热管技术在制冷中的应用.docx

热管技术在制冷中的应用热管技术在制冷中的应用朱永长薛峰南京工业大学机械与动力工程学院江苏南京210000摘要：综述了国内外热管的应用现状。在制冷行业，热管主要用做换热器，它能够应用于房间空调器、空调热回收、吸收式制冷、吸附式制冷、地热、热泵枯燥机、喷射式制冷、冰蓄冷、太阳能等方面，充分提高系统的性能，合理利用能源，减轻对环境的污染。关键词：热管；制冷；应用1引言热管是最有效的传热元件之一，它可将大量热量通过其很小的截面积远距离地传输而无需外加动力。与其他常规换热技术相比，热管具有很多优点：传热效率高，温度可调节，布置灵敏，运行可靠、体积小等1。因而，热管技术不断遭到工程界的欢迎。我国自70年代开场，开展了热管的传热性能研究，在化工、冶金、动力等部门应用广泛。在制冷空调行业中，由于冷热流体间的温差小，热管技术更能体现其优越性，使之成为实现制冷空调低能耗、高效率、冷热源多样性、走绿色空调之路的现实技术基础之一，在实现人与自然的和谐相处和可持续发展方面，具有广阔的发展前景。本文将扼要介绍热管技术在制冷中的应用。2热管热管是一种新型的高效传热元件，它能在温差很小的情况下利用相变传递大量的热量，其相对导热率很高，以致被称为“近超导传热体。由热管构成的热交换器在工业及生活中逐步得到广泛的运用。由于其构造简单，维护方便，现已广泛地运用于废热回收、余热利用及空调换热系统中。热管(见图1)1是由一个内壁嵌有吸液芯的图1热管构造示意图Fig1Schemeofheatpipe封闭壳体和工作介质组成，热管的一段为蒸发段，热源通过蒸发段管壁传热给液体工质使之蒸发；热管的另一段为冷凝段，气体工质在这里冷凝放热给被加热的介质，蒸发段与冷凝段之间为工质传输段(绝热段)，在冷凝段凝结下来的液体工质在吸液芯的毛细力作用下回到蒸发段，重复上述蒸发经过。3热管技术在制冷中的应用3.1热管技术在房间空调器上的应用当代寓居环境的要求相对较高，不仅要知足室内一定的温度，还要知足一定的湿度。目前，大多数的空调厂家仅仅考虑了送风的温度，有些厂家在大型空调系统中利用除湿转轮或回转盘管换热器来增加系统的除湿能力，能较好地控制室内湿度，知足室内舒适性要求。将重力式热管换热器应用于房间空调器中，能够保证空调器的制冷量和功耗基本不变，而除湿量却显著地增加，同时空调器的送风温湿度适宜，进而能够解决目前现有房间空调器在潮湿地区使用时，因除湿量缺乏而造成房间内舒适性较差这一问题。其原理如图2，室内被处理空气进风先经过热管换热器的蒸发段，空气放出显热温度降低，然后经过蒸发器，空气降温去湿；再经过热管换热器的冷凝段，空气吸收热量，温度升高，最后送入室内。经鱼剑琳等人2的计算，该装置可使空调器的除湿量增加3040，而制冷量和耗功率基本不变。热管换热器蒸发器图2加热管换热器后室内空气的流程Fig2Theprocessofairindoorsenvironmentaladdedaheatpipeheatexchanger3.2热管技术在空调热回收上的应用空调系统热回收一直是暖通空调工程界研究的课题之一(见图3)。在空调系统中，大部分图3热管式空调系统流程图Fig3Flowchartofair-conditioningsystemwithheatpipe空调回风经冷却和再热后作为送风送到空调房间，而其它部分的回风则排出。由于新、回风需经冷热处理，因此研究空调系统的热回收对空调系统节能具有极其重要的意义。在空调热回收系统中，已研制出相应的转轮式热交换器、板翅式热交换器和盘管热环式热交换器等，并在空调工程中得到广泛应用。热管由于其具有很高的传热系数，因此近年热管用于空调热回收系统中的研究得到很大的发展。热管由于热传递速度快、传递温降小、构造简单和易控制等特点，因此将被广泛用于空调系统的热回收和热控制3-5。MostafaA.6对该系统进行了分析，假如新风温度增加到40，蒸发段和冷凝段的传热效果将增加48%；加了热管之后的回风系统假如增加新风温度，焓值比以前混合风增加了85%；系统的最佳工作状态是新风温度接近于热管工作温度。3.3热管技术在吸收式制冷系统中的应用热管废热溴化锂制冷机(见图4)7于2001年成功地应用在200kW柴油发电7200废热Fig4LiBr-H2Oabsorptionrefrigeratordrivenbyexhaustgaswithheatpipe4565卫生、取暖热水4789107溶液泵8吸收器机的尾气处理上，真正实现了柴油发电机的热、电、冷联供。热管废热溴化锂制冷机完全由柴油机的废烟气驱动，最大制冷量为107kW，最大制热量为119kW，热力系数在1.2左右。该产品在夏季能够生产7的空调冷媒水，冬季能够生产65的取暖热水，可以以冷媒水、卫生热水同时兼供。冬季运行时，热管废热溴化锂制冷机仅为一台热管真空热水锅炉。由于该机组使用废烟气驱动，所以其运行费用相当低，仅为普通电驱动的空调机组运行费用的5，设备投资半年左右即可全部收回。该机组安全可靠、传热效率高，热管废热溴化锂制冷机系统与废热源是由热管隔离开来的，它们之间仅有传热作用，制冷系统的运行情况对废热源所属的生产系统不产生任何影响，所以该机组能够安全地使用在其他工作条件恶劣、腐蚀性较大的工业废热热源中。3.4热管技术在吸附式制冷系统中的应用吸附式制冷系统通常效率较低，采用热管强化吸附床的传热传质能力，能够提高吸附式制冷系统的效率。提高吸附床的传热效率进而加快吸附解吸速度是吸附式制冷系统效率提高的关键。把热管这一高效导热元件制成吸附床的内翅片，强化吸附床内的传热传质，能够有效的强化吸附床的传热能力，进而提高吸附式制冷系统的效率。杨锋等对热管强化吸附床的传质传热效果进行了仿真计算，结果表明，通过在吸附床内加装热管内翅片，能够较好的强化吸附床内的传热传质经过，加快吸附脱附的速率，进而缩短系统循环时间，提高系统的制冷效率以及性能系数8。王文等9人对热管型吸附器进行了优化分析，制冷系数在0.150.24之间，660mm左右的热管吸附器单元，制冷量可到达20W80W。G.Z.Yang10等人设计了紧凑热管吸附式房间空气调节器，深300mm，宽500mm，高950mm。在一般空气条件下，制冷量790W，制冷系数0.446。3.5热管技术在地源热泵中的应用3地源热泵在推广经过中，有待进一步完善的技术问题主要有两个方面，即地下盘管问题和地下水资源问题。热管换热器在换热、防腐等技术问题上的成熟，使热管技术能较好地解决好这两个向题。热管技术与地源热泵技术的结合，可使地源热泵扬长避短，投资更省、效率更高、适应性更强。3.6热管技术在热泵式枯燥机中的应用热管用于热泵式枯燥机中，能够回收蒸发器出来的冷空气的冷量，进而提高系统的效率。这种情况下通常采用的是分离式热管8。在通常的热泵枯燥机中，高温干空气流经枯燥室，吸收被枯燥物料的水分后含湿量增大，温度有所下降，接着经过蒸发器，温度降到露点下面，去除水分后接近饱和状态，然后空气通过冷凝器加热，提高空气温度，降低其相对湿度，进而提高空气的去湿能力。在上述经过中，流过蒸发器的冷空气的冷量没有回收，而直接进入了冷凝器。采用分离式热管，能够方便的回收这部分冷量，进而提高热泵枯燥系统的效率。采用分离式热管的热泵枯燥机的原理如图5所示。通过分析及实际应用，结果证实了11冷却除湿枯燥机上增加一个热管回热器，就能够提高热泵枯燥设备的枯燥能力，降低除湿能耗比SPC，而且相对湿度越小，效果越明显，在温度为50，相对湿度为80时，SPC由原来的0.41kW·h/kg,降为0.32kW·h/kg，比原来节电24。1热管蒸发段2蒸发器3上升管4热管冷凝段5冷凝器6电热器7压缩机8过滤器9节流阀10下降管图5热管在热泵枯燥机中的应用Fig5Heatpumpdryerwithheatpipe3.7热管技术在喷射式制冷中的应用基本的热管喷射式制冷系统有热管、喷射器、蒸发器、节流阀或毛细管等组成(见图6)12，发生段的工质吸收来自太阳能或燃气加热的能量构成高压蒸汽，通过喷嘴成为高速气流，吸引来自蒸发段的蒸汽，混合后经过扩压室到冷凝段，气体在冷凝段凝结成液体，一部分通过毛细作用流向发生段，一部分通过节流阀到蒸发段整个装置依靠工质在蒸发段蒸发吸热到达制冷效果。该系统有下面特点：构造简单，初始投资小；系统稳定性好，无运动部件，维护方便；能够有效利用低档次热能(太阳能、燃气热能等)，运行费用低；假如利用水作为工质，来源广，整个系统对环境无污染；蒸发段布置方便，可与建筑物有机结合H.F.Smirnov等人13对该装置进行了理论分析：热管喷射式制冷已成功应用在汽车空调系统中，相应理论也进行了分析，能够利用汽车尾气作为系统的热源，取代发动机做功，节约了能源。施明恒等人对该装置进行了模拟，结果表明，喷射器的构造和运行特性对热管喷射式制冷系统的性能有明显的影响。3.8热管式冰蓄冷热管式冰蓄冷系统利用了热管的等温高速、汇源分隔等工作特性，把热管一部分设置在制冷系统的蒸发器中，一部分设置在蓄冷池内，热管的上部(冷凝段)与来自制冷系统的制冷剂相接触而放热热管的下部(蒸发段)在蓄冷池内吸热而制冷，热管的蒸发、冷凝循环与制冷机的制冷循环相结合而制冰。如图7所示为热管式蓄冷空调装置示意图。将热管2放在蓄冰池8内，热管的下部在蓄冰池内吸热制冰，热管的上部与来自制冷机的制冷剂进行热交换而放热。热管内的工作液在蒸发段吸热蒸发，经传输段(绝热段)流向热管冷凝段，冷凝液由吸液芯送回蒸发段再次循环。随着蓄冰经过的进行，热管蒸发段壁面冰层QeQc1喷射器2毛细液芯；3节流阀或毛细管4封闭壳体图6热管喷射式制冷系统图Fig6Heatpipe/ejectorcooler1空调器2热管3蒸发器4节流阀5感温元件6冷凝器7压缩机8蓄水池9制冷机组图7热管式冰蓄冷空调装置示意图Fig7Heatpipeusedinicestorageairconditioner越来越厚，到达规定的厚度即完成蓄冰经过。当需要空调供冷时，蓄冰池开场融冰放冷，冷冻水泵将蓄冰池内的冷冻水送到空调负荷端，通过风机盘管向室内吹送冷风。温度较高的回水直接进入结冰的热管外蓄冰池内循环流动，使热管外外表的冰层逐步融化。由于空调回水可与冰直接接触，因此融冰速率高。放冷温度为12，充冷温度为-4-9。C.J.Chen等人把分离式热管蓄冰应用在渔船上，混合物氯化钙和活性炭氨水为工质对，蓄冰的冷却系数是传统最佳化学吸附式蓄冰的1.63.5倍。3.9热管技术在太阳能制冷中的应用热管式太阳能空调制冷系统14由太阳能集热器、溴化锂吸收制冷系统、数台循环泵、蓄热的水箱、辅助电加热器、两个冷却器和连接管路等辅助器件以及控制系统组成，如图8所示。循环水由循环泵输入水箱，热管吸收太阳能在水箱加热循环水，水的温度升高，由另一台循环泵输送到溴化锂吸收式制冷装置的发生器，将热量释放给发生器，水返回水箱。吸收器的冷却水由循环水泵输送到空气冷却器循环冷却，冷凝器产生的热量，由另一台循环水泵输送到另一个空气冷却器(大型的可考虑用冷却塔)。整个空调系统由三个流通环路组成，即发生器流通环路、制冷水流通环路和冷却水流通环路。各流通环路流量、温度都由流量计与温度传感器测定。辅助电加热器则是在夜间或集热器工作不正常时加热水以保证制冷效果。图8热管式太阳能空调系统构造原理图Fig8Solarairconditioningwithheatpipe热管式真空管技术的发展，为太阳能吸收式制冷系统的广泛利用奠定了坚实基础。太阳能热管吸收式制冷系统的实用化在很大程度上取决于太阳能集热器，采用热管式真空管作为集热器的具有极大优越性。热管式太阳能空调制冷系统是间歇式系统，参加一个辅助电加热器能够保证夜间也能连续制冷，构造不复杂，性能可靠。但稳定性较差，系统的COP值低。提高系统的COP值，实现太阳能驱动下的连续循环是空调制冷系统获得广泛应用的关键。经研究发现：单效溴化锂吸收制冷机的最佳工况是80100，双效的最佳工况是100160，三效的最佳工况是160250。上海交通大学研制的太阳能吸附式制冰机样机，每平方米太阳能集热器天天可产冰57kg；1998年提出了一种太阳能吸附式供热与制冷联合循环的复合机装置，利用2m2的太阳能集热器，天天可产90的热水60kg，制冰5kg。4、结语热管是一种高效传热元件，目前已经在很多领域得到了广泛的应用。热管用于制冷领域，能够回收低档次的热量，提高系统的性能，合理利用能源，减轻对环境的污染。随着人们对高质量生活的要求和冷冻冷藏工业的发展，随着热管研究的不断深化，各种适用于制冷系统的热管装置将不断出现，热管在制冷空调领域将会有更好的应用前景。参考文献：1庄骏，张红.热管技术及其工程应用M.北京：化学工业出版社，20002鱼剑琳，张华，王宜义等.热管换热器在房间空调器上的应用J.西安交通大学学报3蔡卫东.热管技术研究进展及其在制冷空调行业中的应用J.制冷与空调，2003，3：31364季阿敏，孟庆海.热管在空调节能中应用讨论J.哈尔滨商业大学学报，2005，215：6416485扬昭，吴志光.热管热回收装置在空调系统中的应用研究J.能源研究与利用6MostafaA,AbdEl-Baky,MousaM.Mohamed.HeatpipeheatexchangerforheatrecoveryinairconditioningJ.AppliedThermalEngineering，2007，274：7958017金苏敏，陶玉灵.柴油机废烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机运行特性J.南京化工大学学报，200l，236：23268徐明仿，杜维明，晏刚.热管在制冷装置中的应用J.冷藏技术，2003，124：35389王文，齐晓霞，王如竹.热管型吸附器的性能模拟及优化分析J.太阳能学报，2005，266：73774210G.Z.Yang,Z.Z.Xia,R.Z.Wang.etal.Researchonacompactadsorptionroomairconditioner.EnergyConversionandManagement,2006，4715-16：2167-217711王彤.热管空气回热器在冷却除湿枯燥机上的应用J.流体机械，2005，336：737512王兴春，施明恒.热管喷射式制冷的研究J.东南大学学报，2002，324：63463713H.F.Smirnov,B.V.Kosoy.RefrigeratingheatpipesJ.AppliedThermalEngineering，2001，216：63164114杨爱民.太阳能热管吸收式空调制冷系统构造及分析J.集美大学学报，2001，62：l53l57