（制冷及低温工程专业论文）重力式热管吸附床结构及传热特性研究.pdf

a thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering heating process characteristics of adsorption bed using gravity heat pipe and structure research candidate : dong yuanyuan major : refrigeration gravity heat pipe; adsorption bed; heat transfer performance 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目 录 摘 要 . i abstract . ii 1 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 . (1) 1.2 吸附制冷的机理及氯化钙-氨吸附工质对的特性 . (1) 1.3 余热驱动吸附制冷技术的研究现状 . (4) 1.4 本文主要的研究内容 . (7) 2 热管的结构参数确定及其在吸附床中的应用 2.1 重力式热管的工作特性 . (9) 2.2 重力式热管的传热极限校核 . (10) 2.3 工作介质及壳体材料的选择 . (12) 2.4 热管的管径及壁厚的选择 . (13) 2.5 热管在现有吸附床结构上应用 . (15) 2.6 本章小结 . (15) 3 柴油机尾气制冰的重力式热管吸附床的结构分析与研究 3.1 现有吸附床的结构类型及存在的问题 . (17) 3.2 重力式热管吸附床的结构分析与研究 . (19) 3.3 重力式热管吸附床传热过程的分析 . (22) 3.4 与现有壳管式吸附床对比分析 . (34) 3.5 本章小结 . (38) 4 重力式热管吸附床数值模拟及传热性能分析 4.1 重力式热管吸附床模型的建立 . (39) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 4.2 重力式热管吸附床稳态传热数值模拟 . (40) 4.3 翅片高度变化对吸附剂温度场的影响 . (48) 4.4 翅片间距变化对吸附剂温度场的影响 . (49) 4.5 本章小结 . (50) 5 结论与展望 5.1 结论 . (51) 5.2 展望 . (52) 致 谢 . (53) 参考文献 . (54) 附录一 攻读学位期间发表论文情况 . (57) 附录二 攻读学位期间参与项目情况 . (57) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 1 - 1 绪 论 1.1 课题研究的背景及意义 能源短缺、温室效应和臭氧层破坏已经成为全世界共同关注问题。1987 年的蒙 特利尔议定书和 1992 年的哥本哈根修订案在控制可破坏臭氧物质的问题上达成 协议，逐步禁止氟氯烃等的生产和使用，这使得氯氟烃和氢氯氟烃制冷介质的替代问 题日趋紧迫。 传统压缩式制冷主要采用氯氟烃为制冷剂，电能驱动，这种系统设备紧凑，制冷 效率很高，技术成熟，但这种制冷方式要求外界不断的提供能量，其所消耗的是高品 位的电能，而且氯氟烃类物质排放至大气后会造成臭氧层破坏，还会增强温室效应。 于是，国内外学术人士积极推进和研发其它制冷技术，吸附制冷1、热电制冷、热声制 冷、磁制冷、电化学制冷、脉冲管制冷等新技术逐渐发展起来。其中吸附式制冷技术 凭借其节能、环保两大优点脱颖而出，从节能方面讲，吸附制冷技术是一种低品位热 能驱动绿色制冷技术，例如船用吸附制冷主要采用柴油机尾气作为热源，通过利用柴 油机的余热废热实现能源的二次利用；从环保方面讲，吸附制冷采用自然工质作为制 冷剂，例如氨、甲醇、水等，其温室效应系数(gwp)和臭氧层破坏系数(odp)均为零2， 对环境危害很小。吸附制冷技术符合当前“节能环保”的要求。 吸附制冷系统的关键部件是吸附床，由于吸附剂的传热系数比较低，吸附床传热 传质性能差，导致吸附制冷的循环时间比较长，制冷机组尺寸较大。吸附床传热特性 研究一直是吸附制冷研究的焦点3， 本文采用高效重力式热管作为吸附床的主要传热部 件，设计了一套重力式热管式吸附床，以柴油机尾气作为热源，冷却水作为冷源，在 不外加热源的情况下为渔船提供冰量。equation chapter 1 section 1 1.2 吸附制冷的机理及氯化钙-氨吸附工质对的特性 （1）吸附制冷的机理 利用吸附剂对制冷剂的吸附作用使得制冷剂蒸发而产生制冷效应即为吸附制冷的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 2 - 机理1， 吸附分为物理吸附和化学吸附， 物理吸附是依靠分子间的范德瓦尔斯力的作用 使得气体分子向吸附剂靠近，在吸附势场的作用下进行压缩，在吸附剂内形成液体， 完成吸附过程。化学吸附是吸附剂与吸附质相互接触时发生化学反应，在吸附剂与制 冷剂之间形成化学键，由于化学键的存在，化学吸附要比物理吸附具有更高的解吸温 度。 吸附制冷通常包括两个阶段：冷却吸附和加热解吸，冷却吸附又称蒸发制冷，通 过冷却水或空气将吸附床冷却，从而完成吸附剂对制冷剂的吸附；加热解吸又称冷凝 排热，吸附完成后，利用太阳能或余热等低品位热能加热吸附床，完成吸附剂的再生。 在吸附制冷系统中，主要有吸附床、冷凝器、蒸发器和膨胀阀四个部件。 1 x 2 x a b c d e t c t e p c p 1 t lnp 图 1- 1 吸附制冷循环 吸附制冷系统的循环如图 1- 1 和图 1- 2 所示：b 到 c 吸附床处于解吸状态，d 到 a 是吸附状态。解吸过程结束时，也就是 c 点吸附床处于高温高压状态，冷却水和空气 2323 88caclnhcaclnh 蒸发器 冷凝器 发生器 柴油机尾气 冷却介质 3 nhg 图 1- 2 吸附制冷系统示意图 开始冷却吸附床，吸附床的温度和压力不断降低，吸附剂逐渐恢复吸附能力，当吸附 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 3 - 床压力 pc下降到蒸发温度所对应的饱和压力 pe时，蒸发器内的制冷剂液体开始沸腾， 变成制冷剂蒸汽，从而被吸附剂吸附，图 1- 1 中的 d 点开始吸附，形成相对稳定的吸 附剂的络合物；吸附过程结束后，吸附床处于低温低压状态，此时工业余热或太阳能 加热吸附床，温度和压力都不断的升高，当吸附剂吸收的热量能够破坏其络合物之间 的化学键时，制冷剂从吸附剂的络合物中挣脱出来，吸附床从 b 点开始脱附，吸附床 中的压力逐渐升高，当其压力升高到冷凝压力 pc时，制冷剂依靠压力差进入冷凝器被 冷却介质冷凝成高压的液体，经过膨胀阀，进入蒸发器中为下一次的吸附做准备。 （2）氯化钙-氨吸附工质对的特性 目前吸附工质对有很多，由于氯化钙对氨的吸附量大，1mol 氯化钙最多可以吸收 8mol 氨，吸附和解吸时间少、速度快，而且氯化钙价格便宜，所以本文选择氯化钙- 氨作为重力热管吸附床的吸附工质对。氯化钙吸附氨的反应机理如下4： 1 1 231233 844 p t caclnhqcaclnhnh (1-1) 2 2 232233 422 p t caclnhqcaclnhnh (1-2) 3 3 233233 2 p t caclnhqcaclnhnh (1-3) 1.nh3 2.cacl28nh3 3.cacl24nh3 图 1- 3 氯化钙和氨的反应平衡图4 如图 1- 3 是氯化钙和氨气的反应压力和温度的平衡关系，1 为氨的特性曲线，2 和 3 分别为氯化钙与氨的络合物特性曲线，当冷凝压力为 12.5bar 时，公式(1-1)和(1-2)的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 4 - 正反应温度 t1和 t2分别为 89和 100；当蒸发压力为 3bar 时，t1和 t2分别为 53 和 62时，公式(1-1)和(1-2)的逆反应进行。式(1-3)的逆反应很容易进行，所以 1mol 氯化钙可以吸收 8mol 氨，但是其正反应温度太高,超过发生器内部的温度, cacl22nh3 中的 nh3很难再脱附，所以用于循环制冷的只有 6mol 氨气5，公式(1-1)和(1-2)向正方 向进行时所需的脱附热 q1、q2分别为 2200 kj/kg(nh3)、2300 kj/kg (nh3)左右6，本文 中这部分的热量由柴油机的尾气提供。吸附剂要吸收 nh3吸附床的温度要变低，解吸 过程结束后通过冷却水冷却吸附床使其达到吸附温度，由此可见单吸附床的制冷循环 是不连续的，而且吸附剂解吸所需的时间要比吸附少得多，为了保证整个系统的连续 性，根据制冷深度的要求，本文采用四个发生器连续运行，一床解吸的同时其他三个 吸附床吸附。 1.3 余热驱动吸附制冷技术的研究现状 目前，船用柴油机的热效率一般在 30%40%，燃料燃烧约一半以上的热量都被 柴油机冷却水和排气带走，柴油机冷却水的温度约为 6085，所带走的热量占燃料 燃烧总热量的 25%，柴油机尾气所带走的热量占总热量的 35%7，而且柴油机尾气的 温度很高，如果回收这部分余热，不仅可以提高主机热效率，而且渔船的运行成本也 会降低。 这部分余热的主要用途有：1）通过增设热管式锅炉对柴油机产生的余热进行二次 利用，产生蒸汽和热水供船舶上使用8。2）将柴油机余热通过径流涡轮和高效率的涡 轮增压器，提供其足够压力和充分的废热量，经过余热回收器的充分换热产生蒸汽， 带动涡轮发电装置产生电力，供船舶使用9, 10。3）船舶余热用于海水的淡化，利用余 热提供热源在废热式蒸馏装置中将海水蒸发汽化，进而将盐分和水进行分离，形成符 合人们生活和工业应用的淡水11-13。4）船舶余热用于处理压载水，防止有害生物对海 水污染和对生物群的入侵14，从费用和火用损失方面考虑，利用柴油机余热加热处理 压载水的方法具有明显的优越性15。5）采用船用主机冷却水热损失来加热日用油柜的 燃油，燃油吸收冷却水的热量进行预热,这样加热主机日用油的蒸汽耗量就会减少，从 而减少船舶的运行成本8。6）利用柴油机排烟余热作为驱动热源的吸收式制冷机16, 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 5 - 和吸收式制冰机18, 19，船舶正常运行时，整机制冰只需利用柴油机余热的 30%左右， 其效率就能满足正常的制冰需要。7）采用吸附制冷技术，利用尾气低品位热作为驱动 热源，实现船用吸附制冰和空调系统的运行20-22。吸附制冷相比吸收制冷，适用热源 的温区范围较大，不需要溶液泵和精馏装置，无制冷剂污染、对金属的腐蚀和盐溶液 结晶等问题，应用范围更加广阔。 沿海地区的小型渔船须带冰出海，一艘 100t 渔船购置冰块的费用一年约需人民币 五万十万元23。湖南大学机械与汽车工程学院李晓敏,李定宇等4研制出 dy 渔船柴 油机尾气制冰机样机，阐述了其结构和工作原理并对该样机的测试结果进行了研究和 分析，验证了尾气制冰在渔船上的可行性。上海交通大学王树刚，王如竹等24在研究 了吸附式冷冻水系统和吸附式制冰系统中利用尾气进行实验后证明了渔船上吸附式制 冰系统的可行性25和良好的开发价值。据统计柴油机功率大于 100 马力的小型渔船占 70%，可见吸附制冷有很大的市场。 湖南云鹤定宇制冷科技有限公司李定宇23研发出吸附式渔船柴油机尾气制冰机， 该制冰机以氯化钙和氨为吸附工质对，热源为渔船柴油机排出的尾气，通过三组吸附 床的自动切换，实现连续制冷。通过国家权威部门的检测，对于柴油机功率为 150 马 力的渔船使用该制冰机，可得到制冰量为 30kg/h，所增加的油耗仅为 1.4%。 王丽伟等21设计了一台发动机余热驱动的吸附式制冰系统，以船舶用 6160a 型柴 油机尾气作为热源,将块状和散装活性炭的吸附特性进行对比，在吸附床设计中,充分考 虑了传质通道的影响,并对吸附床工作性能进行了预测。 西安交通大学朱瑞琪等26, 27计了一套用于渔船水生物保鲜的吸附制冷系统，以沸 石 13x-h2o 为吸附工质对，柴油机尾气作为驱动热源，通过实验的方法测得吸附单元 管的吸附动态特性曲线，并研制出了中型吸附制冷机组，对其经济性能做出了评价， 为该系统进一步的研究提供了可靠依据。 上海交通大学陈传涓，王如竹等28针对中小型渔船带冰出海作业费用高这个问题 研制出一种以渔船柴油机发动机尾气作为驱动热源的吸附制冰机。以复合吸附剂 （cacl2和活性炭）和氨作为工质对，采用回热回质循环，并利用复合交变分离热管的 原理，建立了小型渔船吸附制冰机的实验装置。与国内外研究的制冰机性能做了比较， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 6 - 结果表明，在制冰工况下,单位质量的吸附剂的制冷功率(scp)约为 281.9712.8 w/kg, 比目前国内外的研究成果提高了 1.43.5 倍。 山东大学周东雷等29为满足渔船保鲜要求，采用渔船尾气作为热源研发了一套吸 附制冰设备。采用两床连续运行，在吸附单元管的设计中首次采用内外翅片提高换热 效率以及专门的柴油机尾气换向装置，建立了陆地试验台，对吸附单元管吸附、脱附 性能进行试验研究，实现了渔船上尾气吸附制冷设备机组的安装运用。 湖南大学齐朝晖等30从循环方式的角度进行研究，采用三效冷环循环方式，三床 连续运行冷量输出稳定，运行可靠性较高且易控制，对所研发的渔船柴油机尾气制冰 样机进行了系统测试,结果表明基本满足近海渔船保鲜的用冰需求。 董景明等31研究了船用吸附式空调系统，并在实体船上进行了设计应用，依靠解 吸和吸附自动切换实现了系统的连续运行，对将吸附式制冷技术应用在船舶空调上的 可行性进行了研究和探讨。 suzuki32设计了一套用于小轿车空调的吸附制冷系统，以轿车的排热量作为系统 的热源，沸石分子筛-水作为吸附工质对，从改善吸附床结构上本着提高绩效目标进行 了探讨。武汉云鹤定宇制冷科技有限公司研发了小型汽车空调吸附制冷系统，并实现 了样机的试用。 大连海事大学曹晨33设计了一套经过简化的热管式吸附床，不仅改善了吸附床的 传热，而且避免了冷热流体流经吸附床引起的吸附床的腐蚀，提高了床体的可靠性， 通过理论计算和 matlab 软件的数值模拟设计了一套适合小型船舶吸附制冷系统的分离 式热管的尺寸参数。 工程学院黄南发等34提出了一种以柴油机余热为驱动热源的吸附式制冷机，采用 cacl2-nh3作为吸附工质对，并分析了其特性，阐述了余热吸附制冷机在渔船冷藏技术 上的应用和经济上可行性的分析。 大连海事大学于可真、潘新祥等35采用重力式热管改善吸附床的传热，设计了旋 转式吸附床制冷的实验系统，确定了旋转式吸附床所用重力式热管的最佳倾角 40， 并模拟了船舶的运行环境，具体确定了卧式壳管冷凝器、沉浸式直立管式蒸发器相应 的利用面积和吸附床的结构尺寸，完成了系统的布置。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 7 - 大连海事大学谷杰然等36针对吸附床传热性能差的问题，提出了用高效传热元件 热管强化吸附床的传热，根据实体船的运行参数自行设计了一套热管吸附床，并计算 得出与之匹配的冷凝器，蒸发器，管路等制冷系统的部件。还对吸附床内部的温度分 布进行模拟，得出其传热性能，分析了各种参数对吸附床性能的影响。 上海交通大学王丽伟等37采用新型的复合吸附剂（cacl2和活性炭的混合物）和氨 作为吸附工质对，研究了热管吸附床用于渔船制冰，该吸附床解决了海水与铜和钢不 相容的问题，并通过试验证明在蒸发温度为-10，循环时间为 10min 时热管能够满足 吸附床的用热需求。 湖南云鹤定宇制冷科技有限公司对吸附制冷的探索和研究有近 20 多年的历史，采 用化学吸附剂金属卤化物和氨作为吸附工质对，多层翅片的壳管式吸附床结构，针对 不同的制冷深度采用多个发生器切换实现吸附制冷系统的连续运行。其中利用烟气为 热源的海水制冰机，4 个发生器系统，实现了连续制冷且制冷深度可达-25-30，并 申请了专利38。由于高温烟气与吸附床的换热效果差，解吸时间长是整个吸附制冷系 统的限制因素，本文将热管应用在现有的壳管式吸附床结构上，以期缩短切换时间。 1.4 本文主要的研究内容 吸附式制冷技术是一种利用工业废气（包括蒸汽） 、柴油机尾气或者太阳能等低品 位热能进行制冷的跨世纪制冷技术39，吸附制冷目前的主要问题是较小的制冷量和较 低的制冷系数，吸附制冷系统的吸附床相当于蒸汽压缩制冷循环中的压缩机，其传热 的好坏直接决定了吸附制冷循环效率的优劣，由于吸附剂的导热系数很低，吸附床的 传热传质性能差，致使吸附床体积庞大，功率很低。本文针对壳管式吸附床烟气利用 率低、切换时间长等问题，提出了用高效的重力式热管作为吸附床的主要传热部件， 设计了一种重力式热管吸附床，用来改善吸附床的传热性能。重力式热管吸附床避免 了冷、热源对床体直接接触所引起的腐蚀40，降低了床体对材质的要求。 本文具体研究内容为： （1）总结热管应用在现有吸附床结构中的各种型式，分析重力式热管作为高效传热部 件的原理、工作特性及传热极限，选择合适的重力式热管来强化吸附床的传热； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 8 - （2）给定制冰量和实体船柴油机尾气流量，采用重力式热管设计吸附床的结构，并对 吸附床的设计参数进行校核，分析重力式热管吸附床的传热过程，并根据其传热 能力对其加热过渡时间进行计算，与所给定切换时间作对比分析； （3）将同样的制冰量、尾气流量和切换过渡时间下的壳管式吸附床的烟气利用率和切 换时间与重力式热管吸附床作对比，体现重力式热管的优越性； （4）建立重力式热管吸附床传热单元管数学模型，采用有限差分法对传热方程进行求 解，得到重力式热管吸附床传热单管内部二维稳态的温度场。分析吸附单元管中 吸附剂沿翅片高度及翅片间距方向的温度变化以及解吸状态下的解析能力； （5）改变重力式热管翅片的高度和翅片间距，选择计算区域的轴向中截面吸附剂进行 研究，分析当翅片高度和翅片间距分别改变时对传热单管温度分布及解吸时解吸 能力的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 9 - 2 热管的结构参数确定及其在吸附床中的应用 2.1 重力式热管的工作特性 热管的定义为：容器的液体在加热段（蒸发段）吸收热源的热量变成蒸汽，依靠 压力作用携带潜热传输至冷却段（冷凝段） ，对冷源进行放热而凝结，凝结液不需要外 加动力的作用，依靠毛细吸力，或者重力、离心力、电渗透压力、极化电流体动力学 力等作用力，使得液体回流至加热段，如此循环，从而实现热量的传递或维持温度稳 定的部件。equation chapter 2 section 1 （1）重力式热管工作原理 重力式热管又称两相闭式热虹吸管，它依靠重力回流工作液体，其壳体内部无吸 液芯，其工作原理如图 2- 1 所示。提供冷凝液回流的是重力，所以重力式热管具有方 向性，其蒸发段置于冷凝段的下方，绝热段在中间，重力热管的工作介质积蓄在热管 的底部。热源在蒸发段将热量通过管壁传到气液分界面上，液态工质吸收热量在气液 界面上蒸发，蒸汽携带汽化潜热向上流动，经过绝热段后，在凝结段的气液界面上冷 凝变成液体，冷凝热通过管壳传给冷源，凝结液在自身重力作用下回流到下半部蒸发 段为下一个循环做准备。借助于工质不断的循环，将热量从热源自下而上的传递给冷 源。 液膜 蒸气 蒸发段绝热段冷凝段 图 2- 1 重力式热管原理图 重力式热管可以垂直放置，也可以倾斜放置，所以和普通热管相比，重力回液比 较可靠。无吸液芯，结构简单，制造时比较方便，而且成本很低，重力式热管因性能 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 10 - 良好而被应用到各种传热部件中，例如余热回收、电子设备的冷却、冻土层的稳定等 方面的应用前景都很广阔。 （2）重力式热管的组成 重力式热管是由管壳和工质组成，在管内抽真空充入适量的液体工质。 1）管壳（外壳容器） 热管在制作时壳内要预先建立很高的真空，所以热管的外壳是一个能够承压的密 封容器，对于形状没有特殊的限制，圆管的承压能力最强，故一般热管都做成圆形。 热管中的真空度约为 1.3（10-110-4）pa41，这就要求热管管壳上的每一条焊缝都要 经过高真空检漏的严格考验。供抽真空、充注工作液体和封口之用的壳体一端的细管， 最后封口要保证符合永久性的密封要求。 2）工质（工作液体） 工质在热管工作时依靠其相变完成热管内部的工作循环。壳体内的工作介质是汽 液两相共存，汽态工质充满整个壳体内腔，液态工质位于热管底部。热管中工质的选 用要考虑工质与管壁的相容性和热管运行时蒸汽的温度范围，还要根据工质热流的相 关热力学来选择工质的种类和充液量36。热管性能受管内充液量的影响。一般来说， 充液量一般为热管总长度的 30%-40%42。 （3）热管是依靠内部工质的相变来实现传热的部件，具有以下五点基本特性： a.高导热性；b.优良的等温性；c.热流密度的可变性；d.热流方向可逆性；e.环境适应性。 2.2 重力式热管的传热极限校核 重力式热管的传热能力虽然强，但是对热负荷也有限制，热管传热存在一系列的 传热极限，这些传热极限与热管形状、尺寸、工作介质、工作温度等参数有关，重力 式热管的传热极限主要有沸腾极限、携带极限和声速极限，这三种极限中的最小值即 为该重力式热管在工作温度下的传热极限值。 本文所选用的柴油机的尾气最大可利用热量为 62.16kw，温度最高为 400，单根 热管的最大功率不超过1kw,根据第三章的计算， 重力式热管的工作温度不超过200， 所以在吸附床的运行工况下，重力式热管不会失效。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 11 - （1）沸腾极限43：当重力式热管的汽化段的热流密度达到某一数值时，单个气泡 彼此相连合体，在蒸发段的壁面上形成一层气膜，产生膜态沸腾，气膜将液体和壁面 阻隔，传热急剧恶化，输入的热量使壁温迅速升高，甚至表面会烧毁。保证热管加热 段正常进行的最大径向热流密度，即为沸腾极限。常采用大容积沸腾下的临界热流密 度进行计算， 1 4 1 2 e,maxfgvlv 0.14qhg (2-1) 式(2-1)中：汽液界面的表面张力，n/m； l 饱和液体的密度，kg/m3； v 饱和气体的密度，kg/m3； hfg 汽化潜热，kj/kg。 本文选用的重力式热管的直径为 25mm，热管的工作温度为 150，可以求得沸腾 极限对应的热流密度为 qe,max=4.8105 w/m2，实际的热流密度按烟气最大可利用的热 量为 2.1103 w/m2，所以不会达到沸腾极限。 （2） 携带极限： 当重力式热管的直径较小长度较长时， 汽液界面的剪切力就很大， 当传热功率增大到一定程度时，剪切力也随之增大，以致造成从下降液膜中分离出来 的液滴被蒸汽携带至凝结段端部，从而破坏液膜的正常回流，回液不能满足加热段的 需要而导致干涸， 其对应的传输功率称为携带极限。 当重力式热管的传热功率超过 3 4kw，需要校核携带极限，本文中的重力式热管的传热功率约为 1kw ，所以不用校核 此极限。 （3）声速极限：在重力式热管刚启动时，蒸汽密度较小，从端点到汽化段的出口， 蒸汽的速度逐渐变大，加热段的出口速度达到最大值，如果蒸汽速度达到声速，流量 就会达到最大，此时重力式热管单位时间的传热量即为其声速极限。对于水蒸气来说， 蒸汽的声速极限为： svfgvv 0.534qa hp (2-2) 式(2-2)中：av 重力热管的截面积，m2； pv 在重力式热管汽化端处工质的工作压力，n/m2； v汽化端处饱和水蒸汽的密度，kg/m3； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 12 - s q热管达到声速极限时对应的蒸汽热流量，kw。 当热管内工质的温度较低时，可能碰到声速极限，蒸汽密度小或是比容大，热管 传输功率不大时蒸汽就会达到声速。工质为水蒸汽最低的工作温度为 50，本文所选 的重力式热管达到声速极限的 qs值为 20kw，远大于实际蒸汽热流量，热管不会出现 声速极限。 本文所设计的重力式热管吸附床的单元管采用了特殊的密封，氯化钙-氨吸附剂是 不与外界空气接触的，吸附剂不用再生。 2.3 工作介质及壳体材料的选择 （1）工作介质的选择 热管是依靠工作介质的相变来传递热量的，热管的工作特性与内部工作介质的物 理性质有很大的关系，工作介质的选择一般应考虑以下一些原则： , 图 2- 2 工作液体的熔点、沸点、临界点的温度范围41 1）工作介质具有高导热系数和高传热能力； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 13 - 2）工作介质在工作时应适应热管的温区，并有适中的饱和蒸气压； 3）工作液体与壳体应能长期相容，并具有很好的润湿性能，化学组成稳定，不发 生分解； 4）环境污染、毒性等。 热管的工作温度指热管内部液体的蒸汽温度，工作液体的熔点应低于热管的工作 温度，在指定的设计条件下，热管的工作温度由冷热源的温度和换热条件确定，从图 2- 2 可以看出常用工作液体的熔点、沸点、临界点的温度范围。在一定范围内可能有 几种工质同时可以使用，这就要从压力范围、价格、热稳定性等方面进行衡量选择。 根据热管的工作温度把热管划分为低温、中温和高温热管。本文中热管的工作温 度约为 150左右，热管的工作范围属于中温区，从图 2- 2 可以看出适合这个温度工 质有很多，水、汞、导热姆-a 等。由于水廉价易得，本文选择水作为工作介质。 实际上工质工作的合适温度要比图 2- 2 要小得多。 因为热管工质要有合适的压力， 从管壳的强度考虑的，压力高时壳体的厚度就会变大，这既不经济也不安全。以水为 例，管内蒸汽压力太低太高都不行，蒸汽压力太低，会使管内残留不凝性气体比例变 大，致使冷凝段的传热性能变差，250时，管内的蒸汽压力 40 个大气压，一般认为 这是水工质应用的上限。所以实际上水的工作温区为 50-250，本文热管的工作温度 在水的工作温区内，选择水作为工质是合适的。 （2）壳体材料的选择 水与铜相容性最好，但是吸附剂 nh3与铜不相容，所以铜不能作为壳体材料。碳 钢-水热管是目前研究最多的，碳钢比较便宜，该类热管的技术在一定程度上已成熟， 本文采用内层为铜而外层为碳钢的钢铜复合管，同时它具有较高的强度。碳钢-水热管 管内的工作液体饱和蒸汽温度达到 280时，其对应的饱和蒸汽压力是 64.2105pa， 为安全起见，一般碳钢-水热管管内的蒸汽温度不希望超过 24044。该热管内蒸汽的 温度在 150左右，在水的工作范围之内，所以选择碳钢作为壳体材料是合适的。 2.4 热管的管径及壁厚的选择 （1）热管管径的选择 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 14 - 蒸汽在热管内流动时，在一定的轴向热流量下，管径的大小直接影响蒸汽的速度， 可压缩流体与不可压缩流体可通过马赫数来判定， 当马赫数超过 0.2 时， 热管轴向温度 梯度比较大，温度变化不可忽略。 单根热管设计的最大轴向热流量qmax约为1kw， 水蒸气的物理参数如表2- 1所示， 根据马赫数小于 0.2 的要求，即可由下式得出管径尺寸： 12 max v vfgvvv 20q d hr t (2-3) 只有当热管管径小于 1.58610-3m，才会出现声速极限，所以选用热管直径为 25mm，符合热管正常工作的要求。 表 2- 1 水蒸气的物理参数表41 物理参数 参数值 蒸汽温度 tv 423.15 k 蒸汽密度 v 2.545 kg/m3 蒸汽导热系数 v 0.0297 w/(mk) 汽化潜热 hfg 2114.1 kj/kg 定压比热容与定容比热容之比 v 1.135 液体导热系数l 0.684 w/(mk) 蒸汽气体常数 rv 461 j/(kgk) 表面张力系数 0.04866 n/m （2）热管壁厚的确定 热管相当于一个小型的压力容器，热管管壳的厚度由其承受的压力决定，管壳承 受的最大压力值为45 i 2s p ds (2-4) 式(2-4)中： p 管内的工作压力，n/cm2； di 热管内径，mm； 管材的许用应力，n/mm2； s 强度计算时管壁壁厚，mm。 热管不工作时，除低温热管外一般都处于负压状态，外界环境为大气压。热管壁 厚的设计主要基于强度方面的考虑。按照我国管材的规定(gb150-1998)，直径为 25mm 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 15 - 的标准管材的壁厚为 22.5mm。选择壁厚为 2mm。的最小值取 75mpa45，代入式 (2-6)可得壳体的最大允许压力值,12.712106pa。水在 150是的饱和压力为 4.757 105pa，热管中的工质始终处于汽液两相状态，所以 2mm 壁厚可以满足要求。 2.5 热管在现有吸附床结构上应用 吸附制冷技术作为一种替代传统蒸发式压缩制冷的新型制冷技术，其最大的限制 因素就是效率较低，由于热管的导热能力是优良金属导体的 103104倍46，而且热管 在余热回收中的应用越来越广泛，为了提高吸附床的传热效率，越来越多的研究转向 用热管改善吸附床的传热。 北京航空航天大学杨锋等47在板式吸附床上采用高效的热管作为内翅片，建立合 理的数学模型，采用有限差分法进行求解，结果表明以热管作为吸附床的传热扩展面， 加快了吸附床的吸附和脱附的速率，改善了吸附床传热传质性能。 上海交通大学王如竹48课题组致力于这方面的研究，并取得了一定的成效。基于 分离式热管的高效可靠性吸附制冷机的研究，采用双发生器吸附制冷系统，实现吸附 制冷的连续运行，并申请了专利49。用实验证明热管应用在吸附床制冰系统上的高效 性。 大连海事大学也在这方面进行了一系列的研究，曹晨等33设计了分离式热管吸附 床，并对其传热过程进行分析，利用 matlab 对吸附床的体积和散热面积进行优化， 选定了一个最优的设计参数；谷杰然等36设计了采用传统的吸液芯热管作为传热部件 的吸附床，并模拟了各种参数对吸附床传热性能和温度场的影响；于可真等35根据重 力式热管的工作条件设计了旋转吸附床，分析吸附床工作时热管的倾斜角度对吸附床 传热特性的影响，并对吸附床中热管的倾斜角度进行了优化。 用热管改善吸附床的传热传质是可行的，热管的高效传热对于吸附制冷中吸附床 的传热来说无疑是个突破性的进展。 2.6 本章小结 本章介绍了重力式热管的工作原理、特性和各种传热极限，针对吸附床的工作环 境选择对了重力式热管各种参数，包括工作介质、壳体材料、管径和壁厚。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 16 - （1）本文根据重力式热管的工作温度和使用环境选择碳钢-水作为热管的工作介质和 壳体材料，考虑到吸附床的体积和热管的传热能力选择直径为 25mm，壁厚为 2mm 的热管，并对其壁厚进行了校核； （2）为了保证热管的安全工作，对重力式热管的沸腾极限、携带极限和声速极限进行 了校核； （3）总结了目前热管应用在吸附床上的各种型式。证明了热管改善吸附床传热性能的 可行性，为下一章重力式热管吸附床结构的设计提供了理论基础。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 17 - 3 柴油机尾气制冰的重力式热管吸附床的结构分析与研究 在制冷相同的制冷深度下，以柴油机尾气为热源的四个吸附床连续运行的吸附制 冷系统，其一床解吸的氨量要少于其他三个吸附床同时运行下的吸附氨量，所以其加 热工况是整个系统性能的限制因素，本章针对热源利用率的问题对吸附床结构进行改 善，设计了一种对尾气高效利用的吸附床结构重力式热管吸附床，并以解吸过程 为例对其进行研究。equation chapter 3 section 1 3.1 现有吸附床的结构类型及存在的问题 3.1.1 现有吸附床结构类型 吸附工质对的解吸和吸附要靠吸附床来实现，所以吸附床结构的设计对吸附剂本 身性能的发挥有很大的作用，现有的较常用的吸附床结构型式主要有翅片管式，平板 式及螺旋板式。 （1）翅片管式吸附床是最简单的结构型式，如图 3- 1 所示它是由大量的薄翅片和 蛇形管组成，这种吸附床翅片与吸附剂之间的接触换热系数比较低，吸附面积较小， 增大吸附面积就会增加吸附床的显热，这对吸附制冷循环的 cop 和制冷功率都是不利 的。 接冷凝器 接蒸发器 流体出口流体进口 盘管 翅片 壳体 图 3- 1 翅片管式吸附床 （2）平板式吸附床主要由金属板弯成矩形，如图 3- 2 所示，由金属板隔开，吸附 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 18 - 剂与流体交替排开，吸附剂和冷热流体通过压力作用与金属壁紧密接触，有效地减少 了接触热阻，平板式吸附剂具有很大的换热面积，系统的运行周期短，但是吸附床填 装吸附剂较困难，成本高。 冷热流体通道 金属平板 吸附剂 图 3- 2 平板式吸附床结构 （3）螺旋板式吸附床有两个独立的螺旋形空间，如图 3 - 3 所示，分别为吸附剂 空间和换热流体空间。吸附床结构紧凑，其体积的增大不会随吸附剂容量增大而大幅 度增大，因为直径和换热面积增大的比例不同，床体内温度分布比较均匀，传热温差 小，传热效率高，但是由于板材要卷制，不宜太厚，所以该种吸附床的承压能力小。 流体进口 流体出口 螺旋板换热面 蒸汽出口 流体通道 吸附剂 定距稍 图 3- 3 螺旋板式吸附床结构 3.1.2 现有吸附床存在的问题 吸附床的传热传质问题一直是吸附制冷研究的重点，设计吸附床都要考虑的因素 有： （1）吸附床的传热性能要好，使得冷流体的冷量和热流体的热量能够快速的传递 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 19 - 给吸附剂，克服吸附剂低导热系数的影响，及时带有解吸热和补充吸附热，保证吸附 床安全高效运行； （2）传质迅速，吸附剂不断的进行吸附，吸附床与蒸发器间就要存 在压力差，这就要求吸附质扩散通道畅通，吸附剂不断地汽化进入吸附床，才能得到 充分利用； （3）吸附床内所有壳体、冷热流体本身以及吸附剂的显热在吸附床中是不 可避免。强化吸附床的传热，一般在吸附床内添加翅片或者增强吸附剂的导热系数， 前者会增加吸附床的显热，后者所用的方法会阻塞制冷剂通道和减少吸附剂的装填量， 从而降低吸附床的传质；相反为提高吸附床传质性能，吸附剂之间的孔隙就会变大， 这又会减弱热传递。以上三个因素是相互矛盾的，设计吸附床时要协调好这三个因素 对吸附床的影响。 3.2 重力式热管吸附床的结构分析与研究 热管的管径越大，单管的热传输能力和传热极限值越高，在相同壁厚的条件下强 度越低。常用的热管外径及壁厚为：25mm（22.5）mm，32mm（2.53） mm，38mm（33.5）mm，42mm（3.54）mm，51mm（44.5）mm 等。 3.2.1 柴油机尾气流量及热量 （1）柴油机主要技术参数 表 3- 1 柴油机主要技术参数 柴油机技术参数 参数值 型号 wd615.67c 额定功率 125 kw 额定转速 1600 r/min 油耗率 198 g/(kwh) 排烟温度 400c 本文选用型号 wd615.67c 的柴油机， 其技术参数如表 3- 1 所示柴油机中的柴油在 燃烧的时候需要供应氧气，氧气在空气中占 21%，需要供应大量的空气才能满足氧气 供应的要求，因此燃烧的尾气中除了燃烧产物水、二氧化碳、未燃烧的油滴外还有大 量的空气，所以可以用热空气的物理特性代替尾气的物理特性。发动机尾气流量为： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 - 20 - mee0 1qn glj (3-1) 式(3-1)中：qm发动机运行功率，kw； ge 发动机额定工况下的油耗比，g/(kwh)； l0燃烧 1kg 油所需理论空气量，取 14.6kg50； 过量空气系数，取 2.2； j 扫气系数（1.42.0） 。 发动机正常运行时达不到额定功率， 一般是额定功率的 70%80%， 所以尾气流量： mm 0.75qq (3-2) （2）发动机尾气最大可利用热量 mp0 qq ctt (3-3) 其中：cp 尾气的定压比热容， kj/(kgk)； t 排气温度，； t0 尾气利用后的温度，。 由于燃料中的杂质硫化物在燃烧过程生成二氧化硫 so2、so3，三氧化硫与烟气中 的水蒸气结合生成硫酸（h2so4） 。烟气中含有硫酸气体，其露点温度迅速升高，当热 管管壁的温度低于露点温度时，烟气中的硫酸蒸汽就会凝结，对热管管壁产生严重腐 蚀，考虑到露点腐蚀问题,最终排出烟气温度不应低于 180。为安全起见，取 200。 柴油机的发动机尾气的出口温度为 400，根据文献56附录 9 查得大气压力下 400烟气的定压比热容为 1.151 kj/(kgk)，发动机最多可利用的热量为 62.16kw。 3.2.2 单元管壁厚的校核及传质通道的确定 （1）传质通道大小的校核 根据工程上规定的氨气流速为 12m/s，按氨气的流速为 v=2m/s 计算，传质通道 的直径为 d=10mm，一个单元管有两个直径相同的传质通道，则单元管中氨气的体 积流