（热能工程专业论文）复杂热管系统工作性能的实验研究.pdf

摘要 复杂热管系统是一种利用气液相变潜热进行低能耗、高密度能量输运的技术， 具有节能、高效、可控等特点。在克服传统分离式热管存在的冷凝器和蒸发器安放 位置受限、蒸发器供液不足及分液不均、远距离复杂管路中驱动力不够和对变工况 的适应性较差等问题上，复杂热管系统优势明显。 首先介绍了能量输运技术在节能减排领域的研究和应用背景，接着综述了国内 外关于单相流体回路、固液相变储能和气液相变输能技术的研究。作为两相流体回 路之一的复杂热管系统，利用溶液循环泵将蒸发段( 器) 和冷凝段( 器) 连接起来， 并且在热管工质大循环的基础上增设液体工质小循环。本课题组结合具体工程实践 搭建了复杂热管系统用于空调冷量回收和能量远距离输运的实验台，并进行了相关 实验研究。实验发现，复杂热管系统在技术上切实可行，并且初步表现出了巨大的 优越性：在冷量回收中启用一组复杂热管系统，消耗1 5 w 的能量，可使制冷量增幅 达到约3 6 ，而压缩机耗功增量甚微；同时，制冷系统除湿量也增加了4 2 。在自 身特性方面，复杂热管系统换热量随充液率的增加首先近似线性增加而后趋于平稳 不变；在启动和运行方面，复杂热管系统对溶液循环泵在较低出力范围内反应敏感， 而运行稳定以后，复杂热管系统的换热能力将不再随驱动装置输出功率的变化而变 化。本文对复杂热管系统的可行性、节能性和高效性进行了计算和验证，为后续的 深入研究提供支持。 关键词：能量输运技术；复杂热管系统；充液率；溶液泵；高效节能 a b s t r a c t h e a tt r a n s f e rv i al i q u i d - v a p o r p h a s ec h a n g eo fw o r k i n gf l u i da n dl o we n e r g y c o n s u m p t i o no fp u m ph a v ee n a b l e dc o m p l i c a t e dh e a tp i p es y s t e m ( c h p s ) p o s s e s sm a n y g o o dq u a l i t i e s ，s u c ha se n e r g y s a v i n g ，h i g h l y - e f f e c t i v ea n dc o n t r o l l a b l e t h ec h p sh a s a p p a r e n ta d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a ls e p a r a t e dh e a tp i p e so np o s i t i o nl i m i t so fh e a t e x c h a n g e r s ，i n s u f f i c i e n ts u p p l yo fw o r k i n gf l u i da n dp o o rf l e x i b i l i t yt ov a r i a b l ew o r k i n g c o n d i t i o n t h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fc h p si si n t r o d u c e da tt h eb e g i n n i n ga n dt h e nv a r i e t yo f e n e r g yt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g i e sh o m ea n da b r o a da r ei n v o l v e di nt h i sp a p e ri n c l u d i n g s i n g l e - p h a s el o o pa n dt w o - p h a s ef l u i dl o o p w o r k i n gf l u i di ne v a p o r a t o r sa n dc o n d e n s e r s o fc h p si sd r i v e nb yp u m pa n ds p e c i a lp a r t sa r ee q u i p e dt oa d das m a l ll i q u i dc y c l et o t h eb i gw o r k i n gf l u i dc y c l e t w oe x p e r i m e n t a ls e t u p sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dt o t e s t i f yc h p s p e r f o r m a n c ei nh e a tr e c o v e r ya n de n e r g yt r a n s p o r t a t i o n i ti sf o u n dt h a to n e c h p sc a ni n c r e a s er e f r i g e r a t i o nc a p a c i t yo fr e f r i g e r a t i n gm a c h i n ew h o s ep o w e ri n p u t a l m o s tn e v e rc h a n g eb y3 6 w i t ho n l y15 w a t t sp u m pc o n s u m p t i o n a tt h es a n l et i m e ， d e h u m i d i f i c a t i o nc a p a c i t yo f r e f r i g e r a t i n gs y s t e mh a si n c r e a s e db y4 2 w i t hi n c r e a s i n g o ft l l e c h a r g er a t i o ，h e a tf l u xo fc h p si n c r e a s e sl i n e a r l ya tf i r s ta n dk e e p sc o n s t a n t a r e r w a r d a st os t a r t u pp r o c e s s ，c h p si ss e n s i t i v et ol o wr a n g ep o w e r o u t p u to fp u m p a n dw i l ln o tc h a n g ew h e np u m pi s r u n n i n gs t e a d i l y r e s e a r c ho nc h p s f e a s i b i l i t y , e n e r g y 。s a v i n gp r o p e r t ya n de f f e c t i v i t yh a sb e e nc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ra n ds u p p o r t sf o r f u r t h e rs t u d yt h u sh a v e b e e np r o v i d e d k e yw o r d s ：e n e r g yt r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g y ；c o m p l i c a t e dh e a tp i p es y s t e m ； c h a r g er a t i o ；s o l u t i o np u m p ：e n e r g ys a v i n g 青岛大学硕士学位论文 0 1 研究背景及意义 引言 0 1 1 研究背景 ( 1 ) 能量输运中的节能 节能减排是我国政府着力推行的一项政策，对缓解和解决能源短缺以及环境污 染起着至关重要的作用。就技术层面上来讲，节能减排是指在能量的生产、使用中， 通过技术革新，减少跑、冒、滴、漏和各种浪费的损失，达到合理、高效利用能量， 进而减少能源消耗和污染物排放的目的l 。在技术节能方面，能量输运环节的节能 是较为重要的组成部分。 能量输运是指实现能量空间位置的转移。在诸多行业中，热能经常需要转移、 输运以满足生产生活的需要。以物料热风干燥和房间空调除湿【2 j 为例，这两类过程 耗能较大且都与热能输运关系密切。两类过程具有相似的空气处理程序：先将空气 降温至露点温度附近使空气中的水分凝结，然后将低温干燥的空气加热至送风温度， 最后送入干燥室或空调房间。整个过程中需要消耗能量的两个环节分别是：空气降 温至露点温度过程中，水分凝结释放大量潜热需要消耗冷量；加热空气至送风温度 时同样需要消耗较多的热能。以前这两个能量消耗过程是相互独立的，重复消耗， 不符合能量高效梯级深度利用的原则。一些学者提出使用热泵技术将二者有机的结 合起来【4 5 j ：使用热泵蒸发器为空气降温，然后再使空气流经全部或部分热泵冷凝器 换热面以加热至送风温度。这样在技术上初步实现了水分凝结释放的潜热的空间转 移：这部分能量被输运至冷凝器侧用来加热低温干燥空气。为了进一步实现节能效 果，减少制冷系统负荷，有学者提出在除湿空调的蒸发器前后加装高效能量输运设 割6 。引，如热管，将蒸发器前高温空气的热量输运给其后低温的空气，以大幅度减少 热泵机组负荷，达到总体节能的效果。研究表明剀，增设能量输运设备进行能量的 回收利用可使节能率提高2 5 0 o - - , 3 0 。 节能减排还包括开发使用可再生能源和回收工业废气( 废水) 中的能量。但是 在使用这些新型能源和回收废弃物中能量的过程中，也会面临能量输运的问题【l o 】： 在实际生产和生活中，常常出现能够提供冷、热能量的地方( 冷、热能量供应源) 与使用冷、热能量的地方( 冷、热能量用户) 有一段较远的距离，如海水( 江水或 河水) 热能的使用，水源位置与用户之间距离较远；工业废物热能的回收利用中， 废弃物的排放位置与用户也往往有一段距离；使用第- - $ f j 冷剂的中央空调中，处理 机组与房间也往往有一定的距离。这时必须将冷量或热量从供应源处输运至用户处。 传统的方法是使用某种液体工质做媒介，在冷、热能量供应源处获得能量后用溶液 1 引言 泵把该液体工质输运到用户处，放出能量后又被送回到供应源处再次获得能量，如 此循环。这种显热载能的方式相对来说成本高、品质差、效率低，因此越来越多的 新型能量输运方式被提出和研究。实践证明，在技术上保证能量的高密度、低能耗 的输运是实现高效节能的有效途径。 ( 2 ) 热管技术的发展与传统热管的局限 为实现能量输运环节的节能，人们展开了对能量输运技术和设备的深入研究。 其中成为近几年研究热点的热管技术优势最为明显 1 1 , 1 2 , 1 3 】：热管依靠其内工质发生 气液相变时吸收或释放潜热来实现能量的转移，与采用显热进行能量交换的单相流 相比，具有工质循环量小、温度均匀、耗功少等优势。热管具有很高的导热性、优 良的等温性、热流密度可变性、热流方向的可逆性、热二极管与热开关性、可控热 管、很好的环境适应性等基本特性。热管的这些优良特性使其应用范围越来越广泛， 热管的种类越来越多，热管的系统越来越复杂。 4 0 多年来，由单根热管演变出多热管换热器，由整体式热管换热器演变出分体 式热管换热器，由普通分体式热管换热器又演变出复杂热管系统。使用范围也越来 越广：由整体式热管组成的热管换热器广泛使用在工业锅炉烟气余热回收上，取得 了不错的节能效果；种类较多的分离式热管在航天器各种设备的温度控制上很好地 保障了精密仪器苛刻的使用条件。但同时人们注意到，在能量输运上目前的各种形 式的热管或多或少还存在这样或那样的问题1 1 4 , 1 5 ：整体式热管结构简单，布置方式 不够灵活，分离式热管驱动力往往不足，传输距离受限等。这些缺陷或者不足制约 了热管的使用与发展，但同时也成为了人们不断拓展热管新技术的动力。 0 1 2 研究意义 ( 1 ) 节能减排新技术的要求 目前，建立在常规化石燃料基础上的、以高消耗和高污染为其特点的中国经济 面临着转型。切实解决好高能耗、高污染行业的节能减排问题对缓解我国面临的环 境压力和能源危机，对提升我国国际形象和地位，实现中国经济、社会的可持续发 展都将起到十分重要的作用【l j 。 在国民经济众多行业中，干燥作业和建筑物采暖空调所消耗的能源以及带来的 环境问题不容小觑。据统计，2 0 0 8 年干燥能耗折合约为3 4 2 m t 标准煤，占国民经济 总能耗的1 2 左右【l 。目前，气流干燥的动力源系统主要是热风炉或蒸汽换热器， 这两种方式都离不开锅炉或炉窑的燃烧，我国采用的基本上是中小型简易燃煤锅炉 或热风炉，大部分无脱硫和可靠的除尘设备，热效率低，污染严重。而在建筑能耗 中空调能耗是主要部分，所占比重为5 0 6 0 07 。初步估计目前全国商用中央空调 用电量为4 0 0 万4 5 0 万k w 。按重庆和上海的统计，中央空调用电量已分别占全市 2 青岛大学硕士学位论文 总用电量的2 3 和3 1 1 ，给城市供配电带来了沉重的压力。 分析表明，提高输运环节的效率可有效降低干燥作业和空调过程中的能量消耗。 因此，复杂热管系统作为一种高效能量输运形式成为研究热点，在节能减排中必将 发挥重大作用，带来良好的经济和社会效益。 ( 2 ) 开发热管技术 传统的热管管内液体回流是靠毛细结构所产生的毛细力或重力势差完成的，既 没有运动部件又不需消耗能量，运行可靠、结构紧凑，但使用中不能自动调节其工 作性能，是一种被动式热量输运方法。目前整体式热管换热器和分离式热管换热器 广泛应用在工业锅炉余热回收和航天设备热控上，而对于热源热汇相距较远、管路 结构复杂的工况，传统热管则受制于结构形式不够灵活、驱动力不足及分液不均匀 等因素，难以实现较多能量远距离的高效输运。即使近年发展成为空间热控技术研 究热点的c p l 系统和l h p 系统也由于以毛细力作为驱动力，在处理大阻力回路或 多个发热点并行散热的复杂支路结构方面的换热任务时显得几乎无能为力4 】。 研究发现，以机械泵为驱动装置的回路式热管系统，在解决驱动力不足、换热 器结构形式受限方面优势突出，颇具潜力。用机械驱动力取代毛细吸液力或重力落 差，摆脱了分离式热管冷凝器位置必须高于蒸发器的限制，增加了能量传输距离， 提高了热管换热系数。 本课题组提出的复杂热管系统是在机械泵驱动回路式热管系统基础上增加双循 环结构，力求在高效率、远距离能量输运的基础上实现可控性。对这一崭新领域的 研究，必将丰富和深化热管技术的理论水平和实践认知，为节能设备的优化和发展 做出贡献。 0 2 研究内容与研究路线 本课题研究组针对目前节能减排中能量输运环节的技术需要，结合热管技术的 工程实践，提出一种崭新形式的热管复杂热管系统。该系统在传统分离式热管 已有结构基础上增加动力驱动装置溶液泵来替代重力势差或毛细吸液芯，同时 在热管工质液相气相大循环的基础上增设液体工质小循环，在克服复杂管路流动阻 力、增大设备传热系数的同时，实现热管系统换热量和工作温度的主动可调性。 复杂热管系统作为一种全新的具有双循环过程的热管系统，有许多问题还需要 进行深入的理论分析和实验研究。本课题在总结热管理论发展历史和继承热管技术 实践经验的基础上，对复杂热管系统进行了简要理论分析和详实的实验验证。本课 题的研究内容从以下几个方面展开： a 复杂热管系统中循环工质灌存量与运行特性的关系 b 复杂热管系统最小启动温差 3 引言 c 复杂热管系统中溶液泵与蒸发器匹配问题 d 复杂热管系统启动与运行特性 e 复杂热管系统冷、热能量输运能力 本课题实验研究分为两个阶段。第一阶段，结合空调除湿工程实践搭建复杂热 管系统用于冷量回收的实验台( 以下称冷量回收实验台) ，并着重从系统结构、工质 充注、运行稳定性和对变工况的适应性等方面对复杂热管进行可行性和节能性研究。 在获取、分析了大量实验数据的基础上搭建第二阶段实验台复杂热管系统用于 能量远距离输运实验台( 下称能量输运实验台) 。在这一实验台上重复验证了复杂热 管系统的可行性和高效性，并对热管工质在复杂热管系统中的流动性能和传热性能 进行了深入研究。本文的研究路线如图0 1 所示。 图0 1 研究路线图 4 青岛大学硕士学位论文 第一章能量输运技术 实际生产生活中多采用集热量交换和输运于一体的闭环式对流换热回路系统来 作为实现能量远距离输运的技术手段。根据输运过程中工作介质流体是否发生相变 可将能量输运技术分为两大类：一类是依靠工作流体显热来携带热量的单相流体回 路技术；另一类是以工作流体相变潜热输运能量的两相流体回路技术。 单相流体回路的循环机理较为简单，回路的压力和流量的关系呈单调二次增长 的规律【l 引，与泵的工作曲线结合较好，动态变换过程中比较稳定，具有较强的换热 能力。因此，该能量输运形式在城镇居民热水供暖和载冷空调、航天器热控、工业 废热回收利用等多个方面得到了广泛应用。 两相流体回路技术是近十几年发展起来的新兴能量输运形式【l 引，工质在能量交 换时发生集态的变化。由于潜热比显热大若干倍，有相变的换热其换热系数比较大， 因此同样换热量所需工作流体的流量会大大减少，输送工作流体功耗也大大降低， 管路及换热器体积将大大减小。除此之外，发生相变的能量交换过程，工作流体温 度滑移较小，可以满足对温度波动要求较严格的使用场合。 文献 1 8 】给出了某工况下两种能量输运技术部分技术参数的比较，见表1 1 。可 见两相流体回路在能耗和系统复杂程度方面明显优于单相流体回路。 表1 1 单相回路和两相回路系统方案比较 项目单相两相 热负荷k w 9 1 流体回路质量k g 5 6 5 44 8 8 3 工质质量k g 氨 2 1 01 8 最大流速l 唱s 1 3 80 0 8 泵的功率w 1 6 8 07 8 多热源等温化质量代价k g 3 4 l0 1 1 单相流体回路技术 单相流体回路技术利用某种液体工质( 如水、盐溶液等) 作媒介，在冷、热能 量供应源处获得能量后用泵将该液体工质输运到用户处，放出能量后又被送回到供 应源处再次获得能量，如此循环0 。单相流体回路技术运行可靠，技术成熟，应用 广泛。但也存在一些不足之处：由于液体的显热是通过温度升高或降低来携带能量 的，温度升高才能携带热能，温度降低才能携带冷能，为减小换热温差过大产生的 不可逆损失，液体工质的温度升高或降低值往往不希望过大，而由于液体的比热相 5 第一章能量输运技术 对较小，使带走一定的能量，需要有大量的液体工质循环，这不仅增加了管道、保 温材料的初投资，还增大了液体溶液泵，使其初投资和运行费用都较大。 通常能量的输运密度越大，等热值的输运成本就越低。为了降低输运成本，潜 热输运方式成为研究的热点。 1 2 固液相变储能与输能技术 1 2 1 流态冰载冷技术 流态冰是由水、微小的冰晶颗粒以及一定量的不冻液混合组成的类似糊状的流 体1 2 。细微的冰晶颗粒的尺寸很小，直径可小到0 o l m m 。这种混合物可以用泵输 送，通常用作载冷流体。流态冰用专门设备制取，核心设备是冰晶生成器或称制冰 晶机。冰晶首先在冰晶生成器的冷却表面形成，脱落后再与一定量的水和不冻液混 合，形成流态冰。 流态冰利用冰的固液相变潜能载冷，与单相流体回路相比优点突出【2 l 】： ( 1 ) 单位载冷能力大。冰的熔化热为3 3 5 k j k g ，而o 。c 的水温度升高一度吸收 的热量为4 s k j k g ，前者大约是后者的8 0 倍。相同热负荷下，流态冰使用量会大 幅减少。 ( 2 ) 由于进口为o 。c 的冰，出口为o 。c 或略高的水，因此使用流态冰做载冷剂 设备温度分布均匀。 ( 3 ) 由于输送介质的流量大幅度降低，因此输运管道的隔热设施也简化减少。 流态冰固液相变潜热输送技术应用前景虽然可观，但也面临着许多固有的缺陷 和技术上的难题【2 引。首先，制取流态冰时耗功较多且效率不高，为了制取出o 。c 以 下的流态冰，制冷机的蒸发温度通常必须降到5 以下，从而导致制冷系统c o p 降 低为普通冷水机组的6 0 左右，能源消耗因此大大增加；其次，输运中易出现冰水 分层现象，这是由于其中的固态冰粒和液态水之间的密度差别较大，这不利于使用 冷量的分配且对输送也会造成危害；第三，流态冰输送中容易出现冰块板结而堵塞 管道或设备，因为冰粒之间一经接触，极易相互结合成更大的颗粒。而在实际应用 中，由于不可避免过程中有固相颗粒的存在，因此该项技术仍需进一步研究。 我国广州能源所在引进国外杰出人才资金的支持下，对低能耗、高密度的潜热 输运技术进行了科技攻关，提出了利用特殊的“水合物”( 如按质量浓度为2 2 的比 例配制出四丁基溴化铵溶液) 代替普通冰作为冷量载体的方法，目前已展开了对过 冷却堵塞、超声波促晶、潜热材料输送等技术问题的研究，并建设了小型示范系统。 6 青岛大学硕士学位论文 1 2 2 石蜡乳状液储热技术 石蜡是从原油蒸馏所得的润滑油馏分中经溶剂精制、溶剂脱蜡或经蜡冷冻结晶、 压榨脱蜡制得蜡膏，再经溶剂脱油、精制而得的结晶体【2 3 1 。石蜡的相变潜热比较高， 而且性能稳定、无毒性、没有腐蚀性。将石蜡均匀地分散在水中，在乳化剂的定向 吸附作用下，其表面张力发生变化，最终依靠外界机械作用力形成石蜡乳状液。 石蜡乳状液相变过程中能够大幅提高流体的有效比热和传热性能，因此相比于 传统单相流体回路系统可以使换热设备及换热流体输送管的尺寸明显减小，降低溶 液泵的输送耗功；另一方面，石蜡乳状液还可作为蓄能介质，实现能量储存和输运 二合一，为能量需求在时间和空间上的不协调矛盾提供了解决方案，因此应用前景 广阔。中国科学院广州能源研究所在应用包络化合物蓄冷及潜热输送研究基础上， 在国内率先开展了应用石蜡乳状液相变储热及潜热输送方面的研究【2 4 | 。 然而这一技术存在的不少问题制约了其发展。第一，石蜡的制取工艺较为繁琐 复杂；第二，石蜡是以石油类为原料制取的，这种制备方式在当今石油资源紧缺的 大背景下是值得商榷的；第三，由于乳状液中依然存在固体颗粒，还是不可避免出 现结块、堵塞现象。因此这一技术有待进一步研究。 1 3 热管技术 1 3 1 无外加动力热管 ( 1 ) 整体式热管与分离式热管 典型的整体式热管结构和工作原理如图1 1 所剥2 5 1 。其基本组成包括热管管壳、 吸液芯和端盖。 蟛蟛 绝热段 f f f f f f f 竹 蒸汽_ ， 7 斗、， 千千十十十十十十十0 0 0 0 一 蒸发段 一冷凝段一 图1 1 整体型热管组成及工作原理示意 制造时对管内抽真空，真空度可到1 3 x ( 1 0 。1 0 4 ) p a 。在管内充以适量的工 7 第一章能量输运技术 作液体使毛细吸液芯中充满液体后密封。当蒸发段受热，毛细芯中的液体蒸发气化， 蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结为液体。液体再沿多孔材料靠毛细力 的作用流回蒸发段，开始下一个循环。 热管传热能力不是无限大，受到诸多因素的限制。如毛细力、声速、携带、沸 腾、冷冻启动、连续蒸汽、蒸汽压力及冷凝等。 图1 2 为分离式热管结构示意图。蒸发段和冷凝段是分开的，通过蒸汽上升管 和液体下降管连接起来。由于一般没有吸液芯，冷凝液回流依靠重力作用，所以分 离式热管的冷凝段必须高于蒸发段。蒸汽上升管和液体下降管之间的密度差所提供 的压头用以平横工质流动的压力损失。 热流体 排气阀 + 冷流体 图1 2 分离式热管结构示意图 影响分离式热管传热量的主要极限是烧干限、声速限和冷凝限。相应的克服措 施有：加大充液率、加大蒸汽上升管的管径或增加其个数。 ( 2 ) 两相闭式热虹吸管( 重力热管) 两相闭式热虹吸管工作原理与传统热管类似，只是它没有吸液芯，液体回流依 靠自身重力，因此蒸发段必须置于冷凝段的下方。所以热虹吸管具有热二极管的特 征：热量只能从下方传向上方而不能倒传。 人们对热虹吸管的传热问题进行了深入的研究，按区段将其传热分为三部分： 冷凝段的饱和蒸汽层流膜状凝结、蒸发段的自然对流蒸发或液池内的核态沸腾以及 蒸发段以上中间部分的膜状凝结或核态沸腾。蒸发段及其以上一部分的状态取决于 热流密度的大小。分析指出热流密度和充液率是影响热虹吸管的重要因素【2 6 j 。除受 携带极限、沸腾极限和烧干限因素影响外，热虹吸管在正常启动和运行过程中，还 会出现不稳定状态，如小充液量时的干涸振荡、大充液量低热流量输入情况下的间 8 青岛大学硕士学位论文 隙沸腾和携带引起的振荡。 热虹吸管作为传热元件，在实际应用中其最大传热能力往往受限于携带极限， 因此在结构上减少气液间的相互作用成为强化传热的重点。 图1 3 两相闭式热虹吸管( 重力热管) ( 3 ) 可变导热管 可变导热管是指导热率可以改变的热管。导热率的改变可以是被动的，也可以 是主动的，取决于调整的目的和要求。第一类可变导热管的目的为随着热源温度或 热流率的变化保持热管工作温度不变，即保证热汇温度不随热源变化；第二类为保 持热源温度不变。 文献【2 5 】给出了第一类可变导热管的应用实例。利用汽车尾气来加热车厢或在 冷启动是快速加热发动机，要求在低温、低负荷情况下和高温、高负荷情况下保持 冷凝段或热汇温度稳定在1 0 0 或1 5 0 。解决办法为液体控制可变导热管，见图 1 4 ( a ) 。 图1 4 ( a ) 为无反馈控制方式的可变导热管：输入热量改变时，引起热管工作温度 和压力的改变，进而使贮液室( 控制部) 内液体量减少或增多，造成蒸发段局部干 涸或换热加强而使热汇温度维持较小变化。 保持热源温度不变的第二类可变导热管用在一些对温度波动要求小的散热场合， 9 第一章能量输运技术 如电子器件控温。设计如图1 4 ( b ) 所示的有反馈的主动式可变导热管是一种控温精 度较高的选择，它可以实现将温度波动控制在0 1 。其工作原理是，使用热敏电 阻监测热源温度，并通过控制系统调节电加热以改变贮气室压力，控制贮气室温度， 最终使热源温度稳定在一定水平。 外部气体压力 控制部 冷凝段 蒸发段 ( b ) 图1 4 可变导热管的两种不同控制方式 ( 4 ) 脉动热管 脉动热管【2 7 j 的概念由上世纪9 0 年代日本人a k a c h i 提出，因其尺寸小、重量轻 和当量传热量大等特点而广泛应用在电子元器件的冷却领域。下图1 5 是脉动热管 的一种结构形式。 脉动热管具有非常小的管径，一般内径约在0 5 m m 3 0 m m 之间。内部充注的 工作液体在表面张力作用下形成长度不等的液柱和气塞。工作时，管内的液柱和气 塞在蒸发段( 一般位置居于冷凝段下方) 受热体积膨胀，因沸腾产生的气泡推动液 柱和气塞向冷却段运动，在冷凝段液柱和气塞受冷却凝结放热，通过液柱和气塞的 运动换热实现能量的传递。 脉动热管的运行机理十分复杂，迄今为止仍然有许多问题需要深入研究。脉动 热管内部属于微通道内两相流问题，工质的温度、压力和速度呈现脉动特点，具有 很大的偶然性和复杂性。另外对脉动热管的实验研究也因为热管尺寸较小的限制使 测量变得十分困难和不准确。 1 0 青岛大学硕士学位论文 ，一一 、 、 厂 、 l 冷凝段 l 。i 绝热段 l _ _ 。、 l 一 蒸发段 图1 5 循环式脉动热管 图1 6 毛细泵同路示意 为解决普通热管因换热段位置倒换而导致的传热受限的问题，同时拓展热管在 远距离能量输运方面的应用，人们研究开发了毛细泵回路【2 引，见图1 6 。毛细泵回路 具有较多优点，如传热能力比普通热管大1 2 个数量级，系统具有极佳的等温性等。 目前在空间站、卫星、飞船、电子元器件的冷却方面应用广阔。 毛细泵回路工作原理与普通热管类似，只是在结构上多出了一个储液器，并且 吸液芯只存在于蒸发器段。储液器与热管系统相通，通过加热或冷却储液器便可以 第一章能量输运技术 改变系统压力，进而控制系统工作温度。冷凝器内无吸液芯，热量不能倒传，因此 毛细泵回路具有了热二极管的特性。 蕉发器 坛液器一 | ：_ _ ：盖：；：_ 罐羞笺翌互王三。五盖互j 翌互j ：毯i 墨：耍毯誊譬墨譬薹互譬窭譬翟蒸芷经盈爱窭互薹二二二= 一 昏冕鬈曩曩墨i 西磊磊曩互嚣蟊i 曩飘i 磊翌嚣蠹嚣i i 嚣r 篓曩i l 疆誊i 譬飘曩噩嚣爱：羞二誉i i 蠢翟墨甄叠i j 薹嚣 j 二二二j l 一一j ； l 吸液占 1 j 蕉j 勺通道 。审 冷凝器 i i 鋈薹! 薹羔薹墓i 萎薹透薹i j 俊f 4 i 通j 迫 j l 霪i 鎏囊i 薹篡篓i 粪囊鎏羹i 遴：刻 g 曼薹l 女| 。i _ ) i 羞盥二竺| j 量二参j 蓝。蛰羔2 。一生爿 图1 7 环路式热管示意图 环路式热管( l h p ) ( 图1 7 ) 与毛细泵回路原理相同，结构类似2 9 1 。二者的出 现被认为是两相流换热技术的新突破。但随着应用的不断深入，在某些使用场合也 暴露了一些缺点。面对紧凑式、分散式、长距离、多点复杂的高热流密度热源的散 热问题，由于自身结构和工作原理的限制，c p l 和l h p 已经显得几乎无能为力。科 学工作者们遂开展了对外加动力热管的研究。 1 3 2 外加动力热管 ( 1 ) 机械泵驱动两相流体回路 当今，热管技术已不再局限于其形式，经过不断演化和延伸已经逐渐形成了多 种先进高效的热控技术和热量输运技术。其中，用来探测外太空粒子的阿尔法磁谱 仪( a m s ) 二期项目中热控系统所使用的机械泵驱动式冷却回路( m p c l ) 就是热 管复杂化发展的一种典型。 机械泵驱动式冷却回路【3 0 4 0 1 的结构示意见图1 8 所示。 该系统蒸发器为连接发热设备的细小管路，冷凝器用辐射板将热量散至太空， 两者之间通过机械泵驱动液体循环联系起来。泵前液体过冷，故泵后增设预热器以 控制蒸发器入口工质为两相状态。储液器以盲段形式连接在泵和冷凝器之间，实现 蒸发温度的调节。 1 2 青岛大学硕士学位论文 图1 8 机械泵驱动冷却同路的结构示意图 研究发现，以机械泵为驱动装置的回路式热管系统，在解决驱动力不足、换热 器结构形式受限方面优势突出，颇具潜力。用机械驱动力取代毛细吸液力或重力落 差，摆脱了分离式热管冷凝器位置必须高于蒸发器的限制，增加了能量传输距离， 提高了热管换热系数。刘杰等人指出在相同温差下，机械泵两相系统相比于毛细泵 循环、单相系统换热系数最大，传输距离最远。文献 1 8 】给出了机械泵助动两相系 统与其它系统换热系数的比较，见图1 9 。 工 芝 e 工 1 0 4 1 0 3 1 0 2 1 2 _ ，、 ，、 么 ，_ _ - - 。 4 、， ， 图1 9 不同能量输运系统换热系数 1 一机械泵助动两相系统，t = 5 k ；2 一为毛细泵循环，at _ 5 k ； 3 一单相系统，t _ 4 0 k ；4 一单相系统，t 一5 k 。 1 3 第一章能量输运技术 目前，该类系统设计应用在航天器设备热量排放和温度控制中。为了克服传统 热管在驱动力、散热能力和传热距离方面的限制，为了解决l h p c p l 在空间应用中 的局限性，各国空间科学研究人员开始了机械泵驱动的两相冷却系统的研究。 ( 2 ) 机械驱动式分离型热管热环 2 0 0 0 年前后，天津轻工业学院针对烟气或排风余热回收中重力式分离型热管受 到冷源在下、热源在上的限制和水回路设备大、效率低的问题，开展了对“热环 的研究【l5 1 。研究指出，该热环旨在为方位、距离较为任意的冷热源间的传热问题提 供解决方案。热环由驱动装置、冷源换热器、热源换热器和管路组成封闭环路，环 路内充以循环工质。循环工质在热源处吸热蒸发，在冷源处冷凝放热，而工质循环 则由外加驱动装置实现。下图为热环工作原理图。 液 态 循 环 工 质 气相驱动式热环 气 i 嘉 至 质 气 态 猱f - e 质 液相驱动式热环 液 态 i 骠 工 质 图1 1 0 热环工作原理图 该热环的最大特点是外加动力。以气相驱动式热环为例，驱动装置的组成示例 为冰箱用压缩机和节流阀的组合。文献【1 5 对热环工质、换热器换热、驱动装置耗 功及输热系数进行了研究，同时也对研究中遇到的一些问题如，启动特性、传热极 限、驱动装置安装和提高输热系数的途径进行了讨论和分析。据称，经过实验最终 得到了两个重要结论，一是热环技术切实可行，值得推广；二是驱动装置耗电极少， 节能效果明显。 ( 3 ) 复杂热管系统 机械泵驱动式冷却回路( m p c l ) 设计使用场合为微重力的外太空，系统设计 工况下驱动温差较大，另外，其储液罐体积庞大，占系统总体积的一半以上。该回 路主要目的是实现均匀、精确控温而并未考虑太多成本，因此不适合地面工业或民 用使用。 1 4 青岛大学硕士学位论文 为解决上述矛盾，满足节能减排新技术发展的需要，本课题研究小组设计研发 了复杂热管系统【4 i j ( 结构组成见图1 1 1 所示) ，其工作原理如下：溶液循环泵从储 液罐抽取液态工质，经管路、分液器等均流部件将工质分配至蒸发器各管路；液态 工质在蒸发器中吸收外界热量部分气化，进入气液分离器实现气液分离后，液相工 质流回到储液罐，形成液体工质小循环，而气相工质则经气体输运管输送到冷凝器 各管路中，实现完全冷凝后也回到储液罐，形成热管工质大循环。其中小循环是为 合理控制或增大蒸发器中液体工质的循环量，解决传统分离式热管工作液输送力不 够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题；大循环则使热量从热源传送到 热汇中，完成热量输运。 2 图1 1 l 复杂热管系统结构示意图 假设系统除蒸发器和冷凝器以外其它管路与边界为绝热状态，工质在系统中循 环至不同部件时的热力学状态点可以在压焓图上表示，如图1 1 2 ，过程如下： a 热管工质在溶液泵的入口处有一定的过冷度，状态点为1 ；溶液泵输入功率 完全转化为工质动能而无热量产生，工质发生升温升压过程状态点变为2 。 b 工质流经管道和分液器发生等温压降过程，在蒸发器入口处状态点由2 变为 3 。 c 过冷液体工质进入蒸发器管路后吸热先是单相降压升温至饱和点4 ，接着， 满足力学平衡和热力学平衡条件的饱和工质在偶然扰动因素作用下发生剧烈气液相 变过程，状态点变为5 。 d 从状态点5 到状态点6 ，由于管路的阻力使得工质的饱和压力与温度略有下 1 5 笙二主墼量塑堡垫查 降。 图1 1 2 工质在复杂热管系统中循环的压焓图 e 状态点6 为气液共存的饱和状态，其中气态6 ”在管路中发生等温压降过程变 为状态点7 ，液态6 经阀门发生节流过程变为状态8 。 状态点7 的气态工质略有过热，进入冷凝器近似等温等压冷凝到状态点8 ，与 从6 节流而来的状态8 工质混合。 g 混合后的状态点8 工质为干度较小的气液两相流，在进入溶液泵之前必须将 其转化为过冷状态，即进行8 一l 的过程。 上述复杂热管系统在结构上相对于传统分离式热管和机械泵驱动型热管增加了 气液分离器( 或气液分离母管) 、储液器、溶液循环泵、分液器和相关控制部件等， 形成了能够在各种复杂条件下实现冷、热能量传递或输运的有机组织，同时系统在 热管工质大循环的基础上增加了路线为气液分离器一压力调节阀一储液罐一溶液泵 气液分离器冷凝器气液分离器的液态工质小循环，因此具有了许多鲜明的特 点，见下述。 a 通过小循环，能够合理控制蒸发器中液体工质的循环量，可以解决原有热管 工作液输送力不够、分液不均匀、蒸发器换热面使用效率低等问题。 b 通过压力调节阀和气液分离器，可以合理调节和控制气态物质的流动压力， 保证大循环过程有足够的推动力，实现冷、热能量的远距离输运。 c 蒸发器与冷凝器的相对安装高度不受任何限制，只要储液罐低于两个换热器， 保证冷凝液能够顺利回流到储液罐便可正常工作。若出现冷凝器必须安装在储液罐 下部的情况，只要在冷凝器回流管上安装一个冷凝器回流溶液泵即可。 d 与现有的各种热管相比，复杂热管系统能够方便地实现热管换热量的连续调 节和控制，明显增强热管的控制功能。 e 与现有的分离式热管相比，不仅增加了溶液循环泵，而且还增设了气液分离 1 6 青岛大学硕士学位论文 器( 母管) 、储液罐、分液器、等长度均液管、气相工质母管、均匀分气管等部件， 形成了完善的热管系统，该热管系统可大幅度提高分离式热管的换热效率。 与现有的分离式热管相比，本双循环可控热管系统中小循环过程的液体工质 循环量通常大于或等于大循环的工质循环量，在调节过程中，可能会短时间出现小 循环过程的液体工质循环量小于大循环的工质循环量的情况。正是这种变化的循环 量，保证了蒸发器的高效工作，实现了换热量的调节。 g 与其它非热管的换热器相比，由于是相变传热，具有传热温差小、换热效率 高的特点；另外，本系统还实现了冷热介质远距离不接触高效传热，故在废热回收 及对人体有危害的区域的能量回收应用中，有更大的优势。 h 本系统扩大了热管的应用范围和应用方式，可方便地应用于中央空调、太阳 能热利用、空气冷能回收、各类锅炉或动力机的余热回收、空气对流干燥的动力源、 核能热利用、海水热能利用、海水淡化等等领域，同时，本发明的热管系统更容易 实现大型化。 复杂热管系统的提出是为满足现代大型热管换热设备和高效热管换热设备的要 求，目前，国内外对该方面的理论研究与应用研究的报道都很少，基本处于理论探 索和模型设计阶段。复杂热管系统的研究是2 1 世纪人类实现能源高效利用和节能的 一个重要研究方向。该项研究工作将使热管的应用范围进一步扩大，并使热管的应 用效率进一步提高。 1 7 第二章复杂热管系统用于空调冷量回收的实验研究 第二章复杂热管系统用于空调冷量回收的实验研究 随着空调普及率的逐年上升，巨大的空调能耗日益成为经济发展的制约因素。 国内外围绕如何降低空调能耗已经发展出了多种节能技术。其中，针对潮湿地区空 调总负荷中潜热负荷所占比例较大这一问题，有学者提出将热管技术与空调系统结 合起来，在空调器制冷量和功耗基本不变的情况下可以大幅度提高除湿量。同时， 回收排风能量对空调节能也具有非常重要的意义。有人提出用一种带热力毛细动力 循环热管热回收系统来实现排风和新风的能力交换，以减少表冷器的冷量和节省再 热器的再热量。 为验证复杂热管系统的可行性和节能性，同时探索复杂热管系统在节能领域的 应用，在上述工程实践的基础上搭建了复杂热管系统用于空调冷量回收的实验台。 本实验台的基本构思如下：在蒸气压缩式制冷机组的蒸发器前后分别安置复杂热管 系统的蒸发器( 段) 和冷凝器( 段) 。空气首先经过热管蒸发段，放出热量温度降低； 然后经过制冷机组蒸发器，空气降温去湿；最后经过热管冷凝段，空气吸热温度升 高；达到温度和湿度要求的空气再被送入房间。 2 1 复杂热管系统用于冷量回收实验台的搭建 冷量回收实验台中外界换热介质为空气，因此与以水作为换热介质的能量输运 实验台( 见第三章) 在结构组成、测试运行等诸多方面存在不同。但总体来说，两 类实验台的组成均可概括为以下几部分：外介质系统、测控系统、势差产生系统、 复杂热管系统和其他辅助系统等。2 1 1 节的论述将分别从以上几个子系统阐述实验 台的组成。 2 1 1 实验系统的基本组成 冷量回收实验台以空气作为热管系统外界换热介质，因此需要布置风道。在风 道中安放复杂热管系统的蒸发器、冷凝器和势差产生系统的制冷蒸发器，而在本实 验台中由于设置了两套复杂热管系统内循环复杂热管系统和外循环复杂热管系 统因此热管系统的蒸发器和冷凝器各有两套，见图2 1 。在风道的进口处安装空 气电加热器，出口处安放型号为x o f 2 5 a 、由三相异步电动机驱动的引风机。 在各换热器之间的矩形风道顶部钻孔，下放传感器，在蒸发器、冷凝器、制冷 蒸发器的前后采用九点法测量处理空气的温度和风速，使用精度等级为i 级的工业 用铂电阻p t l 0 0 和热球式电风速仪。实验时，使用多功能便携式气象仪k e s t r e l3 0 0 0 对实验室空气参数进行测量和监控。引风机、制冷压缩机通过控制柜内交流马达驱 1 8 青岛大学硕士学位论文 动器( 又称变频器) 进行输入频率调节，以获得不同制冷工况下的实验数据：溶液 泵则由调压器或者变频器进行调节，以积极适应变化的工况。控制方面详见2 2 1 节。 冷量回收实验台的势差产生系统由蒸气压缩式制冷机组的蒸发器来实现，制冷 蒸发器为直接蒸发式。冷量回收实验台的复杂热管系统运行时，由设置在溶液泵出 口和蒸发器进口之间、冷凝器进出口之间的视液管观察换热器内部流动与换热。而 内部压力则由青岛四方仪表厂生产的隔膜式压力表测量。实物图及示意见图2 1 和 图2 2 ，各部件具体参数见表2 1 。 图2 1 冷量回收实验台布置图 表2 1 实验台各部件参数 项目参数 风道截面：6 2 1x 4 2 1 m m 2 ，长度5 0 0 m m 引风机 风量3 0 0 0 m 3 h ，风压：3 5 0 p a ，连续可调 空气电加热器 0 3 0 0 0 w ，连续可调 变频器 d e l t av f d a 。0 o h z 5 0 0 h z 接触式调压器，额定容量l k v a ， 调压器 单相5 0 h z ，输入2 2 0 v ，输出0 2 5 0 v 压缩机型号：y z s 8 0 r d4 t 1 配电：3 8 0v5 0h z 功率2 6 7 0 w 工质r 2 2 1 9 第二章复杂热管系统用于空调冷量回收的实验研究 图2 2 冷量回收实验台实物图 2 1 2 复杂热管系统主要部件分析与设计 ( 1 ) 换热器分析 复杂热管系统的基本组成包括蒸发器、冷凝器、溶液泵、储液罐和连接管道等。 在冷量回收实验台上，复杂热管系统使用规格相近的两个套片管式空气换热器分别 作为蒸发器和冷凝器，尺寸参数见表2 2 。运行中，由于溶液泵防止气蚀的过冷设计， 蒸发器进口处的液体工质会有一定的过冷度，该过冷度很小甚至为零；出口处工质 一般为气液两相的饱和状态，极限情况下处于过热状态。来自蒸发器出口处的气态 工质经输