（轮机工程专业论文）烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究.pdf

l，f一 l s t r u c t u r ed e s i g no fa d s o r p t i o nb e d u s i n gs i n t e r i n gh e a t p i p ea n de x p e r i m e n t a ls t u d y at h e s i ss u b m i t t e dt o d a h a nm a r i t i m e u n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g w a n gc h u n j u a n ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rp a n x i n x i a n g j u n e2 0 1l ，l l1 h 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文= = 缝缱式垫篁咝隧废的缝掏遮过墨塞验婴究= = 一。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 季盔霸 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文：同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密叫( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：王壳娟 导师签名： 日期： 如l1 年 ，、，k kll一 ， 1 h 中文摘要 摘要 由于能源资源的日益减少，能源的节约和高效利用推动着吸附式制冷研究的 不断发展。吸附式制冷系统不需要溶液泵，因此其比吸收式制冷系统更适于应用 在船舶上。吸附床的传热传质问题，是影响吸附式制冷效率的主要因素。将热管 技术应用到吸附式制冷中，利用其高效传热的特性可以强化吸附床传热。由于吸 附制冷系统中，要对吸附床进行交替的加热、冷却，这就要求所选的热管具双向 传热特性。因此，本文研究的主要内容有： 1 、研究热管的工作条件和传热机理，选择了内部具有铜粉烧结层的烧结式热 管作为吸附床的传热元件。该烧结式热管具有良好双向传热特性，能够满足吸附 式制冷系统的要求； 2 、设计和搭建单管测试实验台，对选用的烧结式热管进行不同功率和正向、 反向放置的倾角测试。对比和拟合实验结果，分析该热管的传热性能： 3 、根据热管的传热性能，计算确定吸附床床体的尺寸；确定热管在吸附床内 能够有效换热的排列方式；设计出适用于硅胶水为制冷工质的烧结式热管吸附床； 4 、计算出该吸附床内制冷剂的理论循环量，选用吸附式制冷基本循环，计算 确定与烧结式热管吸附床相匹配的冷凝器；设计装有液位计的储液器，储液器容 积大于系统内循环制冷剂的体积；液位计表面贴有刻度，便于读数；搭建烧结式 热管吸附床实验台。 关键词：吸附式制冷；烧结热管；实验台；高效传热 k，一 口， 英文摘要 s t r u c t u r ed e s i g no fa d s o r p t i o nb e d u s i n gs i n t e r i n gh e a tp i p ea n d e x p e r i m e n t a ls t u d y a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n g l yr e d u c e de n e r g yr e s o u r c c s ，e n e r g y 跗v i n ga n du t i l i z a t i o n p u s ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nr e s e a r c h a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s y s t e m sa r em o r es u i t a b l ef o rs h i p sc o m p a r e dt oa b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n , b e c a u s ei t d o e sn o tn e e da na b s o r p t i o np u m p t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e r i na d s o r p t i o nb e d s y s t e m sa r et h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s y s t e m s c o m b i n i n ga d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n 、析t l lt h eh i g h l ye f f i c i e n tb e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so fh e a tp i p et e c h n o l o g yw i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea d s o r p t i o n b e d t h eh e a tp i p e sm u s tb ea b l et oa l t e r n a t e l yh e a ta n dc o o lt h ea d s o r p t i o nb e 也 t h e r e f o r et h es e l e c t e dh e a tp i p es h o u l dw o r kt r a n s f e rh e a tw e l li nt w od i r e c t i o n s t h em a i n w o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y s i so ft h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dh e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m s f r o mt h i s ，a s i n t e r e dh e a tp i p ew i t hc o p p e rp o w e rw a ss e l e c t e da st h ed e v i c et r a n s f e r r i n gh e a ti nt h e a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m t h es i n t e r e dh e a tp i p eh a sa l le x c e l l e n tt w o d i r e c t i o n b e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hm e e tt h en e e d so fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 2 as i n g l ep i p et e s t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e da n db u i l tt od e t e r m i n et h ew a l l t e m p e r a t u r e sa n dr e s i s t a n c e sv e r s u sa n g l e 、) l ，i t hh e a t i n ga tt h eb o t t o ma sw e l la so nt h e t o p t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n dc a l c u l a t e da n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp i p e w a sd e t e r m i n e d 3 u s i n gt h eh e a tp i p ep e r f o r m a n c et e s t , t h ed i m e n s i o n so f t h ea d s o r p t i o nb e d w e r e c a l c u l a t e da n dt h es i n t e r i n ga d s o r p t i o nb e du s i n gs i l i c a - g e la sr e f r i g e r a t i o nw o r k i n gp a i r w a sd e s i g n e d 4 t h ei d e a lr e f r i g e r a n tc i r c u l a t i o nw a sc a l c u l a t e da n dt h ec o n d e n s e ra n dr e s e r v o i r w a sd e s i g nt om a t c ht h ea d s o r p t i o nb e d al i q u i dm e t e rw a sf i r e dt ot h er e s e r v o i rt o d e t e r m i n et h ea d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o np e r f o r m a n c e t h e n , s e tu pt h es i n t e r i n gh e a tp i p e a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 一、， h k e yw o r d s ：a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ，s i n t e r i n gh e a tp i p e , e x p e r i m e n t a l s ，h i g h e f f i c i e n th e a tt r a n s f e r 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 1 2 固体吸附式制冷的原理2 1 2 1 吸附式制冷基本原理3 1 2 2 吸附式制冷工质对4 1 2 3 吸附式制冷循环6 1 2 4 热管式吸附制冷空调系统的研究进展8 1 3 本文研究的主要内容9 第2 章热管技术及其应用1 1 2 1 热管的发展历程11 2 2 热管技术1 2 2 2 1 热管的组成及工作原理1 2 2 2 2 热管的基本特征1 3 2 2 3 热管的工作条件1 4 2 2 4 热管的传热极限1 5 2 3 热管的种类19 2 4 本章小结：2 1 第3 章烧结式热管的性能测试2 2 3 1 实验装置2 2 3 2 实验方案与步骤2 3 3 3 实验结果及分析2 5 3 3 1 倾斜角度对壁面温度分布的影响2 5 3 3 2 倾斜角度对烧结热管总热阻的影响2 8 3 4 本章小结3 0 第4 章烧结式热管吸附床的结构设计和搭建3 2 4 1 吸附床的型式3 2 4 2 烧结式热管吸附床的结构设计3 7 4 2 1 吸附床的设计要求3 7 4 2 2 烧结式热管吸附床的结构设计3 7 4 3 烧结式热管吸附床实验台的设计。3 9 4 3 1 制冷循环的选择3 9 目录 4 3 2 制冷工质的循环吸附量的确定4 0 4 3 3 冷凝器的选型与确定。4 0 4 3 4 储液器与液位计的设计4 3 4 4 烧结式热管吸附床实验台的搭建4 4 4 4 1 烧结式热管吸附床实验台的搭建4 4 4 2 2 烧结式热管吸附床实验台的运行4 7 4 5 本章小结4 7 第5 章结论与展望4 9 5 1 结论4 9 5 2 展望4 9 参考文献5l 致谢5 5 研究生履历5 6 ， 、i 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 第1 章绪论 、1 1 研究背景和意义 人类的进化发展史，是一部不断向自然界索取和利用能源的历史。在人类的历史长 河中，技术的重大进步、经济的迅速发展，都与能源的利用息息相关。1 8 世纪6 0 年代， 英国产业革命的兴起，特别是蒸汽机的发展和使用，使劳动力有了很大的提高，同时也 促使了煤炭勘探、开采和运输业的大发展。人类的能源消费结构完成了从以薪柴为主到 以煤炭为主的转变，这在后来被称为能源消耗结构的第一次大转变。进入2 0 世纪，随 着第一次世界大战的爆发，对汽车、坦克、轮船及飞机的需求量大增，是这类技术得到 了迅猛的发展。从2 0 世纪2 0 年代开始，石油、天然气的消费量逐渐上升。到2 0 世纪 5 0 年代，随着石油勘探和开采技术的提高，中东、美国和北非相继发生了巨大的油气田， 加上石油炼制技术的提高，各种成品油的价格低廉，供应充足。这些因素促使人类的能 源消费结构发生了第二次转变，即从以煤炭为主到以石油、天然气为主的转变。这次转 变极大地促进了世界经济的繁荣，创造了历史上空前的物质文明，人类进入了快速发展 的快车道。 两次能源消费结构的大转变，将人类从原始落后的以天然可再生资源为基础的简单 机械动力装置时代带入了以煤炭、石油和天然气等不可再生资源为基础的热能装置时 代，传统的工业文明比起原始的农耕文明发展速度快，但对大自然的索取量大大增加， 可持续性差。在经济迅速增长给环境带来的压力日益严重，温室效应、环境污染、化石 能源枯竭、生态环境破坏等，已成为威胁人类生存和发展的严重问题。如何是能源利用 和环境相协调，维持人类社会的可持续发展，是摆在人类面前的共同任务【1 1 。2 0 世纪7 0 年代初期，受经济危机的影响，能源危机也开始在全世界范围蔓延。为此，各国政府在 寻找新能源的同时【2 】，更提倡能源的节约高效使用，太阳能、地热和废弃余热等低品位 热源的利用因此而受到广泛的重视。吸附式制冷技术，因其以低品位能源为驱动热源在 空调制冷行业具有十分广阔的发展前景。 船舶航运业在全部能源消耗中也占有较大的比重。船舶柴油机的热效率一般只有 3 0 - - 4 0 ，燃料发热量的三分之一被柴油机的冷却水及排气等带走。其中柴油机冷却 第1 章绪论 水温度约为6 0 8 5 ，所带走的热量约占燃料总发热量的2 5 ；柴油机排气余热的 特点是温度高，所带走的热量约占燃料总发热量的3 5 。可见，船舶废热、余热等低品 位的利用具有很大的空间。同时，由于船舶在海上经常颠簸、摇摆，对于吸收式制冷系 统其液面经常晃动，影响其性能，而对于吸附式制冷系统就不存在上述问题，可以说这 也是吸附式制冷系统的一个优势。现在船舶上的制冷空调技术主要采用蒸汽压缩式，其 设备靠柴油提供的电力来驱动，整体能源利用比较低，系统能源消耗比较大，且其采用 的氟氯烃类制冷剂破坏人类的生存环境。而吸附式制冷机可以利用船舶柴油机排出的尾 气来驱动，有效的利用了低品位热能，同时还具有结构简单、无环境污染、无运动部件、 抗震性好、基本不耗电等优点，降低运输成本【3 5 1 。因此，船舶吸附式制冷满足了当今 社会对节能和环保的要求，是一种比较理想的制冷方式。 然而，吸附式制冷系统较小的制冷量和较低的制冷系c o p ( c o e f f i c i e n to f p e r f o 肌眦c e ) 使其广泛应用和产业化受到限制【锄】。为提高吸附式制冷的工作效率，目前 对吸附式制冷技术的研究主要集中在对吸附工质对的性能及其吸附机理、吸附式制冷的 系统结构、吸附床的传热传质和各种循环的热力性能等方面的研究【9 ，1 0 1 。 热管是2 0 世纪6 0 年代中期发展起来的一种新型传热元件，依靠其内部物质的相变 潜热和蒸汽流动传递能量，因而具有高效传热的特性。热管的导热能力己超过任何已知 金属的导热能力，在均热散热、余热回收、节能方面取得了显著效果。特别是石化、冶 金、电力等大型企业，能源消耗造成的成本开支越来越大。随着技术的不断完善，以及 成本的降低，热管技术得到广泛的应用。 基于上述背景，本文依据固体式吸附制冷原理，设计烧结热管式吸附床，利用热管 的高效传热特性，强化吸附床传热。研究热管在吸附式制冷上的应用，提高吸附式制冷 的传热效率，充分利用船舶的低品位能源，符合当前节能环保的总要求，具有一定的现 实意义和社会意义。 1 2 固体吸附式制冷的原理 近2 0 年来，不断有来自美国、法国、日本、英国、德国、意大利和印度等国家对 固体吸附式制冷的研究报道，从吸附工质对性能、吸附床的传热传质和系统循环及结构 2 k， 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 等方面推动了吸附式制冷的发展。为使吸附式制冷的技术成为一种实用化的制冷方式， 人们在吸附工质对及其吸附机理、吸附式制冷的系统结构、改善吸附床传热传质及各种 高级回热循环的热力性质等方面进行着不懈的努力v l , 1 2 】。 1 2 1 吸附式制冷基本原理 在吸附式制冷过程中，吸附床的功能类似于压缩机，其中的吸附剂对制冷剂的自主 吸附和脱附使系统产生压力变化，推动制冷剂的循环。吸附现象产生的原因是吸附质分 子与吸附剂分子产生的相互作用力。这种作用力是气体吸附质在固体吸附剂表面发生的 行为，产生该过程的条件与吸附剂固体表面特征及空隙性有密切关系。气体分子从气相 吸附到固体表面，其分子的自由能会降低，与未被吸附前相比，其分子的熵也是降低的。 据热力学定律： g = a h t a s 其中a g 、a s 均为负值，则a h 也肯定是负值。因此，吸附过程必然是一个放热过 程，所放出的热，称为该物质在此固体表面上的吸附热。 在吸附过程中，根据结合力的不同，可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附的主要 驱动力是范德华力，范德华力普遍存在于分子间。因此，大多数的固体表面都可以吸附 气体分子，即物理吸附不具有选择性。而且吸附剂吸附了单层分子后，还可以利用范德 华力继续进行深层吸附，最终形成多层吸附层。实际应用过程中，物理吸附剂对吸附质 的吸附有选择性，这可以通过改变吸附剂的微孔通道表面或者孔径来实现【1 3 】。 化学吸附与物理吸附的原理有着本质上的不同。因为吸附质气体分子与吸附剂固体 表面原子或分子发生化学作用，吸附过程中发生了电子的转移或原子的重新排列再或者 是化学键的断裂与重新组合，形成的化合物附着在吸附剂固体表面与吸附物质之间。化 学吸附与化学反应类似，无法进行二次反应，故只能进行单层吸附。化学吸附的作用力 远比物理吸附的范德华力要大。 固体吸附式制冷系统主要是由吸附床、冷凝器、蒸发器三大部件以及节流阀、连接 管路和一些辅助设备组成。整个系统是封闭的，吸附质充斥着吸附床里吸附剂的孔隙空 间。工作过程如图1 1 所示。 3 第1 章绪论 ( 1 ) 脱附过程( 虚线表示) ：加热吸附床，吸附床温度升高，吸附质吸热从吸附 剂中脱附出来，床内压力不断升高，直至吸附质蒸气压力达到冷凝温度下的饱和压力时， 在冷凝器里冷凝为液体后进入蒸发器，在蒸发器蒸发放出的热量通过冷却器由冷却介质 带走。在此过程中，吸附床吸热量为( q d e ) ，冷凝器平衡的热量为( q 。) 。 ( 2 ) 吸附过程( 实线表示) ：冷却吸附床，吸附剂恢复吸附能力。随着吸附的不 断进行，床内压力不断下降达到蒸发温度下的饱和压力，此时吸附质液体因压强迅速降 低而加速蒸发，蒸发出来的气体被吸附剂吸附，为下一次加热脱附做准备，吸附质蒸发 产生制冷效果。在此过程中，冷却吸附床带走的热量为( q a d ) ，蒸发器吸收的热量为( q e v ) 。 上述两个过程形成一个完整的制冷循环。 夸 i q r 一一一一d ，回一一一 i 卜 i l i 一- 1 图1 1 吸附式制冷基本循环简图 f i g 1 1d i a g r a mo fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e 1 2 2 吸附式制冷工质对 吸附制冷机研制的关键因素之一是吸附工质对的选择，吸附工质对的选择影响到热 源利用温度、冷量输出温度、设备材料，以及系统的性能系数，是高压、低压、还是真 空设备、系统循环周期、系统c o p 及s c p 等要素。一个优良的吸附制冷系统不但要有 4 k 常滋润 r_。山寺冷 一 一 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 好的循环方式，而且要具备在工作温度范围内吸附性能好、吸附解吸速度快、传热传质 效果好的吸附剂及汽化潜热大、沸点满足要求的制冷剂。因此，吸附制冷机是否适应环 境要求，是否满足工作条件，在很大程度上都取决于吸附工质对的选择u 4 1 。热源的温度， 吸附性能在很大程度上决定了所选的工质对。目前，已研究的吸附工质对主要有：活性 炭甲醇【1 5 51 7 1 、活性炭氨【1 8 , 1 9 、沸石分子筛水 2 0 , 2 1 1 、硅胶水【2 2 - 2 4 、金属氢化物氢【2 5 捌 和金属氯化物氨【2 7 】等。其中，前四种工质对属于物理吸附，后两种属于化学吸附。 活性炭甲醇吸附解吸量较大，吸附热不太高( 约1 8 0 0 - 2 0 0 0 k j k g ) ，是目前使用较 为广泛的吸附工质对。另外，系统需要的再生温度较低，在1 0 0 左右，有利于回收低 温余热。缺点是：不适合高温，甲醇在温度高于1 5 0 时甲醇会分解；甲醇蒸汽有剧毒， 如果泄露，极其危险；系统为真空系统，对密封性要求高。 活性炭氨可适应较高的热源温度，大约在2 0 0 以上，氨的蒸发制冷量大。系统为 高压系统，轻微的泄漏不会导致系统失灵，相对不怕振动，传热传质较好，循环周期较 短。氨有轻微的毒性和很强的刺激性的气味，在空气中有燃烧和爆炸的危险，且与铜材 料不相容。同时，相对于活性炭甲醇工质对，活性炭氨工质对的循环吸附量要相对小 一些。 沸石分子筛水工质对的分子将相互作用力较强，所需的解吸温度较高。其最大优 点吸附等温线较为平坦，且水的汽化潜热大，安全、无毒，在高温时具有较高的c o p 和s c p 。缺点是：该系统是负压系统，传质速度慢，造成系统循环时间较长；蒸发温度 不低于0 ，故不能用于制冰。 硅胶水工质对非常适合较低温度的热源驱动。文献 2 8 】， 2 9 1 显示，实际样机中的 硅胶水的最低驱动热源温度为5 5 左右。这种工况对于太阳能及低温余热、废热热源 制冷的场合非常有利。缺点是循环解吸量不大，不能用于制冰场合。 与物理吸附相比，化学吸附剂的吸附量大，因此循环制冷量也大，这对减小制冷机 组的重量和体积非常有利。金属氢化物氢利用金属及合金解吸、吸附氢的过程来制冷， 其特点是吸附、解吸热大。金属氢化物的种类不同，其解析温度也不同，因此温度范 围较宽，一般在1 0 0 。c 5 0 0 c 以上【3 0 】；金属氯化物氨系统主要缺点就是传热性能差， 气体渗透性能差，同时吸附过程中会出现膨胀、结块等现象。 5 第1 章绪论 复合混合吸附剂【3 1 1 一般是化学吸附与多孔介质的混合，如果所采用的多孔介质， 例如活性炭与活性纤维，可以对吸附剂产生一个复合吸附的作用，混合后的吸附剂成为 混合吸附剂，如果所采用的多孔介质，如石墨，不会对吸附质产生吸附作用，混合后的 吸附剂则成为混合吸附剂。复合混合吸作用一般是化学吸附过程、多孔介质传质过程、 锁孔介质对吸附质的吸附过程( 至存在于复合吸附) 的耦合，最后会导致复合吸附脱离 单纯的化学吸附或者物理吸附及多孔介质传质过程所能够解释的范围。 本文选用的烧结热管承受的最高温度不高于1 3 0 ，故选取硅胶水工质对进行实验 研究。硅胶选择球形细孔硅胶，外观呈透明或半透明玻璃状，粒径为0 5 l m m 。所选硅 胶的物理性质如下表所示： 表1 1 所选硅胶的物理性质 t a b 1 1p h y s i c a lp r o p e r t i e so f t h es e l e c t e ds i l i c ag e l 堆积密真实密表观密 平均孔 比表面孔容 比热导热系数 度度度 径r i m ( m 2 g ) ( m l g ) k j ( k g ) 】 w ( m ) 】 ( k g m 3 )( k g m 3 )( k g m 3 ) 2 o 3 o6 5 0 8 0 00 3 5 o 4 5o 9 2o 1 9 47 8 02 2 0 01 1 7 0 1 2 3 吸附式制冷循环 固体吸附式制冷按照工作原理可分为间歇循环和连续循环两大类。间歇循环往往采 用一台吸附床，制冷是间歇的；连续循环则采用两台或者两台以上的吸附床交替运行， 可实现连续制冷。如果吸附式制冷单纯由加热解吸和冷却吸附过程构成，则为基本型吸 附式制冷循环，如果对吸附床进行回热，根据回热方式的不同，可有两床或多床回热循 环、回质循环、热波与对流热波等循环方式。根据吸附式系统的特点和温度源的选择， 还可以构筑多级和复叠循环制冷系纠3 2 】。 如图1 2 所示，基予物理吸附的基本吸附式制冷循环的工作过程如下： 、 q 3 i ， 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 重 点 一l ，r ，【k 4 】 图1 2 物理吸附c l a p e r o n 图 f i g 1 2d i a g r a mo f c l a p e r o n sp h y s i c a la d s o r p t i o nc y c l e 1 2 ：在吸附床中，加热吸附饱和后的吸附剂，使之从温度t a 2 升高到t g l ，此过程 中吸附床内制冷剂的压力也从p e 升高到p 。其中p 。和p 。是由蒸发温度和冷凝温度决定 的。在这个过程中，一般假设吸附床内的压力在未达到p 。之前没有解吸发生，近似于等 容加热过程。同时由于吸附床内传质空间以及微孔中制冷剂气体的质量相对于解吸出来 的制冷剂的质量非常小，所以在这个加热过程中一般忽略吸附床内制冷剂气体所耗费的 显热。 2 3 ：吸附床中的吸附剂继续受热直至其温度达到最大解吸温度t 9 2 。与此同时， 被吸附的制冷剂沿着压力为p 。的等压线解吸出来。该过程中假设制冷剂气体一解吸出来 就进入冷凝器中被冷凝。 3 4 ：与过程l _ 2 相似，冷却解吸完毕的吸附剂，使之温度从t 9 2 降到t a l ，同时 制冷剂压力从p 。减小到p 。认为此过程为等容过程，过程中没有吸附现象的发生。 4 _ 1 ：吸附剂继续被冷却，直至其温度达到吸附温度t a 2 。在此过程中，吸附剂沿 着压力为p 。的等压线吸附从蒸发器中蒸发出来的制冷剂气体，直到吸附床的状态恢复到 状态1 为止。 7 第1 章绪论 在冷凝器中，从吸附床中解吸出来的制冷剂蒸汽在等压p 。条件下冷凝。冷凝压力 p 。是由冷凝温度t e 决定的。假设从吸附床中出来的制冷剂气体的初始温度与进入冷凝 器的气体温度相同。t a 2 、t 9 2 为吸附终了温度和解吸终了温度，t c 和t c 分别为蒸发温度 和冷凝温度( 对应的饱和压力分别为p 。、p 。) ，t a l 、t 9 1 分别为初始吸附温度和初始解 吸温度。 如图1 1 所示，单床循环的制冷过程是间歇式的，增加床数并通过阀门的切换可实 现连续制冷，床与床之间没有能量的交换。这种循环的优点是结构简单，可靠性高，主 要用于余热制冷和太阳能制冷。由于吸附床的温度波动要消耗大量显热，所以不论如何 改进，这种系统的c o p 一般都不高( 小于0 5 ) 。不过，在余热利用场合，c o p 的提高 倒不是主要考虑的问题，而结构简单、重量轻、体积小、可靠性高才是制冷系统成功应 用的重要条件。回热循环主要是依靠床与床之间能量的交换来实现显热、吸附热等热量 的回收，不仅可实现连续制冷，而且理论上可大大提高系统的c o p 。缺点是由于匹配问 题、控制问题、变热源问题的存在增加了系统复杂性和成本，降低了可靠性。 1 2 4 热管式吸附制冷空调系统的研究进展 最早将热管技术应用到固体吸附式制冷系统中的是v a s i l i e vll 在1 9 9 6 首次提出， 后来又对热管技术在吸附式制冷系统中的应用进行更深的研究 3 3 - 3 5 l 。 上海交通大学w a n g 【3 6 】等人采用热虹吸热管技术研制了一台双床、双冷凝器和双蒸 发器结构的硅胶一水吸附制冷机组。y a n g t 3 7 】等人采用重力式热管技术研制了以硅胶一水 为工质对的小型紧凑式固体吸附制冷空调机。该空调机以甲醇为热管工作介质，8 5 左 右的驱动热量，在典型的空调工况下( 冷却水温3 0 ，空气温度2 7 ，驱动热水温度8 5 ，空气相对湿度1 9 ) ，可提供约8 0 0 w 的制冷量，且c o p 为0 3 4 。 大连海事大学谷杰然【3 8 】针对实船s i t c y o k o h a m a 的运行参数，设计出了一套利 用高效不锈钢热管的吸附式制冰机。殷业廷【3 9 】研究了热管式吸附床的传热机理和热管强 化传热的措施，分析了吸附工质对的物性参数、吸附床的工况参数对吸附床传质传热的 影响，对吸附床的强化传热设计起到了指导作用。崔玉亮【加】设计了渔船用热管吸附式制 冰机的陆地试验台。该实验台采用船舶高温烟气作为吸附床的加热热源，利用f l u e n t 软件模拟了烟气加热吸附床的情况，确定了进入吸附式系统的烟气流速、温度和加热时 8 v 气 6 ( f i 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 间。曹晨t 4 1 】设计了一种分离式热管吸附床。它能够实现远程换热，并通过应用m a t l a b 计算出若干适用的分离式热管设计参数。其对吸附床在空间狭小的小型船舶上的应用具 有现实的参考意义。 于可真【4 2 】利用重力式热管设计了一种旋转式结构的吸附床，并对重力式热管的传热 性能进行倾角测试实验，对比分析选取了效果最佳的倾角，为以后热管在吸附式制冷上 的应用提供了有益的参考。 1 3 本文研究的主要内容 吸附式制冷技术作为一种环境友好型的制冷方式，能够充分利用船舶废热，使对其 研究具有重要的意义。然而由于吸附床的传热性能差的问题，导致单位吸附剂的制冷功 率很低，系统体积庞大，要解决这些问题，必须找出影响其传热速率的因素，从而找到 解决问题的方法。热管作为高效的传热元件已在换热器等方面得到广泛的应用。那么， 利用热管提高吸附床的换热效率是否可行，以及如何提高换热效率是本文研究的重点。 本文的研究从以下几个方面入手： l 、研究热管的工作条件和传热机理，选出适用于吸附式制冷系统应用的热管。由 于要交替的对吸附床进行加热、冷却，因此，所选的热管必须满足双向传热的特性； 2 、设计和搭建单管测试实验台，对选择的热管进行倾角性能测试。测试包括不同 功率的测试和正向、反向传热测试，拟合结果，分析该热管的传热性能，为热管式吸附 床的研究提供依据； 3 、根据选用的烧结式热管的蒸发段、绝热段与冷凝段的长度和单管实验中得到的 热管的传热性能，计算确定吸附床床体的尺寸；确定热管在吸附床内能够有效换热的排 列方式；设计出适用于硅胶水为制冷工质的烧结式热管吸附床； 4 、计算出该吸附床内制冷剂的理论循环量，选用吸附式制冷基本循环，计算确定 与烧结式热管吸附床相匹配的冷凝器；设计装有液位计的储液器，储液器容积大于系统 内循环制冷剂的体积；液位计表面贴有刻度，便于读数；搭建烧结式热管吸附床实验台； 9 1 第1 章绪论 5 、对烧结式热管实验台进行性能测试。加热吸附床，记录压力传感器显示的系统 压力随时间的变化和液位计内液位的变化，分析热管正向传热对于吸附床传热的影响， 画出其吸附速率曲线； 6 、冷却吸附床，分别记录系统压力和液位计液面随时间的变化，分析热管反向传 热对于吸附床传热的影响，画出其脱附速率曲线； 7 、改变吸附床热流密度或者真空度，重复进行吸附、脱附测试实验，分析其对吸 附床换热的影响。 1 0 q 蕴 阻 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 第2 章热管技术及其应用 2 1 热管的发展历程 1 9 4 2 年美国通用发电机公司( t h eg e n e r a lm o t o r sc o r p o r a t i o n ，o h i o ，u s a ) 的工 程师i l s g a u g l e r 首次提出了热管理论，并且在1 9 4 4 年取得了专利。1 9 6 3 年，美国l o s a l a m o s 国家实验室的g m g - r o v e r 发明了类似的传热元件，并在美国应用物理杂志 上公开发表了一篇论文，正式将其命名为“h e mp i p e ，指出了它的导热率远远超出任 何一种已知的金属，并给出了以钠为工质，不锈钢为壳体，内部装有丝网吸液芯结构的 热管的实验结果，热管从此为人们所知【4 3 1 。 1 9 6 5 年c o t t e r 首次提出了较完整的热管理论，为以后热管理论的研究工作奠定了基 础j 。1 9 6 7 年人们首次将一根不锈钢一水热管安置在轨道卫星上并运行成功，从而受到 了众多科学技术人员对热管技术的关注。1 9 6 9 年前后t u r n e r 和b i e n e r t 提出了用可变热 导热管来实现恒温控制【4 5 】。1 9 7 0 年在美国出现了供应商品热管的部门，热管的应用范围 得到进一步扩大。1 9 7 4 年以后，热管被应用到换热器上来回收废热，以节约能源。1 9 8 0 年美国q d o t 公司生产了热管废热锅炉，日本帝人工程公司成功地制成用热管式锅炉给 水预热器，解决了排烟的露点腐蚀问题。1 9 8 4 年c o t t e r 较完整地提出了微型热管的理论， 为微型热管的研究及应用奠定了理论基础。 我国对热管传热性能、对电子器件冷却及空间飞行器方面的应用研究始于7 0 年代。 8 0 年代初我国对热管的研究与开发重点主要集中在节约能源和能源的综合利用方面，相 继开发了热管余热锅炉、高温热管蒸汽发生器以及热管气一气换热器等各类热管产品。 自1 9 8 3 年起，定期召开全国热管会议使我国研究热管的学术活动十分活跃。此后，对 热管换热器的研制工作迅速开展，相继出现了分离型热管、回转型热管等新的结构型式， 并日趋大型化，实际应用证明热管换热器是种高效、紧凑、耐用、结构形式多样、使 用方式灵活多变，特别适用于中低温排气的余热回收换热设备。热管技术在工业和民用 等众多领域的应用不断扩展，不同功能的各类热管的出现使得热管的应用日趋朝向纵深 方向发展，在能源有效利用中发挥出其重要的作用。 第2 章热管技术及其应用 大连海事大学轮机热能工程研究所在热管、相变传热以及低品位能制冷方向做了很 多有益的研究。该研究所对高效脉动热管( o s c i l l a t i n gh e a tp i p e ) 进行了大量的理论和 实验研究，并取得了很好的研究成果。该热管已广泛应用于笔记本电脑c p u 的散热。 另外，研究所所长马鸿斌教授专门为1 n t e l 公司开发了可传递2 0 0 w 热量( 热流密度可 达2 m w m 2 ) 的铝热管。 2 2 热管技术， 2 2 1 热管的组成及工作原理 热管的基本原理类似于空调等相变制冷，也可以说是一个微缩的相变制冷系统。它 是利用高导热性液体相变时吸热蒸发、放热凝结的特性，将热量快速的从吸热端转移到 散热端。一般热管是由管壳、吸液芯及传热工质组成的。热管内部被抽成1 3 x ( 1 0 i - 1 0 4 ) p a 的负压状态后，充入适当的液体工质，依靠这种液体工质的相变过程来完成热管的工作 循环。壳体内的工质气液两相共存，液态工质可以储存在多孔或者槽道的吸液芯层内， 气态工质则充满热管内部空腔阳。吸液芯紧贴于壳体内壁，作为液态工质的存储部位， 多由毛细多孔材料组成，或者是微型槽道，这样有利于毛细力的形成。有些热管也是利 用相变传热原理，却没有吸液芯，比如重力式热管，它是单纯的靠重力使工质回流。普 通热管的吸液芯的作用是：沿径向均匀分配液态工质，使液态工质在吸液芯稳定地保持 一层薄薄的液膜，产生毛细力驱动气一液工质循环，并凝结液的回流提供通道。 热管一端为蒸发段，另一端为冷凝段，根据应用需要可以在中间布置绝热段。热管 的工作原理：( 1 ) 将外部高温热源的热量传至蒸发段，液态工质在蒸发段吸热温度升 高；( 2 ) 液态工质在高温下气化为蒸气，同时压力也随之增大；( 3 ) 气态工质依靠压 差流向压力较低的冷凝段；( 4 ) 蒸气工质在冷凝段的气液界面上冷凝，放出潜热；( 5 ) 热量从气液界面通过充满工质的吸液芯和管壁的热传导，由管子的外表面传给冷源，气 态工质冷凝成液态；( 6 ) 液体工质再依靠毛细力的作用沿吸液芯流回蒸发段，再吸收 热量进入下一次循环。如此反复循环就实现了热量的传递和转移。热管的工作原理如下 图所示： 1 2 t 、 ， 烧结式热管吸附床的结构设计及实验研究 液相流体 _ 净一一一一 十tt ，千 蒸发段 一 鲍热段 一 一冷凝段一 图2 1 热管工作原理图 f i g 2 1w o r kp r i n c i p l eo f t h eh e a tp i p e 壳管 7 2 2 2 热管的基本特征 热管依靠自身内部工质的相变来实现传热，具有以下的基本特性 4 7 - 5 1 , 1 ： ( 1 ) 高导热性熟管主要靠内部工质的气、液相变传热，热阻小，因此具有很 强的导热能力。与银、铜以及铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个数量级的热 量。当然，高导热性也是相对而言的，其热管的传热能力也存在着一些传热极限；热管 的轴向导热性很强，然而在径向并无太大的优势( 径向热管除外) 。 ( 2 ) 均温性热管内腔的蒸气处于饱和状态，而饱和蒸气从蒸发段流向冷凝段 所产生的压降很小。我们知道，饱和蒸汽的压力与饱和温度是一一对应的，所以温降亦 很小，可见热管具有很好的等温性。 ( 3 ) 热流密度可变性热管通过改变蒸发段或冷却段的受热面积，来改变热流 密度，即以较小的面积输入热量，以较大的冷却面积输出热量，或者也可以以增大输入 热量的面积，减小输出热量的面积，以改变热流密度。 ( 4 ) 热流方向可逆性针对于吸液芯热管，由于其内部循环动力是毛细力，水 平放置时也可以工作，因此可任选一端加热作为蒸发段，在另一端冷却作为冷凝段。这 1 3 第2 章热管技术及其应用 样的双向传热特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也可用于加热冷却交 换进