其他制冷技术(2)课件

6.3热管制冷技术热管是一种在密闭管道中，使液体经二相变化的循环流动，将热量从一端高效地传送到另一端的高效传热性能元件。通过其很小的截面积，可将大量热量远距离传输而无需外加动力。热管具有许多优点：卓越的传热效率及可靠性、隔离性、低阻力、体积小、可控制等。热管技术已经在越来越广阔的领域取得卓有成效的应用。在制冷空调行业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。

第35讲其他技术（2）

6.3.1热管的发展及现状6.3.1.1热管技术的理论研究1942年，Gauler就曾提出热管的原理。1962年，Trefethen再次提出类似于Gauler的传热元件；1965年，Cotter首次提出了较完整的热管理论。

6.3.1.2热管技术的应用研究热管最早用于空间技术和电子工业领域。1967年，美国LoaAlamos国家实验室研制的热管被送入地球卫星轨道，并取得热管运行性能的遥控数据，证明热管在零重力条件下成功运行。1968年，热管作为卫星仪器温度控制的手段第一次应用于测地卫星GEOS-Ⅱ，目的是为了减小卫星中不同应答器之间的温差。1972年发射的天文卫星OAO-C和1974年发射的应用技术卫星ATS-F上都成功地用了相当数量的热管作为温度控制的手段。1969年，日本已有带翅片热管束的空气加热器，用来回收工业排气中的热能。20世纪80年代初我国的热管研究及开发的重点转向节能及能源的合理利用，相继开发了热管气一气换热器，热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器，高温热管热风炉等各类热管产品。目前，热管应用的重点已由航天转移到地面，由工业化扩展到民用产品。随着热管技术的发展和制造加工技术的成熟，热管研究和应用的领域也将不断拓宽。新能源的开发，太阳能的利用，电子装置芯片的冷却、笔记本电脑CPU的冷却以及大功率晶体管、可控硅元件、电路控制板等的冷却，石油化工、冶金、制冷空调等领域的高效传热传质设备的开发，都将促进热管技术的进一步发展。6.3.2热管的工作原理下图（a）为重力回流式热管，由金属密封外壳构成，抽真空，内装工作液体（如水、氨、氟利昂等），垂直放置。当管于下部吸热时，管内液体在真空中迅速蒸发，蒸气上升到上部冷却成液体，放出蒸发潜热。液体在重力作用下沿管壁回流下部，如此不断地循环传热。图（b）为带有吸液芯的回流式热管，在热管内壁上敷设毛细管道，靠毛细作用代替液体的重力回流方式。吸热段为液体蒸发，绝热段为保温，放热段为气体冷凝。热管的结构在密闭容器的内表面上附着一层像海绵状的能很容易吸收工作液的毛细管结构材料，容器抽真空后注入与毛细管结构中细孔的总容积相当的工作液。容器的中间部分处于空洞状态。当加热热管的上端部（蒸发段）则靠近容器内壁的工作液就会被蒸发，此时蒸发段的蒸汽压就会升高，以致在压力低的另一端部（冷凝段）之间形成蒸气流，在冷凝段蒸气被冷却，重新凝结成液体。从蒸发段到冷凝段的热输送量可由下式求出：式中Q——热量传输量，W。m——质量流量，kg/s。L——潜热，J/kg。

热管靠蒸气流动传递热量，而蒸气的汽化潜热很大，所以热管的传热能力很大。与相同体积的铜、银等热的良导体相比，热管的导热能力要大几倍甚至上千倍。工作液相变过程产生很大的热焓差，是热管所具有的最大特点。被冷凝的工作液通过毛细管力返回到蒸发段，再进行蒸发。这样就形成了一个闭合的循环。在这个循环过程中，不需要特别的动力，这也是热管的一大特点。

6.3.2热管技术在制冷空调行业中的应用6.3.2.1热管式房间空调器下图是一种利用重力回流式热管构成的空调器简图。热管的蒸发端在室内，冷凝端在室外，绝热端在墙体内。热管内液态工质在室内吸热后气化，室内温度降低。为了提高管内工质的气化能力，吸收更多的热量重力回流式热管空调器的结构而产生更多的冷量，在热管的蒸发端加装风机。气化后的气体上移冷凝端，由冷却水带走热量而凝结成液态工质，在重力作用下回流至蒸发端。由于未采用毛细管吸液芯，因而回流阻力小，传输热量的效率高。为保持重力作用，热管冷凝端的位置应高于蒸发端，即冷凝端向上倾斜。6.3.2.2图6-9重力回流式热管空调器的结构电磁阀冷却水热管风机风冷风翅片

6.3.2.2热管技术在房间空调器上的应用房间的热负荷是由显热负荷和潜热负荷两部分组成。目前在常规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，满足室内舒适性要求。将重力式热管换热器应用于房间空调器中，可以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，从而可以解决目前现有房间空调器在潮湿地区使用时，因除湿量不足而造成房间内舒适性较差这一问题。

6.3.2.2

有关文献表明，通过在房间空调器上加重力式热管换热器，可使空调器的除湿量增加30％

40％，而制冷量和耗功率基本不变；重力式热管换热器结构可与空调器的蒸发器结构相同，其所需换热面积一般不会超过蒸发器换热面积的2倍，热管的工作介质可与空调器用的制冷剂相同；加重力式热管换热器后，无需改变空调器配置的压缩机、冷凝器、蒸发器及毛细管，而只需适当增加室内侧风机压头，热管换热器在空调器上布置可行，且不会使空调器的总体积增加很多。6.3.2.3热管技术在空调热回收上的应用为保证房间空气清新，以及充分节能，空调系统中的部分回风经冷却（夏季）或再热（冬季）后作为送风与新风一同送到空调房间，其它部分的回风则排出。而排出的风包含有制冷或制热需要的冷量或热量。热管由于热传递速度快、传递温降小、结构简单和易控制等特点，因而将被广泛用于空调系统的热回收和热控制。

如果空调系统新风量按送风量的30％计算，采用分体热虹吸热管冷热回收装置，可使空调系统节能7％以上。实验表明，冷热气流温差只要超过3℃，即可回收能量。据此推算，上海、南京等长江中下游地区夏天空调冷回收时间长达1500h以上，三年内可回收设备初投资费用。有关研究表明，对于室内温度22℃，相对湿度50％的空调工况，在供回风系统中加装热管换热器后，取得了如下效果：在室外温度波动超过4.4℃时，室内温度波动小于0.3℃，相对湿度小于0.5％；热管换热器效率接近100％；去湿能力比普通系统提高62％，比旁通系统提高70％，相应地，辅助再热量分别减少20％和18％，潜在能效比（LEER）分别提高90％和87％。右上图为一种用于空调系统热回收的流程图。右下图为一种带热力毛细动力循环的热管热回收系统。空调送风状态是通过调节阀调节热管管路中介质的流量进行调节的。热管式空调系统流程图含热毛细动力循环热管热回收空调器系统下图给出了一种用于空调换气的热管式换热器系统。在一年里，如果采暖和制冷分别按4个月和3个月计算，1台热管式空调换气换热器每年可节电l146度。若将热管式换气换热器折算成一台制冷（热）系数为2.5的热泵型空调机，则冬季相当于一台533W或夏季相当于一台304W的热泵型空调机。热管式空调换气换热器

6.4太阳能制冷技术在制冷空调领域，应用太阳能驱动制冷系统一方面可以大大减少电力消耗；另一方面，由于太阳能制冷系统一般采用非氟氯烃类物质作为制冷剂，不会造成对大气臭氧层的破坏而产生环境温室效应，符合当前的全球环保要求。此外，它还有一个独特的优势，即热量的供给和冷量的需求在季节和数量上高度匹配，在夏季太阳辐射强，气温高，冷量需求也大。

应用太阳能驱动实现制冷，是通过采用不同的能量转换方式来实现的。目前提出了两种主要方式：其一是先实现把光-电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷即压缩式太阳能制冷系统，或以电力驱动半导体制冷器实现制冷的系统。其二是进行光-热转换，以热能制冷。由于目前光电转换技术成本太高，前一种制冷系统在市场上尚难推广应用，选择后一种方式作为研究的重点，并从以下三个方向进行，即太阳能吸收式制冷、太阳能吸附式制冷和太阳能喷射式制冷。6.4.1太阳能光-电转换实现制冷的原理及其研究现状太阳能光-电转换实现制冷是利用光伏转换装置将太阳能转化成电能后，再用于驱动普通蒸气压缩式制冷系统或半导体制冷系统实现制冷的方法，即光电半导体制冷和光电压缩式制冷。其关键是光电转换技术，必须采用光电转换接受器，即光电池。当前硅类电池用得最多，包括：单晶硅、多晶硅和非晶硅等，此外砷化镓电池也用得不少。太阳能电池接受阳光直接产生电力，目前效率较低，约10％左右，而光电板、蓄电器和逆变器等成本却很高。光电压缩式制冷的优点是可采用技术成熟且效率高的蒸气压缩式制冷技术，其小型制冷机在日照好又缺少电力设施的一些国家和地区已得到应用。虽然光电式太阳能制冷系统已经被用于空调和冰箱，但是目前人们对其制冷系统特性的研究不多，一般都直接采用常规的空调或冰箱，压缩机一般都没有考虑光伏系统的特性，因而整个系统的效率尚不能与专用的直流压缩机相比，成本比直接以热能为动力的制冷循环高得多（约3～4倍），这是其最大的缺点。随着光伏转换装置效率的提高和成本的降低，太阳能发电必将得到迅速发展，加上制冷空调市场的发展空间仍然很大，光电式太阳能制冷产品将有广阔的发展前景。6.4.2太阳能吸收式制冷的原理及其研究现状太阳能吸收式制冷研究最接近于实用化，而且已经有了很多成功的实例。常规的配置是：采用平板或热管型真空管集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质主要采用LiBr–H2O，当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅炉来进行辅助加热。系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同（如下图）。太阳能吸收式制冷系统简图工作原理是利用太阳能集热器采集热量加热热水，再以热水加热发生器中的溶液产生冷剂蒸气，制冷剂经过冷却、冷凝和节流降压在蒸发器中由液体汽化吸热实现制冷，之后制冷剂蒸气被吸收器中的吸收溶液吸收，吸收完成后再由泵加压将含有制冷剂的溶液送入发生器进行加热蒸发，完成一个制冷循环。太阳能热管-吸收复合式空调制冷系统由太阳能集热器、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，如下图。循环水由循环泵输入水箱，热管吸收太阳能后加热水箱中的循环水；温度升高后的水，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，再返回水箱。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，同样用冷却水带走，并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）排出。整个空调系统由三个流通环路组成，即发生器流通环路、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。

太阳能热管吸收式制冷系统的实用化取决于太阳能集热器，采用热管式真空管制作的集热器具有极大优越性。热管式太阳能空调制冷系统是间歇式系统，加入一个辅助电加热器可以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。热管式太阳能空调系统结构及原理图6.4.3太阳能吸附式制冷原理及其研究现状

制冷原理：利用吸附床中的固体吸附剂（如活性炭）对制冷剂（如甲醇）的周期性吸附，解吸附过程实现制冷循环。即当无阳光曝晒加热时，吸附剂在较低温度下对制冷剂进行吸附压缩，导致液态的制冷剂在蒸发器内汽化吸热，因而使包含蒸发器的空间温度下降，达到制冷的目的，此过程一般在夜间进行。当吸附剂处于阳光曝晒的加热状态时，夜间被吸附的气态制冷剂受热脱附，离开吸附床，经过冷凝器时凝结为液体，流回蒸发器中，等待下一循环的蒸发、吸热过程的开始。通常，吸附剂装入吸附床（集热器）中，以接近垂直的角度接收太阳光线的辐射加热，制冷剂装入蒸发器中。其系统形式有两种，一种为利用昼夜交替实现自然循环的间歇式太阳能吸附式制冷系统，通常用于使夜间制冰，但生产周期较长。为了克服这个缺点，现在已经研究出了另一种连续性太阳能吸附式制冷系统，利用多个吸附床交替地进行吸附和脱附，并在吸附床之间发生热交换的连续性回热式循环制冷系统。目前的太阳能固体吸附式制冷系统制冷效率较低。要实用化还应考虑：吸附速度的影响、集热器与工质对的选取和改善吸附床内的传热／传质性能。

6.4.4太阳能喷射式制冷原理及其研究现状太阳能喷射式制冷系统原理如下图所示，整个制冷循环基本上由三个子循环组成，即制冷子循环，动力子循环和太阳能转换子循环。具体工作过程描述如下：制冷剂（通常为水）在蓄热器中吸收高温传热工质的热量后汽化、增压，产生饱和蒸汽，蒸汽进入喷射器，经过喷嘴高速喷出膨胀，在喷嘴附近产生真空，将蒸发器中的低压蒸汽吸入喷射器，经过喷射器出来的混合气体进入冷凝器放热、冷凝为液体，然后冷凝液的一部分通过节流阀进入蒸发器吸收热量后汽化制冷，完成一次循环，这部分工质完成的循环是制冷子循环。