食用菌培育室熱管式全熱回收器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

周根明, 訾新立, 孔祥雷, 姜繼鼎

(江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

工廠化栽培的食用菌是一種高蛋白、低脂肪、無污染的綠色健康純天然食品,越來越受到消費(fèi)者的青睞.我國的食用菌工廠化栽培產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展,并形成一定規(guī)模.據(jù)中國食用菌協(xié)會(huì)2010年12月統(tǒng)計(jì),全國在建和已經(jīng)建成投產(chǎn)的工廠化企業(yè)已經(jīng)達(dá)到443家,較2009年246家上升了80%,年產(chǎn)量由2009年的40萬噸上升到65萬噸.2010年全國食用菌總量為2 200萬噸,工廠化生產(chǎn)食用菌數(shù)量占全國總量的3%[1].由于食用菌生長需要不同的溫度、濕度和CO2濃度,使得生產(chǎn)過程中需要使用相應(yīng)的空調(diào)和換氣設(shè)備,尤其是冬夏季節(jié),溫差較大,空調(diào)制冷或加熱設(shè)備的連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行,會(huì)消耗大量的電力能源，其中制冷或加熱設(shè)備的能源消耗大約占食用菌生產(chǎn)總成本的20%～30%[2].而食用菌工業(yè)生產(chǎn)中，培育室通風(fēng)換氣時(shí)排風(fēng)參數(shù)基本恒定,且冬夏季節(jié)通風(fēng)換氣過程中新風(fēng)與排風(fēng)間的溫、濕度差較大,培育室排風(fēng)大都直接排放,存在著較大的能量浪費(fèi).因此,在大力提倡節(jié)能減排的形勢(shì)下,文中在分析目前各種空氣能量回收器形式和工作原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合食用菌培育室新風(fēng)、排風(fēng)狀態(tài)參數(shù)及二者間不能交叉污染的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種新型的熱管式全熱回收器,通過回收排風(fēng)中的能量，對(duì)引入培育室的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理,從而達(dá)到降低空調(diào)設(shè)備能耗的目的.最后對(duì)所設(shè)計(jì)的熱管式全熱回收器進(jìn)行了初步性能試驗(yàn)與經(jīng)濟(jì)性分析.

1 空氣能量回收器發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 轉(zhuǎn)輪式熱回收器

轉(zhuǎn)輪式熱回收器是一種蓄熱蓄濕的熱交換器,其構(gòu)造見圖1.新風(fēng)和排風(fēng)分別在轉(zhuǎn)輪的兩個(gè)半圓部分通過轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)芯部分.轉(zhuǎn)芯由浸漬吸濕劑的非金屬材料,或由表面經(jīng)特殊加工的具有多孔吸濕性能的鋁箔制成.它蓄存著從排風(fēng)中獲得的能量,當(dāng)轉(zhuǎn)向另一側(cè)時(shí),這些能量為新風(fēng)所帶走[4].它的特點(diǎn)是全熱熱回收效率高,安裝簡單,適應(yīng)性強(qiáng),廣泛應(yīng)用于各種民用通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),特別是泳池、桑拿等需要大量除濕的場所[5-6].

圖1 輪轉(zhuǎn)式換熱器構(gòu)造Fig.1 Rotary heat exchanger

1.2 板式熱回收器

板式熱回收器又被稱作靜止型熱交換器,大多采用板翅式結(jié)構(gòu)(圖2),兩股氣流呈交叉形式流過熱交換器.

當(dāng)其間隔板用傳熱、透濕性能的材料制成時(shí),就構(gòu)成了空氣—空氣全熱交換器;當(dāng)其隔板采用不含吸濕作用,只有傳熱作用的材料(如金屬板、塑料板等)制成時(shí),就構(gòu)成了空氣—空氣顯熱交換器[6].它的特點(diǎn)是傳熱效率高,使用壽命長,在電力、冶金、造紙工業(yè)以及機(jī)械、紡織生產(chǎn)上應(yīng)用較多[4-5].

圖2 板式熱回收器構(gòu)造Fig.2 Plate heat recoverer

1.3 熱管型熱回收器

熱管式熱回收器是一種顯熱回收裝置(圖3).

圖3 熱管及熱管式熱回收器構(gòu)造Fig.3 Heat pipe and heat pipe recovery schematic diagram

熱管的原理首先是由美國俄亥俄州通用發(fā)動(dòng)機(jī)公司Gaugler R S于1944年在美國專利中提出的[6].熱管由密閉真空金屬管內(nèi)充注一定量的工質(zhì)構(gòu)成,管受熱側(cè)吸收熱流體熱量,并將熱量傳給工質(zhì)(液態(tài)),工質(zhì)吸熱后以蒸發(fā)與沸騰的形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝?蒸汽在壓差作用下上升至放熱側(cè),同時(shí)凝結(jié)成液體放出汽化潛熱,熱量傳給放熱側(cè)的冷流體,冷凝液依靠重力回流到受熱側(cè),如此循環(huán)就可以進(jìn)行熱量的交換,熱管是人們所知道最有效的高效傳熱元件之一[7].在暖通空調(diào)實(shí)際應(yīng)用過程中,通常采用不銹鋼或銅作為熱管殼體,甲醇,氟利昂,水等作為工作介質(zhì)[8-9].熱管換熱器具有傳熱效率高、工作可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長、沒有摻混污染、無額外能量消耗等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于醫(yī)院、游泳館、食品生產(chǎn)加工、食用菌培植等不允許新風(fēng)、排風(fēng)交叉污染的特殊場所[3-4].

1.4 能量回收裝置性能的比較和選擇

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),熱管換熱器與其他換熱器相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)[8-11]:

1) 傳熱性能好:首先是在換熱器兩側(cè)均可實(shí)現(xiàn)管外翅化,大大增加了冷、熱流體與熱管的熱交換面積,因而強(qiáng)化了整個(gè)氣—?dú)鈧鳠徇^程;其次,把傳統(tǒng)的氣—?dú)鈸Q熱器的交叉流型改為純逆流流動(dòng),在不改變冷熱流體入口溫度的條件下,增大了冷熱流體的換熱平均溫差.可充分利用空間布置傳熱面,因而提高了設(shè)備的緊湊性,使設(shè)備的重量減輕,金屬耗量減少,從而節(jié)省成本.

2) 適應(yīng)性強(qiáng):熱管換熱器的傳熱元件是熱管,其蒸發(fā)段、冷凝段的結(jié)構(gòu)布置可根據(jù)冷熱端流體的特性來進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì).這就從結(jié)構(gòu)上確保熱管換熱器能適用于不同工況的要求.對(duì)于食用菌工業(yè)生產(chǎn)來說,就可以根據(jù)不同廠房的需要,進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì).

3) 無交叉污染:對(duì)于食用菌生產(chǎn)來說,清潔度要求極高,新風(fēng)和排風(fēng)絕對(duì)不能接觸,以免產(chǎn)生交叉污染.熱管換熱器可滿足此特定要求,熱管兩側(cè)流體被相互隔開,因而能確保空氣品質(zhì).

2 熱管式能量回收器設(shè)計(jì)方案

由于食用菌的培育需要一個(gè)清潔度較高的空氣環(huán)境,需要不斷地送入新風(fēng)來稀釋污染物，從而保證培育室內(nèi)空氣的潔凈度,所需新風(fēng)量遠(yuǎn)大于處理室內(nèi)負(fù)荷所需的風(fēng)量,新風(fēng)量越大,處理新風(fēng)需要的能量越多,排風(fēng)帶走的熱量也增加[12].同時(shí)培育室的排風(fēng)在與新風(fēng)進(jìn)行能量回收交換的過程中不允許存在交叉污染.冬、夏季節(jié)的室外新風(fēng)與培育室的排風(fēng)間的焓差相對(duì)于溫差較大,所以為了更多地回收能量，應(yīng)選用全熱能量回收器.通過上述各種空氣能量回收器形式和工作原理的分析,可以得到熱管式能量回收器傳熱性能好,結(jié)構(gòu)緊湊,無交叉污染,更適合食用菌的生長條件.因此確定采用熱管式換熱器來進(jìn)行食用菌房排風(fēng)的能量回收.但是,目前的熱管換熱器只能進(jìn)行顯熱回收,所以設(shè)計(jì)時(shí)加裝了噴淋裝置,夏季工況時(shí)對(duì)要處理的排風(fēng)再進(jìn)行噴淋加濕(冬季工況時(shí)對(duì)新風(fēng)進(jìn)行噴淋加濕),就可以回收潛熱,從而滿足全熱回收的要求.

2.2 熱工計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 熱工計(jì)算[13-14]

文中以上海地區(qū)3 000 m3/h風(fēng)量的能量回收器為研究對(duì)象,菌菇培育室內(nèi)的空氣計(jì)算參數(shù)如下:干球溫度tn=13℃, 相對(duì)濕度RH=95%,焓值hn=35.75 kJ/kg,含濕量dn=8.96 g/kg.夏季室外空氣計(jì)算參數(shù):干球溫度tw=34℃,相對(duì)濕度RH=83%,焓值hw=108 kJ/kg,含濕量dw=28.72 g/kg.

經(jīng)過顯熱換熱效率和換熱面積的比較計(jì)算,當(dāng)顯熱熱交換率為30%時(shí),換熱面積較合理.具體計(jì)算參數(shù)與結(jié)果如下:

夏季新風(fēng)送風(fēng)溫度:34-21×0.3=27.7℃.夏季送風(fēng)狀態(tài)設(shè)定為:干球溫度t=27.7℃,相對(duì)濕度為95%,焓值h=85.99 kJ/kg,含濕量d=22.73g/kg.能量回收器對(duì)應(yīng)的負(fù)荷Q=(108-85.99)×3 000/3 600=18.34 kW.

根據(jù)熱平衡可計(jì)算得到廢氣出口狀態(tài):干球溫度t=22.45℃,相對(duì)濕度RH=80%,焓值h=57.76 kJ/kg, 含濕量d=13.8 g/kg(噴水降溫),對(duì)應(yīng)的析濕系數(shù)ζ=(108-85.99)/[1.004*(34-27.7)]=3.5,所需噴水量d=(13.8-8.96)×3000×1.29=18.73 kg/h,對(duì)數(shù)傳熱溫差tm=(14.7-11.55)/ln(14.7/11.55)=13.1℃,換熱面積A=18 340/(30×13.1)=46.8 m2.考慮到安全系數(shù),能量回收器的換熱面積按50 m2設(shè)計(jì).

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14-15]

熱管采用管徑Φ=9.52 mm的銅管,每排銅管的兩端都用Φ=16 mm的銅管作為母管相連通,從而方便熱管的加工.翅片間距定為2 mm,銅管間距為25 mm.取冷熱隔絕端的尺寸為5 cm,熱管的長度為c,設(shè)定沿氣流方向排數(shù)為10排,每排有x根管子,如圖4～6所示.

圖4 箱體截面計(jì)算Fig.4 Box section calculation

圖5 管間距尺寸Fig.5 Tube spacing size

結(jié)合圖4,5得

(1)

式(1)可表示為關(guān)于x與c的二元一次方程,經(jīng)多次代入數(shù)值計(jì)算檢驗(yàn),當(dāng)x=28排時(shí),換熱器尺寸適中,管長長度適中,迎風(fēng)質(zhì)量風(fēng)速ρv=2.7 kg/m2·s滿足設(shè)計(jì)風(fēng)速規(guī)定值ρv≤3.0 kg/m2·s[13].此時(shí)a=0.238 m;b=0.725 m;翅片數(shù)為164片.具體結(jié)構(gòu)如圖6,7.

圖6 熱管回收器箱體Fig.6 Box of heat pipe

圖7 能量回收器安裝組合示意圖Fig.7 Combined installation of energy recoverer

3 熱管式能量回收器實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

綜合考慮工作溫度和工作壓力的影響,這里采用銅—氟里昂熱管,充注口采用頂針閥.實(shí)驗(yàn)前對(duì)鋁熱管進(jìn)行了清洗工作,然后使用真空擴(kuò)散泵抽真空.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8,由于實(shí)驗(yàn)條件所限,只進(jìn)行了干工況實(shí)驗(yàn).用電加熱器加熱空氣模擬新風(fēng),以室內(nèi)冷空氣作為排風(fēng).室內(nèi)冷空氣首先經(jīng)過初效過濾后,在風(fēng)機(jī)負(fù)壓的作用下進(jìn)入能量回收器冷凝端吸收熱量后被排至室外,被加熱器升溫后的空氣進(jìn)入能量回收器的蒸發(fā)端放熱后在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)循環(huán)至電加熱器繼續(xù)加熱.為了準(zhǔn)確獲評(píng)價(jià)收器的性能,在能量回收器的進(jìn)出口(4個(gè))以及熱管的冷熱兩端(8個(gè))共布置12個(gè)熱電阻測溫點(diǎn),由溫度巡檢儀NPXJ-C4000TD0(圖10)記錄并上傳至電腦;電加熱器用變壓器調(diào)節(jié)電壓,改變負(fù)荷,電熱器的功率由DJYC-95電功率經(jīng)濟(jì)性測試儀測量(圖9).

圖8 菇房實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.8 Experimental system of mushroom house

圖9 變壓器和功率表Fig.9 Transformer and Power meter

圖10 溫度巡檢儀Fig.10 Temperature inspection instrument

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

隨著功率的增加,能量回收器對(duì)數(shù)平均溫差和傳熱系數(shù)都隨之增加(表1).對(duì)數(shù)平均溫差計(jì)算公式為：

以8.175 kW為例,考慮到析濕系數(shù)ζ=3.5,則可計(jì)算得出全熱交換時(shí)對(duì)應(yīng)的傳熱系數(shù)和換熱量為[10]：

K全=K×ξ=12.35×3.5=43.2>30 W/m2·K

(2)

Q全=Q×ξ=8.175×3.5=28.6>18.34 kW

(3)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該回收器傳熱性能良好,負(fù)荷能滿足實(shí)際需求.

表1 功率和傳熱系數(shù)Table 1 Power and heat transfer coefficient

4 經(jīng)濟(jì)性分析

該熱管式能量回收器的夏季負(fù)荷約為23.66 kW,冬季負(fù)荷約為11.93 kW,以每天運(yùn)行12 h計(jì),每組冷水機(jī)組的COP=3(冬季ε=3.5),按上海地區(qū)農(nóng)業(yè)用電0.8 元/kW·h的電價(jià)計(jì)算,運(yùn)行一個(gè)夏季可節(jié)約電費(fèi)約6 912 元.運(yùn)行一個(gè)冬季可節(jié)約電費(fèi)3 456 元.春秋季節(jié)按夏季的50%計(jì)算,則運(yùn)行一年可節(jié)約電費(fèi)17 280元,假設(shè)設(shè)備在運(yùn)行過程中存在30%的損耗,該套設(shè)備運(yùn)行一年仍能節(jié)省12 096 元.經(jīng)預(yù)算，該套設(shè)備安裝成本在10 000 元左右,菇房中投入該套設(shè)備使用一年即可回收成本.由此可見在食用菌工業(yè)生產(chǎn)中使用熱管能量回收器,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全國食用菌工廠化生產(chǎn)企業(yè)達(dá)到500家左右,假設(shè)每家使用10套該設(shè)備,則全國食用菌工廠生產(chǎn)企業(yè)每年可節(jié)省7 560萬度電,節(jié)省的電費(fèi)高達(dá)6 000多萬元,具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益.設(shè)電廠燃燒標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電的效率為35%,則相當(dāng)于節(jié)省了2.65×104t標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒,每年可減少1.17×107kg的二氧化碳,5.3×105kg的二氧化硫,4.0×105kg的煙塵的排放,大大減少了大氣污染,即該設(shè)備還可創(chuàng)造較大的社會(huì)效益.

5 結(jié)論與展望

綜上所述,該食用菌培育室熱管式能量回收器可利用排風(fēng)對(duì)新風(fēng)預(yù)處理,降低食用菌培育室空調(diào)系統(tǒng)的能耗,具有如下特點(diǎn):

1) 增添了噴淋裝置,在增加能量回收器傳熱溫差的同時(shí)又可完成食用菌培育室新、排風(fēng)間的全熱回收;

2) 使用新風(fēng)和排風(fēng)不能直接接觸的熱管式能量回收器,工作可靠性高,在滿足全熱回收的同時(shí)亦可避免新風(fēng)和排風(fēng)間的交叉污染.

在今后產(chǎn)品應(yīng)用與推廣中,為了簡化外部風(fēng)系統(tǒng)以及提高能量回收器的工作適應(yīng)性,把能量回收器設(shè)計(jì)成熱管傾斜角度可調(diào)節(jié)的,從而使得不需進(jìn)行外部風(fēng)管系統(tǒng)的切換,即可完成冬夏季節(jié)和過渡季節(jié)的各種工況切換.

參考文獻(xiàn)(References)

[ 1 ] 李新勝,賈希堂,曲延平，等.食用菌工廠化帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)施對(duì)策[J].中國食用菌,2012,31(1):52-53.

[ 2 ] 柳青,郭華芳，周振輝，等.節(jié)能技術(shù)在食用菌工廠化生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].中國食用菌,2011：23-24.

[ 3 ] 管道平,胡清秀.食用菌工廠化生產(chǎn)的節(jié)能分析[J].食用菌, 2010(2)：1-5.

[ 4 ] 溫新華.空氣熱回收裝置的分類與應(yīng)用[J].建筑節(jié)能,2011，39(1)：9-12.

Wen Xinhua.Classification and application of air heat recovery devices[J].Heating,Ventilating&AirConditioning,2011,39(1):9-12.(in Chinese)

[ 5 ] 鄭海英,靳磊.常見換熱器類型及間壁換熱效率要素分析[J].科技與企業(yè),2012(5):248.

[ 6 ] Gaugler R.S. Heat transfer device[P].U.S 2350348,1944.

[ 7 ] 周根明,葉銳,趙忠超.電子器件冷卻用熱管散熱器的試驗(yàn)研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2012,26(3)：258-261.

Zhou Genming,Ye Rui,Zhao Zhongchao.Experimental study on heat pipe radiator in cooling electronic apparatus[J].JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology:NatinalScienceEedition,2012,26(3):258-261.(in Chinese)

[ 8 ] 張偉偉.板式全熱交換器的熱濕傳遞性能及其節(jié)能性的研究[D].天津：天津大學(xué),2005:3-4.

[ 9 ] 管道平,清秀.食用菌工廠化生產(chǎn)的節(jié)能分析(續(xù)前)[J].食用菌, 2010(2):1-5.

[10] 康芹,郭建利.熱管換熱器的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2010,25(5):60-62.

Kang Qin,Guo Jianli.Application of heat-pipe exchanger[J].MechanicalManagementandDevelopment,2010,25(5):60-62.(in Chinese)

[11] 楊昭,吳志光.熱管熱回收裝置在空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].能源研究與利用,2004(3):14-17.

[12] 陽長,劉澤華,陸麟，等.動(dòng)物房潔凈室排風(fēng)能量回收方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較[J].暖通空調(diào),2005,35(6)：79-81，90.

Yang Chang,Liu Zehua,Lu Lin,et al.Economical and technical comparison of exhaust air energy recorery sciemes for animal clean rooms[J].HV&AC,2005,35(6):79-81,90.(in Chinese)

[13] 楊世銘,陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社,2006:459-497.

[14] 連之偉.熱質(zhì)交換原理與設(shè)備[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011:6-45.

[15] 史美中. 熱交換器原理與設(shè)計(jì)[M].4版.南京：東南大學(xué)出版社,2009:8-40.