管，天窗排管所用的热媒为0.3MPa的饱和蒸汽量，用量为0.1T/h。而生产工艺此时要求的用汽量为0.3MPa的饱和蒸汽最大量为0.4T/h；0.6MPa的饱和蒸汽最大量为8.4T/h，平均量为2.9T/h。由此可见，冬季直流式空调系统新风加热所需要的蒸汽量与整个车间所用蒸汽总量相比，其比值还是很高的。因此，如果将冬季散失在车间内的工艺用蒸汽余热量进行回收并再利用，就可以满足车间新风加热所需的热量的要求，减少整个车间所用蒸汽总量。例2：粘胶短纤维的纺练车间：这种生产车间的工艺流程为纺丝→牵伸→切断→精炼→烘干→打包。其中，由于生产工艺的需要，纺丝、牵伸工艺的浴液中会挥发出大量的CS2、H2S气体。尽管设备尽量进行了密封，但在运行过程中，仍然会由于操作及密封的问题造成CS2、H2S气体的泄漏。为保证车间的空气环境，纺丝车间（包括纺丝→牵伸→切断工艺）、精炼车间（精炼）、烘干车间（烘干、打包）内的设备均采用局部排风，同时纺丝车间、精炼车间还设有全面排风系统，车间内的总排风量远大于按负荷计算的送风量，所以空气调节系统只能采用直流式系统，造成在冬季新风加热量很大。以某年产两万吨粘胶短纤维的纺练车间为例，车间内总的新风加热总量大约为2864kW,折合0.3MPa饱和蒸汽量为4.8T/h，同时烘干机采用的是蒸汽盘管烘干纤维，所用的蒸汽为0.55MPa的饱和蒸汽，最大量为7T/h，设备内的排风机将设备内的湿空气直接排出室外，排风温度均在85℃～90℃之间，造成极大的浪费。由以上的两个例子可以看到，目前纺织厂在生产中设备排风的热量浪费是十分惊人的。回收排风中的热量用于冬季新风加热，将可能成为纺织厂节能的重要组成部分。3·热管的应用实例：现在热回收式新风换气机的种类很多，其中用的比较多的是转轮式全热交换机及低温热管式显热回收装置。前者既可以回收显热又可以回收潜热，后者只可以回收显热，但可以保证新风和排风之间绝对不会互相泄漏。相比之下低温热管显热回收装置更适合于纺织厂的热量回收过程。低温热管显热回收装置是通过工质汽化、冷凝的过程进行热量的交换，是一种非常理想且有效的热回收装置。3．1热管的换热原理：热管外壳采用的是具有良好导热性能及耐腐蚀的铝合金管制成，管内经清洗并抽真空后注入一定量的工质，多根热管按一定要求排列后组成管束，称为低温热管设备（以下简称热管）。热管一端为蒸发区，工质在蒸发区受热后吸收热量汽化，汽化后的工质向另一端即冷凝区流动；进入冷凝区后，在冷凝区冷凝工质液化，放出汽化潜热，液化的工质在毛细力和重力的作用下回流到受热区受热再汽化，这样往复循环，就可以将大量的热量由蒸发区传到冷凝区。根据回收热量的温度不同，内部充入不同的工质，以保证具有较高的换热效率。（如图一、图二所示，I—蒸发区，II—冷凝区）使用时热管换热器的管束可以垂直放置（见图一），也可以斜置（见图二）。前者工质只能作单向流动，即回收热量或冷量，其特点是，工质流动通畅，热效率较高；后者可以通过变换热管角度的方式分别进行冷、热量回收。当进行热量回收时，I为蒸发区，II为冷凝区，此时I区比II区向下倾斜低5o－7o；在进行冷量回收时，可以将热管转动角度，此时II为蒸发区，I为冷凝区，II区比I区向下倾斜低5o－7o。这样可以使一套热管设备根据不同的情况，在不同的季节进行不同的能量回收，但这样放置由于工质流动速度慢，会对热回收效率有一定的影响。3.2热管在粘胶短纤维纺练车间空调设计中的应用：在某厂2万吨粘胶短纤维纺练车间的空调通风设计中，我们采用了一台热管设备，用来回收干燥机排出的废热。3．2．1冬季新风所需要的加热量：整个纺练车间需要的新风量为37万立方米/小时，正常情况下配置两套空调系统，即纺丝车间配置一套(K-1)空调机组，通风量为17万立方米/小时；精练、干燥、打包配置一套(K-2)空调机组，通风量为20万立方米/小时。当地冬季通风温度为-3℃，车间需要的送风温度为20℃，0.3MPa饱和蒸汽汽化潜热为2164.1kJ/kg。两套空调系统冬季所需要的加热蒸汽量分别为：K-1空调机组，加热功率为Q1为1316kW，加热所需要的饱和蒸汽量G1为2.2T/h；K-2空调机组：加热功率为Q2为1548kW，加热所需要的蒸汽量G2为2.6T/h；K-1、K-2合计需要的加热量2864kW,折合0.3MPa饱和蒸汽量为4.8T/h.。3．2．2热管回收的热量纺练车间干燥工段采用0.55MPa饱和蒸汽经减压后为0.45MPa过热蒸汽，对短纤维进行加热烘干，排风温度可达到80℃～90℃。如果直接将高温空气排出室外，会造成很大的热量浪费。采用热管，则可以将这部分热量进行一定量的回收利用。某厂短纤维纺练车间的干燥工段总共4台干燥机，其排风状态参数见表一。表一干燥机排风的空气状态机号台数温度湿度排风量含湿量焓值℃m3/hg/kgkJ/kgA2852714052114.51391B1872721352125.67423C1902214052112.92393混合排风862663508119.3402可以看到其总排风量为63508m3/h，混合后的排风温度为86.8℃。为提高回收效率，将热管垂直放置，如图三所示。假设新风入口温度为T1,出口温度为T2；排风入口温度为T3,出口温度为T4；新风量为V1;排风量为V2。已知:T1=－3℃T3=86.8℃V1=V2=63508m3/h根据设计手册上的热管换热效率及阻力损失曲线选取热管。取风速为3.7m/s、片高11mm、片距2.4mm，排数8排，由此选择热管型号为KLS-79-8-2.4。热管效率ζ为66%，阻力损失235Pa，垂直放置。由&=(T1－T2)/(T1－T3)×100得T2=T1－&(T1－T3)=－3℃－0.66(－3℃－86.8℃)=56.3℃T4=T3－&(T1－T3)=86.8℃－0.66(－3℃－86.8℃)=27.5℃已知：27.5℃的饱和含湿量为24.6g/kg则经热管排出的凝结水量为：d=63508m3/h×1.2kg/m3×(119.3g/kg－24.6g/kg)=7.2t/h热管系统回收的热量为Q=1.2kg/m3×63508m3/h×1.01kJ/kg×(56.3＋3)℃÷3600=1268kW相当于0.3Mpa饱和蒸汽量为G=1268kW/2164.1kJ/kg=0.6kg/s=2.11T/h由图四中的曲线可以看到，热管作为一种热回收设备，当排风量及参数一定时，它的热回收量也是一定的。由以上计算结果得出，回收的1268kW的热量，可将200000m3/h风量温度提高量为T=1268kW×3600s÷(1.2kg/m3×200000m3/h×1.01kJ/kg℃)=18.83℃;可以将来370000m3/h风量温度提高量为T=1268kW×3600s÷(1.2kg/m3×340000m3/h×1.01kJ/kg℃)=11.08℃所以当我们将热管作为K-1,K-2两套机组的新风加热时，一个冬季里可使用的时间就比同时用于K-2机组的新风加热时间长得多，使用效率也会更加明显。以潍坊地区为例，这个地方平均低于+5℃的天数为118天，而底于+8℃的天数为143天。也就是说，若热管同时对K-1、K-2空调机组的进行新风加热，一个冬天致少可以使用近150天。若只对K-2空调机组的进行新风加热，一个冬天也可以使用120天左右的时间。其经济效益可以相差25(见图四）。下面我们可以把热管的效益作一个经济比较。3．2．3热管回收装置的经济效益：由图五可以看到热回收系统流程示意图。（1）热管回收系统所增加的设备投资：A：热管一台13万元。B：一台离心通风机4.5万元；一台轴流风机0.5万元。C：多占用车间的面积105平方米。按1500元/平方米计算，总计15.75万元。D：电容量增加量：电费按0.5元/度计算。一台离心通风机所增容量11kW;一台轴流风机所增容量11kW。如果按一年使用120天计算，多用电量为11kW×2y×24h/d×120d/y=63360度折合人民币为63360度×0.5元/度=3.17万元如果按一年使用150天计算，多用电量为11kW×2y×24h/d×150d/y=79200度折合人民币为79200度×0.5元/度=3.96万元E:其它费用10万元。(2)若只给K-2机组新风加热：一年使用120天。使用热管能量回收系统增加的费用（设备投资+基建费+电费+其它费用）为46.92万元。所回收的热量折合成0.3MPa饱和蒸汽，每年需要6684吨。取0.3MPa饱和蒸汽价格为65元/吨，则每年节约蒸汽的费用为43.4万元，一年多即可收回投资。该装置可正常运行15年，收回投资后每年仍然可以节约费用43.75万元。(3)若同时给K-1、K-2机组新风加热：一年使用150天。适用热管能量回收系统增加的费用（设备投资+基建费+电费+其它费用）为47.71万元。回收的热量折合成0.3MPa饱和蒸汽，需要8355.6吨。取0.3MPa饱和蒸汽价格为65元/吨，则蒸汽的费用为54.3万元，不到1年即可收回投资。该装置可正常运行15年，收回投资后每年仍然可以节约蒸汽的费用50.34万元。由此可见，热管热量回收系统节能效果明显，经济效益可