其他制冷技術(shù)(2)課件

6.3熱管制冷技術(shù)熱管是一種在密閉管道中，使液體經(jīng)二相變化的循環(huán)流動(dòng)，將熱量從一端高效地傳送到另一端的高效傳熱性能元件。通過其很小的截面積，可將大量熱量遠(yuǎn)距離傳輸而無需外加動(dòng)力。熱管具有許多優(yōu)點(diǎn)：卓越的傳熱效率及可靠性、隔離性、低阻力、體積小、可控制等。熱管技術(shù)已經(jīng)在越來越廣闊的領(lǐng)域取得卓有成效的應(yīng)用。在制冷空調(diào)行業(yè)由于冷熱流體間的溫差小，熱管技術(shù)更能體現(xiàn)其優(yōu)越性，使之成為實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)低能耗、高效率、冷熱源多樣性、走綠色空調(diào)之路的現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。

第35講其他技術(shù)（2）

6.3.1熱管的發(fā)展及現(xiàn)狀6.3.1.1熱管技術(shù)的理論研究1942年，Gauler就曾提出熱管的原理。1962年，Trefethen再次提出類似于Gauler的傳熱元件；1965年，Cotter首次提出了較完整的熱管理論。

6.3.1.2熱管技術(shù)的應(yīng)用研究熱管最早用于空間技術(shù)和電子工業(yè)領(lǐng)域。1967年，美國LoaAlamos國家實(shí)驗(yàn)室研制的熱管被送入地球衛(wèi)星軌道，并取得熱管運(yùn)行性能的遙控?cái)?shù)據(jù)，證明熱管在零重力條件下成功運(yùn)行。1968年，熱管作為衛(wèi)星儀器溫度控制的手段第一次應(yīng)用于測(cè)地衛(wèi)星GEOS-Ⅱ，目的是為了減小衛(wèi)星中不同應(yīng)答器之間的溫差。1972年發(fā)射的天文衛(wèi)星OAO-C和1974年發(fā)射的應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星ATS-F上都成功地用了相當(dāng)數(shù)量的熱管作為溫度控制的手段。1969年，日本已有帶翅片熱管束的空氣加熱器，用來回收工業(yè)排氣中的熱能。20世紀(jì)80年代初我國的熱管研究及開發(fā)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)能及能源的合理利用，相繼開發(fā)了熱管氣一氣換熱器，熱管余熱鍋爐、高溫?zé)峁苷羝l(fā)生器，高溫?zé)峁軣犸L(fēng)爐等各類熱管產(chǎn)品。目前，熱管應(yīng)用的重點(diǎn)已由航天轉(zhuǎn)移到地面，由工業(yè)化擴(kuò)展到民用產(chǎn)品。隨著熱管技術(shù)的發(fā)展和制造加工技術(shù)的成熟，熱管研究和應(yīng)用的領(lǐng)域也將不斷拓寬。新能源的開發(fā)，太陽能的利用，電子裝置芯片的冷卻、筆記本電腦CPU的冷卻以及大功率晶體管、可控硅元件、電路控制板等的冷卻，石油化工、冶金、制冷空調(diào)等領(lǐng)域的高效傳熱傳質(zhì)設(shè)備的開發(fā)，都將促進(jìn)熱管技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。6.3.2熱管的工作原理下圖（a）為重力回流式熱管，由金屬密封外殼構(gòu)成，抽真空，內(nèi)裝工作液體（如水、氨、氟利昂等），垂直放置。當(dāng)管于下部吸熱時(shí)，管內(nèi)液體在真空中迅速蒸發(fā)，蒸氣上升到上部冷卻成液體，放出蒸發(fā)潛熱。液體在重力作用下沿管壁回流下部，如此不斷地循環(huán)傳熱。圖（b）為帶有吸液芯的回流式熱管，在熱管內(nèi)壁上敷設(shè)毛細(xì)管道，靠毛細(xì)作用代替液體的重力回流方式。吸熱段為液體蒸發(fā)，絕熱段為保溫，放熱段為氣體冷凝。熱管的結(jié)構(gòu)在密閉容器的內(nèi)表面上附著一層像海綿狀的能很容易吸收工作液的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)材料，容器抽真空后注入與毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中細(xì)孔的總?cè)莘e相當(dāng)?shù)墓ぷ饕?。容器的中間部分處于空洞狀態(tài)。當(dāng)加熱熱管的上端部（蒸發(fā)段）則靠近容器內(nèi)壁的工作液就會(huì)被蒸發(fā)，此時(shí)蒸發(fā)段的蒸汽壓就會(huì)升高，以致在壓力低的另一端部（冷凝段）之間形成蒸氣流，在冷凝段蒸氣被冷卻，重新凝結(jié)成液體。從蒸發(fā)段到冷凝段的熱輸送量可由下式求出：式中Q——熱量傳輸量，W。m——質(zhì)量流量，kg/s。L——潛熱，J/kg。

熱管靠蒸氣流動(dòng)傳遞熱量，而蒸氣的汽化潛熱很大，所以熱管的傳熱能力很大。與相同體積的銅、銀等熱的良導(dǎo)體相比，熱管的導(dǎo)熱能力要大幾倍甚至上千倍。工作液相變過程產(chǎn)生很大的熱焓差，是熱管所具有的最大特點(diǎn)。被冷凝的工作液通過毛細(xì)管力返回到蒸發(fā)段，再進(jìn)行蒸發(fā)。這樣就形成了一個(gè)閉合的循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)過程中，不需要特別的動(dòng)力，這也是熱管的一大特點(diǎn)。

6.3.2熱管技術(shù)在制冷空調(diào)行業(yè)中的應(yīng)用6.3.2.1熱管式房間空調(diào)器下圖是一種利用重力回流式熱管構(gòu)成的空調(diào)器簡圖。熱管的蒸發(fā)端在室內(nèi)，冷凝端在室外，絕熱端在墻體內(nèi)。熱管內(nèi)液態(tài)工質(zhì)在室內(nèi)吸熱后氣化，室內(nèi)溫度降低。為了提高管內(nèi)工質(zhì)的氣化能力，吸收更多的熱量重力回流式熱管空調(diào)器的結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生更多的冷量，在熱管的蒸發(fā)端加裝風(fēng)機(jī)。氣化后的氣體上移冷凝端，由冷卻水帶走熱量而凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)，在重力作用下回流至蒸發(fā)端。由于未采用毛細(xì)管吸液芯，因而回流阻力小，傳輸熱量的效率高。為保持重力作用，熱管冷凝端的位置應(yīng)高于蒸發(fā)端，即冷凝端向上傾斜。6.3.2.2圖6-9重力回流式熱管空調(diào)器的結(jié)構(gòu)電磁閥冷卻水熱管風(fēng)機(jī)風(fēng)冷風(fēng)翅片

6.3.2.2熱管技術(shù)在房間空調(diào)器上的應(yīng)用房間的熱負(fù)荷是由顯熱負(fù)荷和潛熱負(fù)荷兩部分組成。目前在常規(guī)大型空調(diào)系統(tǒng)中利用除濕轉(zhuǎn)輪或回轉(zhuǎn)盤管換熱器來增加系統(tǒng)的除濕能力，能較好地控制室內(nèi)濕度，滿足室內(nèi)舒適性要求。將重力式熱管換熱器應(yīng)用于房間空調(diào)器中，可以保證空調(diào)器的制冷量和功耗基本不變，而除濕量卻顯著地增加，同時(shí)空調(diào)器的送風(fēng)溫濕度適宜，從而可以解決目前現(xiàn)有房間空調(diào)器在潮濕地區(qū)使用時(shí)，因除濕量不足而造成房間內(nèi)舒適性較差這一問題。

6.3.2.2

有關(guān)文獻(xiàn)表明，通過在房間空調(diào)器上加重力式熱管換熱器，可使空調(diào)器的除濕量增加30％

40％，而制冷量和耗功率基本不變；重力式熱管換熱器結(jié)構(gòu)可與空調(diào)器的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)相同，其所需換熱面積一般不會(huì)超過蒸發(fā)器換熱面積的2倍，熱管的工作介質(zhì)可與空調(diào)器用的制冷劑相同；加重力式熱管換熱器后，無需改變空調(diào)器配置的壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器及毛細(xì)管，而只需適當(dāng)增加室內(nèi)側(cè)風(fēng)機(jī)壓頭，熱管換熱器在空調(diào)器上布置可行，且不會(huì)使空調(diào)器的總體積增加很多。6.3.2.3熱管技術(shù)在空調(diào)熱回收上的應(yīng)用為保證房間空氣清新，以及充分節(jié)能，空調(diào)系統(tǒng)中的部分回風(fēng)經(jīng)冷卻（夏季）或再熱（冬季）后作為送風(fēng)與新風(fēng)一同送到空調(diào)房間，其它部分的回風(fēng)則排出。而排出的風(fēng)包含有制冷或制熱需要的冷量或熱量。熱管由于熱傳遞速度快、傳遞溫降小、結(jié)構(gòu)簡單和易控制等特點(diǎn)，因而將被廣泛用于空調(diào)系統(tǒng)的熱回收和熱控制。

如果空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量按送風(fēng)量的30％計(jì)算，采用分體熱虹吸熱管冷熱回收裝置，可使空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能7％以上。實(shí)驗(yàn)表明，冷熱氣流溫差只要超過3℃，即可回收能量。據(jù)此推算，上海、南京等長江中下游地區(qū)夏天空調(diào)冷回收時(shí)間長達(dá)1500h以上，三年內(nèi)可回收設(shè)備初投資費(fèi)用。有關(guān)研究表明，對(duì)于室內(nèi)溫度22℃，相對(duì)濕度50％的空調(diào)工況，在供回風(fēng)系統(tǒng)中加裝熱管換熱器后，取得了如下效果：在室外溫度波動(dòng)超過4.4℃時(shí)，室內(nèi)溫度波動(dòng)小于0.3℃，相對(duì)濕度小于0.5％；熱管換熱器效率接近100％；去濕能力比普通系統(tǒng)提高62％，比旁通系統(tǒng)提高70％，相應(yīng)地，輔助再熱量分別減少20％和18％，潛在能效比（LEER）分別提高90％和87％。右上圖為一種用于空調(diào)系統(tǒng)熱回收的流程圖。右下圖為一種帶熱力毛細(xì)動(dòng)力循環(huán)的熱管熱回收系統(tǒng)。空調(diào)送風(fēng)狀態(tài)是通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)熱管管路中介質(zhì)的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的。熱管式空調(diào)系統(tǒng)流程圖含熱毛細(xì)動(dòng)力循環(huán)熱管熱回收空調(diào)器系統(tǒng)下圖給出了一種用于空調(diào)換氣的熱管式換熱器系統(tǒng)。在一年里，如果采暖和制冷分別按4個(gè)月和3個(gè)月計(jì)算，1臺(tái)熱管式空調(diào)換氣換熱器每年可節(jié)電l146度。若將熱管式換氣換熱器折算成一臺(tái)制冷（熱）系數(shù)為2.5的熱泵型空調(diào)機(jī)，則冬季相當(dāng)于一臺(tái)533W或夏季相當(dāng)于一臺(tái)304W的熱泵型空調(diào)機(jī)。熱管式空調(diào)換氣換熱器

6.4太陽能制冷技術(shù)在制冷空調(diào)領(lǐng)域，應(yīng)用太陽能驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)一方面可以大大減少電力消耗；另一方面，由于太陽能制冷系統(tǒng)一般采用非氟氯烴類物質(zhì)作為制冷劑，不會(huì)造成對(duì)大氣臭氧層的破壞而產(chǎn)生環(huán)境溫室效應(yīng)，符合當(dāng)前的全球環(huán)保要求。此外，它還有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即熱量的供給和冷量的需求在季節(jié)和數(shù)量上高度匹配，在夏季太陽輻射強(qiáng)，氣溫高，冷量需求也大。

應(yīng)用太陽能驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)制冷，是通過采用不同的能量轉(zhuǎn)換方式來實(shí)現(xiàn)的。目前提出了兩種主要方式：其一是先實(shí)現(xiàn)把光-電轉(zhuǎn)換，再以電力推動(dòng)常規(guī)的壓縮式制冷機(jī)制冷即壓縮式太陽能制冷系統(tǒng)，或以電力驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)制冷的系統(tǒng)。其二是進(jìn)行光-熱轉(zhuǎn)換，以熱能制冷。由于目前光電轉(zhuǎn)換技術(shù)成本太高，前一種制冷系統(tǒng)在市場(chǎng)上尚難推廣應(yīng)用，選擇后一種方式作為研究的重點(diǎn)，并從以下三個(gè)方向進(jìn)行，即太陽能吸收式制冷、太陽能吸附式制冷和太陽能噴射式制冷。6.4.1太陽能光-電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷的原理及其研究現(xiàn)狀太陽能光-電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)制冷是利用光伏轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)化成電能后，再用于驅(qū)動(dòng)普通蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)或半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷的方法，即光電半導(dǎo)體制冷和光電壓縮式制冷。其關(guān)鍵是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，必須采用光電轉(zhuǎn)換接受器，即光電池。當(dāng)前硅類電池用得最多，包括：單晶硅、多晶硅和非晶硅等，此外砷化鎵電池也用得不少。太陽能電池接受陽光直接產(chǎn)生電力，目前效率較低，約10％左右，而光電板、蓄電器和逆變器等成本卻很高。光電壓縮式制冷的優(yōu)點(diǎn)是可采用技術(shù)成熟且效率高的蒸氣壓縮式制冷技術(shù)，其小型制冷機(jī)在日照好又缺少電力設(shè)施的一些國家和地區(qū)已得到應(yīng)用。雖然光電式太陽能制冷系統(tǒng)已經(jīng)被用于空調(diào)和冰箱，但是目前人們對(duì)其制冷系統(tǒng)特性的研究不多，一般都直接采用常規(guī)的空調(diào)或冰箱，壓縮機(jī)一般都沒有考慮光伏系統(tǒng)的特性，因而整個(gè)系統(tǒng)的效率尚不能與專用的直流壓縮機(jī)相比，成本比直接以熱能為動(dòng)力的制冷循環(huán)高得多（約3～4倍），這是其最大的缺點(diǎn)。隨著光伏轉(zhuǎn)換裝置效率的提高和成本的降低，太陽能發(fā)電必將得到迅速發(fā)展，加上制冷空調(diào)市場(chǎng)的發(fā)展空間仍然很大，光電式太陽能制冷產(chǎn)品將有廣闊的發(fā)展前景。6.4.2太陽能吸收式制冷的原理及其研究現(xiàn)狀太陽能吸收式制冷研究最接近于實(shí)用化，而且已經(jīng)有了很多成功的實(shí)例。常規(guī)的配置是：采用平板或熱管型真空管集熱器來收集太陽能，用來驅(qū)動(dòng)單效、雙效或雙級(jí)吸收式制冷機(jī)，工質(zhì)主要采用LiBr–H2O，當(dāng)太陽能不足時(shí)可采用燃油或燃煤鍋爐來進(jìn)行輔助加熱。系統(tǒng)主要構(gòu)成與普通的吸收式制冷系統(tǒng)基本相同（如下圖）。太陽能吸收式制冷系統(tǒng)簡圖工作原理是利用太陽能集熱器采集熱量加熱熱水，再以熱水加熱發(fā)生器中的溶液產(chǎn)生冷劑蒸氣，制冷劑經(jīng)過冷卻、冷凝和節(jié)流降壓在蒸發(fā)器中由液體汽化吸熱實(shí)現(xiàn)制冷，之后制冷劑蒸氣被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加壓將含有制冷劑的溶液送入發(fā)生器進(jìn)行加熱蒸發(fā)，完成一個(gè)制冷循環(huán)。太陽能熱管-吸收復(fù)合式空調(diào)制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、溴化鋰吸收制冷系統(tǒng)、數(shù)臺(tái)循環(huán)泵、蓄熱的水箱、輔助電加熱器、兩個(gè)冷卻器和連接管路等輔助器件以及控制系統(tǒng)組成，如下圖。循環(huán)水由循環(huán)泵輸入水箱，熱管吸收太陽能后加熱水箱中的循環(huán)水；溫度升高后的水，由另一臺(tái)循環(huán)泵輸送到溴化鋰吸收式制冷裝置的發(fā)生器，將熱量釋放給發(fā)生器，再返回水箱。吸收器的冷卻水由循環(huán)水泵輸送到空氣冷卻器循環(huán)冷卻；冷凝器產(chǎn)生的熱量，同樣用冷卻水帶走，并由另一臺(tái)循環(huán)水泵輸送到另一個(gè)空氣冷卻器（大型的可考慮用冷卻塔）排出。整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)由三個(gè)流通環(huán)路組成，即發(fā)生器流通環(huán)路、冷水流通環(huán)路和冷卻水流通環(huán)路。各流通環(huán)路流量、溫度都由流量計(jì)與溫度傳感器測(cè)定。

太陽能熱管吸收式制冷系統(tǒng)的實(shí)用化取決于太陽能集熱器，采用熱管式真空管制作的集熱器具有極大優(yōu)越性。熱管式太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)是間歇式系統(tǒng)，加入一個(gè)輔助電加熱器可以保證夜間也能連續(xù)制冷，構(gòu)造不復(fù)雜，性能可靠，但穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)的COP值低。提高系統(tǒng)的COP值，實(shí)現(xiàn)太陽能驅(qū)動(dòng)下的連續(xù)循環(huán)是空調(diào)制冷系統(tǒng)獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。熱管式太陽能空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理圖6.4.3太陽能吸附式制冷原理及其研究現(xiàn)狀

制冷原理：利用吸附床中的固體吸附劑（如活性炭）對(duì)制冷劑（如甲醇）的周期性吸附，解吸附過程實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。即當(dāng)無陽光曝曬加熱時(shí)，吸附劑在較低溫度下對(duì)制冷劑進(jìn)行吸附壓縮，導(dǎo)致液態(tài)的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)汽化吸熱，因而使包含蒸發(fā)器的空間溫度下降，達(dá)到制冷的目的，此過程一般在夜間進(jìn)行。當(dāng)吸附劑處于陽光曝曬的加熱狀態(tài)時(shí)，夜間被吸附的氣態(tài)制冷劑受熱脫附，離開吸附床，經(jīng)過冷凝器時(shí)凝結(jié)為液體，流回蒸發(fā)器中，等待下一循環(huán)的蒸發(fā)、吸熱過程的開始。通常，吸附劑裝入吸附床（集熱器）中，以接近垂直的角度接收太陽光線的輻射加熱，制冷劑裝入蒸發(fā)器中。其系統(tǒng)形式有兩種，一種為利用晝夜交替實(shí)現(xiàn)自然循環(huán)的間歇式太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，通常用于使夜間制冰，但生產(chǎn)周期較長。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)研究出了另一種連續(xù)性太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，利用多個(gè)吸附床交替地進(jìn)行吸附和脫附，并在吸附床之間發(fā)生熱交換的連續(xù)性回?zé)崾窖h(huán)制冷系統(tǒng)。目前的太陽能固體吸附式制冷系統(tǒng)制冷效率較低。要實(shí)用化還應(yīng)考慮：吸附速度的影響、集熱器與工質(zhì)對(duì)的選取和改善吸附床內(nèi)的傳熱／傳質(zhì)性能。

6.4.4太陽能噴射式制冷原理及其研究現(xiàn)狀太陽能噴射式制冷系統(tǒng)原理如下圖所示，整個(gè)制冷循環(huán)基本上由三個(gè)子循環(huán)組成，即制冷子循環(huán)，動(dòng)力子循環(huán)和太陽能轉(zhuǎn)換子循環(huán)。具體工作過程描述如下：制冷劑（通常為水）在蓄熱器中吸收高溫傳熱工質(zhì)的熱量后汽化、增壓，產(chǎn)生飽和蒸汽，蒸汽進(jìn)入噴射器，經(jīng)過噴嘴高速噴出膨脹，在噴嘴附近產(chǎn)生真空，將蒸發(fā)器中的低壓蒸汽吸入噴射器，經(jīng)過噴射器出來的混合氣體進(jìn)入冷凝器放熱、冷凝為液體，然后冷凝液的一部分通過節(jié)流閥進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量后汽化制冷，完成一次循環(huán)，這部分工質(zhì)完成的循環(huán)是制冷子循環(huán)。