怎样使用热管设计外气空调箱
外气空调的耗能占了空调系统的极大部分,其最主要的耗能在于以冰水盘管将高湿度的外气除湿时,需要将外气温度降到露点温度方能除湿,除湿完成的低湿完成的低温空气无法直接送进洁净室,需要以热水盘管将温度提升到合理的温度后送入洁净室,与洁净室中吸收机台显热气流混合之后,才能达到洁净室温、湿度的要求规格。由空气中移除单位水分所需要的耗能极大,再加上洁净室的外气空调箱一般来说进气量都很大(数十万至百万CMH),因此总体的耗能极高。在节约能源的考虑下,如果能将这个最大耗能的部分作有效的节约,将会节省大量的运转费用。
热管(Heat Pipe)应用在外气空调箱可有效达成节约能源的目的,但目前大多仅见于小型空调箱,洁净室用的大型空调箱尚不多见。典型IC厂洁净室扩充工程所新设的两组外气空调箱,为了节能因素而采用了热管的设计,由以下的分析可以估算出,运用热管设计于此外气空调箱,每年约可节约运转成本达354万元/年。
1.热管的工作原理
热管的基本原理利用密闭于管路中的冷媒,在管路不同端因温度差而造成内部冷媒流动,通常冷媒的运动会伴随着相变化,而管路两端的热量得以快速的交换使达成热平衡。管路下端因为高温使冷媒蒸发,冷媒流动到管路上方将热量传递后,又因为凝结而成为液体冷媒而流下,管路两端的热量也就因此得以交换。
在空调箱的应用上,热管都是成两道盘管,一道在冷却盘管之前,另外一道则在冷却盘管之后,二者间管路相通。冷盘前的预冷盘管先将高温高湿的外气做初步的冷却,当冷却盘管将外气除湿到设计的对湿度时,出风温度会过低,此时热回收盘管会将在预冷时吸收的热量再度适当释放,如果热量不足则再用锅炉产生的热水来加热。
2.外气空调箱运用热管的效益分析
某IC厂扩充区所增设的两台贝滊空调箱,除了正常的两道冷盘与一道加热盘管外,另外增加了冷盘管前后的循环盘管,以温水在这两道盘管间流动,正常的热管在盘管内的工作流体是冷媒,两道间的流动是靠重力与相变化产生的驱动力;在本厂应用的工作流体是水,而流动主要是靠pump来驱动。
为了计算增加这个热管对于空调箱的运转效益如何,将空调箱的各个状态点找出来,以热力学性质计算在每个过程中的耗能,便可得到热管的效益。在此分析是以空调箱的设计数据作为计算基准。
状态点1是外气的条件。以夏季时温湿度35℃与80%RH代入,如此可以计算在最严重时的状况。
由于热管的预冷盘管进水温度为18.7℃,空调箱进气温度会下降而预冷盘管出水温度会提高到29.7℃。状态点2为空气离开预冷盘管时因降温而使温湿度成为30.2℃与94% RH。
状态点3是空气通过第一段冰水盘管后的状态,经过第一段冰水盘管的除湿作用,每立方公尺体积的空气会被去除14.6公克的水分,而此时温湿度为15.8℃与100%RH,这表示目前空气是处在饱和状态。
空气通过第二段冰水盘管后的状态,经过第二段冰水盘管会将空气再次除湿,每立方公尺体积的空气会被去除4.4公克的水分,而此时温湿度为8.3℃与100%RH,这表示空气是处在饱和状态。第一段冰水盘管是除湿作用最主要区域,但经过第一道除湿后,要再除下4.4公克的水则必须将温度降低到8.3℃方能达成。
除湿后空气通过预热盘管后的状态点。此部份的能量是由预冷盘管吸收的热量转来的,通过预热盘管后温湿度可达到20.9℃与44.7%RH,这样的状态就可以直接送进洁净室与循环空气混金了。如果从预冷盘管得到的热量不足,另外可以用预热盘管后的热水盘来补充不足的热量。
热管运用在外气空调箱可以节约预冷盘管原先需要冰水的能量,以及预热盘管原先需要补充热水的能量。2部风量为60000CMH的外气空调箱共可产生120000CMH的进气量,在预冷盘管可以节约p.Q3Δh=1.19(kg/m3)×120000(m3/hr)×12.93(kj/kg)÷4.186(kj/kcal)÷3024(kcal/RT)=145.9RT(冷冻吨)同样地,预热盘管也可节约相同的能量。预冷盘管节约金额的计算:
每冷冻吨每小时耗能电力1.35kW/HR
每月电力节省=145.9×1.35×24×30=141815度
每月电费节省=141415×1.64元=23.3万元/月
预热盘管的能量由锅炉所产生,其可节约金额计算如下:
天然气每立方米热能为8956kcal/m3
锅炉的效益为0.8
天然气每立方米8.76元
所需天然气流量为y
145.9=145.9×3024(kcal/hr/TR)=y(m3)×8956(kcal/m3)×0.8
y=145.9×30244÷8956÷0.8=61.58m3/hr
所需金额为61.58×8.76×24×30=38.8万元/月
因此运用热管设计的外气空调箱共可节约运转费为23.3+38.8=62.1万元/月
为以上的计算是基于全载运转且以夏季的状况估算,若一年中夏季条件以3个月估计,其它季节运转节约效率平均以30%计算,则每年可节约的运转成本为:62.1×(3=9×30%)=62.1×5.7=354万元/年
