典型有效用能设备分析

能量有效利用 典型有效用能设备分析 内容简要 本章结合目前常用的节能设备的发展和应用情况 系统全面的介绍了换热器 热管 吸收式制冷装置 热泵等节能设备的基本理论和知识 对其类型 工作原理 工作过程 能量利用过程的影响因素及节能环节进行了详细的阐述 着重培养学生的工程应用能力和开阔专业视野 第一节换热器 换热器又称热交换器 heatexchanger 是使热量从一种 或几种 流体传递给另一种 或另几种 流体的换热设备 换热器 做为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和热回收器等装置 在建筑设备与工程 化工 石油 动力 食品及其它许多工业部门中应用较广泛 换热器种类很多 根据冷 热流体热量交换的原理和方式基本上可分四大类即 间壁式 接触式 蓄热式和热管换热器 在四类换热器中 间壁式换热器应用最多 常用的间壁式换热器是将间壁一面的热流体通过间壁表面把热量传给间壁另一面的冷流体来实现传热过程的一种常见设备 第一节换热器 1 套管式 套管式换热器是由不同直径的管子套在一起 并弯制成螺旋形或蛇形的一种换热器 分内管和外管两部分 外管内可套一根或数根管子 内外管分别流冷热流体 如图4 1所示 能逆流操作 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 1 管壳式换热器 图4 1套管式换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 第一节换热器 1 管壳式换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 2 壳管式 壳管式换热器分卧式和立式两大类 都是由外壳和管束组成的 外壳由钢板卷焊成圆筒 筒两端各焊接一块管板 板间焊接或胀接若干根传热管 如图4 2所示 图4 2列管式换热器 a 列管式换热器示意图b 1 1程 第一节换热器 1 管壳式换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 2 壳管式 壳管式换热器分卧式和立式两大类 都是由外壳和管束组成的 外壳由钢板卷焊成圆筒 筒两端各焊接一块管板 板间焊接或胀接若干根传热管 如图4 2所示 图4 2列管式换热器 c 1 2程d 2 4程 第一节换热器 1 管壳式换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 3 蛇管式 这种换热器是将金属管弯绕成各种与容器相适应的形状 并沉浸在容器内的液体中 蛇管换热器的优点是结构简单 能承受高压 可用耐腐蚀材料制造 其缺点是容器内液体湍动程度低 管外给热系数小 为提高传热系数 容器内可安装搅拌器 如图4 3所示 图4 3蛇管式换热器 第一节换热器 1 管壳式换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 4 喷淋式换热器 这种换热器是将换热管成排地固定在钢架上 热流体在管内流动 冷却水从上方喷淋装置均匀淋下 故也称喷淋式冷却器 喷淋式换热器的管外是一层湍动程度较高的液膜 管外给热系数较沉浸式增大很多 另外 这种换热器大多放置在空气流通之处 冷却水的蒸发亦带走一部分热量 可起到降低冷却水温度 增大传热推动力的作用 因此 和沉浸式相比 喷淋式换热器的传热效果大有改善 第一节换热器 一 换热器的结构类型 一 常见的间壁式换热器类型 2 板式换热器板式换热器有板片式换热器 螺旋槽板式换热器等 板式换热器一般由一组不锈钢波纹金属板叠装焊接而成 板上的四孔分别为冷热两种流体的进出口 在板四周的焊接线内 形成传热板两侧的冷 热流体通道 在流动过程中通过板壁进行热交换 图4 4板式换热器 第一节换热器 一 换热器的结构类型 1 接触式换热器混合式热交换器是依靠冷 热流体直接接触而进行传热的 这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻 只要流体间的接触情况良好 就有较大的传热速率 二 其他类型的换热器 按照用途的不同 可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型 1 冷却塔 或称冷水塔 2 气体洗涤塔 或称洗涤塔 3 喷射式热交换器 4 混合式冷凝器 第一节换热器 一 换热器的结构类型 二 其他类型的换热器 2 蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备 内装固体填充物 用以贮蓄热量 一般用耐火砖等砌成火格子 有时用金属波形带等 换热分两个阶段进行 第一阶段 热气体通过火格子 将热量传给火格子而贮蓄起来 第二阶段 冷气体通过火格子 接受火格子所储蓄的热量而被加热 这两个阶段交替进行 通常用两个蓄热器交替使用 即当热气体进入一蓄热器时 冷气体进入另一蓄热器 常用于冶金工业 如炼钢平炉的蓄热室 也用于化学工业 如煤气炉中的空气预热器或燃烧室 人造石油厂中的蓄热式裂化炉 第一节换热器 本部分只以间壁式换热器为例进行分析探讨 在这种换热器中 换热面一侧流动着放热介质 称之为热介质 以下标h表示 另一侧流动着吸热介质 称之为冷介质 以下标c表示 为了评价换热器的热力性质 下面来定义与分析其热力性能评价指标 1 换热器的效率换热器的效率指冷介质所获得的热量与热介质所放出热量的比值 它反映了换热器壳体的保温性能 或向外部散热损失的程度 二 评价换热器的性能指标 第一节换热器 二 评价换热器的性能指标 为了反映换热器的流动阻力程度与换热性能 还有两项指标 如换热器是依靠风机或泵使冷热介质流动而进行换热的 则热流量Q与热冷介质流动所消耗功率N之比 称为能量系数 即 能量系数作为反映换热器工作运行经济性的指标 或介质流动损失程度 因此 在考虑增加介质的流速以增强传热时 就要注意这个指标并进行技术经济核算 合理地选择热冷介质的流速 换热器的换热性能常用冷介质所获得的热量与热介质可能放出的最大热量之比来表示 称为换热器效率 即 第一节换热器 二 评价换热器的性能指标 2 换热器的 效率设换热器能量循环示意图如图4 5所示 第一节换热器 第一节换热器 而 所以有 反映热冷介质流动阻力引起的 损失程度 反映由于热冷介质的放热或吸热的平均温度不同所引起的 损失程度 第一节换热器 从换热器 效率的公式看到 换热器的保温情况 冷热介质的温差 温度水平及压力损失等都将影响换热器内部换热过程的性能 1 冷热介质传热温差的影响传热中的冷热介质平均温差常指对数平均温差 它是确定换热面积大小的一个依据 三 影响换热过程的内部性能因素 冷热介质是在有限温差下的传热 是典型的不可逆过程 必然出现熵产与 耗损 可分别表示为 如果冷热介质在换热中均是无相变的定压变温过程 那么在定比热的假定下 耗损为 如不计换热器的散热 则 第一节换热器 三 影响换热过程的内部性能因素 第一节换热器 三 影响换热过程的内部性能因素 第二节热管 热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G M Grover发明的一种传热元件 它利用了液体蒸发冷凝时热传导介质快速传递蒸发冷凝潜热的性质 将发热物体的热量迅速从一端传递到另一端 可实现等温传热过程 其导热能力可以与金属物质相媲美 图4 6热管传热的示意图1 输热端2 蒸发段3 蒸汽流4 蒸汽凝结端5 液体回流 由于重力或毛细吸力 第二节热管 热管一般是由内壁加工有槽道的两端密封的铝 铸铁等金属 翅片管经清洗并抽成高真空后注入最佳液态工质而成 管内根据需要可放入输液芯等材料 随注入液态工质的成分和比例不同 分为KLS低温热管换热器 GRSC A中温热管换热器 GRSC B高温热管换热器 热管一端 始端 受热时管内工质吸收汽化潜热汽化成蒸汽 随后蒸汽向热管另一端 末端 流动并遇冷凝结成液体同时该段热管散放出凝结潜热 管内冷凝液借毛细力和重力的作用回流至始端 继续受热汽化 这样管内工质往复循环就会将大量热量从热管一端 加热区 传递到另一端 散热区 而且热管内热量传递是通过工质的相变过程进行的 热管是一种高效传热元件 其导热能力比金属高几百倍至数千倍 第二节热管 1 热管及热管原理热管是一种导热能力特别强的换热装置 它利用相变原理和重力或毛细作用 即利用封闭在管中的工作物质 反复进行物理相变或化学反应来传送热量 使得它本身的传热效率比同样材质的纯铜高出数千倍 热管是在其内部一端利用液体汽化时的潜热吸收管外物体的热量 汽化了的饱和蒸汽向冷端流动 在另一端蒸汽凝结放出潜热 从而加热管外物体 热管外两端物体的温度可以相差很大 热管的工作原理图和工作状态剖析图见图4 7和图4 8 一 热管的基本构造及工作原理 图4 7热管工作原理图图4 8热管工作状态剖析图 第二节热管 典型的热管由管壳 吸液芯和端盖组成 管内负压为1 3 10 1 1 3 10 4Pa不等 视工作液体和条件所确定 使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封 管的一端为蒸发段 加热段 另一端为冷凝段 冷却段 在此热量转移过程中 主要包含了以下六个相互关联的过程 1 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液 汽分界面 2 液体在蒸发段内的液 汽分界面上蒸发 3 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段 4 蒸汽在冷凝段内的汽 液分界面上凝结 5 热量从汽 液分界面通过吸液芯 液体和管壁传给冷源 6 在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸发段 单根热管称为热管元件 或简称热管 许多热管可组成热管换热器 一 热管的基本构造及工作原理 第二节热管 2 热管工作的推动力热管传热过程中 毛细管抽力所形成的压差 Pc是工作液体和蒸汽流动的动力 用以克服液体和蒸汽流动的阻力 Pl和 Pv 液体本身的重力可为动力或阻力 取决于蒸发段在下或在上的位置 当热管平放时 重力对液体和蒸发流动基本不起作用 因此 一 热管的基本构造及工作原理 从热管的工作过程中看到 它有如下特点 1 输热能力大 2 较高的等温性能 3 传热方向可逆 热流密度可变 4 具有极强的对环境适应能力 5 具有运行无需外加动力 结构简单 重量轻 工作可靠 维修量少 寿命长等特点 第二节热管 常用的分类方法有以下几种 1 按照热管管内的工作温度区分分为低温热管 273 0 常温热管 0 250 中温热管 250 450 高温热管 450 1000 等 2 按照工作液体回流动力区分为有芯热管 两相闭式热虹吸管 又称重力热管 旋转热管 电流体动力热管 磁流体动力热管 渗透热管等等 3 按管壳与工作液体的组合方式划分为铜 水热管 碳钢 水热管 铜钢复合 水热管 铝 丙酮热管 碳钢 萘热管 不锈钢 钠热管等等 4 按结构形式区分为普通热管 分离式热管 毛细泵回路热管 微型热管 平板热管 径向热管等等 5 按热管的功用划分为传输热量的热管 热二极管 热开关管 热控制用热管 仿真热管 制冷热管等等 二 热管的分类 第二节热管 三 热管的工作特性 热管的工作能力受到一些因素的影响和限制 包括 热流极限 流动阻力 热管传热系数或热阻 热管内部的相容性等 1 热流极限热管传送的最大热流量 热流极限 随其工作强度不同有不同的数值 热流与绝对温度的关系如图4 9所示 图4 9热管热流与绝对温度的关系 第二节热管 三 热管的工作特性 从图4 9中看到 热管的最大热流量受其内部五种因素的限制 分别被称为粘性 声速 携带 毛细和沸腾等五种极限 不同的限制在不同的温度下发生 由于这五种限制 使热管的热流量必须在限制的最大热流量以下 否则热管可能被烧毁或造成故障 因此 设计热管时 必须验算出各极限限制的热负荷 使它们都不超过设计的热流量 以保证热管安全可靠地工作与较长的使用寿命 第二节热管 三 热管的工作特性 1 粘性极限 粘性极限发生在低温范围内 低温时 液体的粘度大 凝结液回流的阻力大 因而限制了凝结液的回流量 另外蒸汽的流动阻力也在低温时较大 按牛顿粘性定律 粘性阻力与动力粘度系数和速度梯度成正比 在毛细吸力或重力一定时 增加蒸汽流或凝结液量 必使流动阻力增大 粘性极限按蒸汽流计算的公式为 式中Dv 蒸汽通道的直径 m 工作液的蒸发潜热 kJ kg v 蒸汽的密度 kg m3 pv 蒸汽的压力 kg m2 v 蒸汽的动力粘度系数 kg s m2 Le Lv Lc 2 La 其中Lv Lc La 分别为蒸发段 冷凝段 绝热段的长度 m 粘性极限区仅对长热管和起动时蒸汽压力很低的液态金属热管具有实际意义 一般不会发生粘性限制热量 故通常不提粘性极限 第二节热管 三 热管的工作特性 2 声速极限 声速极限是在蒸发段末端蒸汽流速达到该处状态下的声速时所限制的蒸汽流量 即蒸汽带有的热量 也就是达到声速极限时的最大热流量 实验表明 热管中的蒸汽流动与气体在缩放喷管流动相似 当喷管的背压降低使喉管处的流速达到声速时 喷管的流量达到最大 即使喷管的背压再降低 其出口流速虽能再增加 但流量仍保持不变 好像有流量的阻塞 热管中的蒸汽压力很低 可将蒸汽视为理想气体 得到的声速极限热流量为 式中R 工作液的气体常数 pvc 达到声速时的蒸汽压力 kPa Tvc 达到声速时的绝对温度 K vc 达到声速时的密度 kg m3 上式表明 声速极限与绝对温度的平方根成正比 声速极限在低温或大热流密度下容易出现 热管正常运行时 一般不会出现 第二节热管 三 热管的工作特性 3 携带极限 热管工作时 蒸汽与液体的流动方向相反 蒸汽流动的惯性力在汽液界面上对液体产生剪切作用 有把液体从输液芯表面拉出带走的趋势 而液体靠其表面张力阻抗 随着热流量的增加 蒸汽流速增大 其剪切作用增强 当蒸汽流动的惯性力能克服流体的表面张力 将液粒从汽液界面上拉出来 并携带至冷凝端 这时的热流量就是携带极限 当汽液界面上蒸汽流动的惯性力等于吸液芯孔中的表面张力时 达到携带极限 因此 用这两个力之比 即韦伯数 由此导出携带极限的最大热流量为 从式 4 30 看到 发生携带极限时的热流量与工作液的蒸发潜热 0 和蒸汽通道断面积 Av 成正比 与表面张力 L 蒸汽密度 v 的平方根成正比 与输液芯表面毛细孔的水力半径 Rh 的平方根成反比 第二节热管 三 热管的工作特性 4 毛细极限 带输液芯的热管 是靠输液芯产生的毛细吸力使冷凝段的冷凝液回流的 当蒸发段的蒸发量等于毛细吸力所能承担的冷凝液回流量时 蒸发段的热流量就是毛细极限 如果超过毛细极限的传热量 就会出现蒸发段输液芯干涸 使热管温度急剧上升而烧毁 因此 毛细极限为 式中 毛细吸力容许的冷凝液最大回流量 kg h 而输液芯最大的毛细吸力为 由此可得出毛细极限时的最大热流量 式中K 输液芯的渗透率 取决于输液芯的结构 几何尺寸 孔隙率及孔隙的状况等 Aw 输液芯的横截面积 m2 Re 毛细孔有效半径 m L 热管长度 m 热管倾角 毛细极限是一般输液芯热管最容易出现的限制 特别是热管水平放置或热源在冷源上方的情况 有时热流量仅几瓦到几十瓦便达到毛细极限 使输液芯烧干 第二节热管 三 热管的工作特性 5 沸腾极限 热管工作中 当蒸发段径向热流密度很大时 将会使输液芯内工作液沸腾产生气泡阻塞毛细孔 减弱与破坏毛细抽吸作用 致使凝结液回流不能满足蒸发的要求量而干涸 蒸发段受热面得不到充分冷却 出现管壁温度升高乃至烧毁的现象 因此 当输液芯内沸腾产生气泡可以顺利排出 热管能正常工作的最大径向热流量就是沸腾极限 由传热学中的沸腾换热理论可知 液体的汽化有蒸发与沸腾两种形式 蒸发在液体的表面上进行 沸腾在液体的内部进行 式中 e 浸满工作液的输液芯有效导热系数 kW m2 Lv 热管蒸发段长度 m Tv 蒸发温度 K Di 热管管壳内径 m Dv 蒸汽腔直径 m 气泡核心半径 m 第二节热管 三 热管的工作特性 上述的热管五个内部工作极限反映了热管的工作性能 随着热管工作温度升高 将依次遇到粘度极限 声速极限 携带极限与毛细极限和沸腾极限 当工作温度较低时 易出现前三种极限 在高温时 要注意防止出现后两种极限 表4 1列出两种输液芯热管各极限值的数值 表4 1热管的工作极限 第二节热管 三 热管的工作特性 2 流动阻力流动阻力对热管的性能有很大影响 凝结液能否及时回流 蒸汽流动能否通畅 工作温度能否稳定等 都和工作液与蒸汽流动阻力有关 输液芯热管中 要凝结液和蒸汽维持正常的工作循环 必须满足 式 4 36 中 当热管水平放置时 Pg 0 当为无输液芯的重力式热管时 Pc 0 如蒸发段在下 则 式中H 热管的垂直高度 m 工作液液相与汽相的密度差 kg m3 1 毛细吸力 2 工作液流动阻力 3 蒸汽流阻力 第二节热管 三 热管的工作特性 3 热管传热与热阻热管的加热段与热源接触吸收热量 并将其传给与冷源接触的放热段 向冷源放热 这是一个由多种传热方式组合的复杂的传热过程 按热流经过的路径 可解析为经过11个热阻的串联和并联传热环节 如图4 11所示 图4 11热管传热网络图 下面将相同的传热过程合并在一起进行分析 1 热源向加热段外壁 放热段向冷源的传热过程 式中 h c 分别为加热段与放热段的总换热系数 kW m2 Ah Ac 分别为加热段与放热段的换热表面积 m2 第二节热管 三 热管的工作特性 2 蒸发段或冷凝段管壁的径向传热过程 这两个环节都是纯导热 其热阻分别为R2和R8 即 式中 p 蒸发段与冷凝段管壁材料的导热系数 kJ m2 Lh Lc 分别为蒸发段与冷凝段管两段的长度 m Do Di 管壁的外内径 m R2与R8的值约为0 1 W 第二节热管 三 热管的工作特性 3 蒸发段或冷凝段输液芯与工作液组合层的径向传热过程 这两个环节的传热与输液芯材料 结构 工质种类即热流密度大小有关 研究指出 对在低热流密度下与液态金属为工质的热管 及以水和有机液为工质的热管 蒸发段以导热方式传热 对所有工质 无论热流密度大小 冷凝段皆以导热方式传热 输液芯与工作液各自的热阻是其串并联的复杂组合 以其当量导热系数 eh ec表示 其热阻分别以R3 R7表示 即 R3与R7的值约为10 W 第二节热管 三 热管的工作特性 4 蒸发段或冷凝段汽液交界面处的传热过程 蒸发段或冷凝段汽液交界面处的传热过程是工作液汽化或蒸汽液化的相变传热 其分界面处的热阻是指蒸汽冲出或蒸汽进入汽液分界面消耗能量所折算的热阻 分别用R4与R6表示 式中Rv 蒸汽的气体常数 蒸发潜热 kJ kg Dv 蒸汽通道的直径 m Lh 蒸发段的长度 m Lc 冷凝段的长度 m Pvh Pvc 分别为蒸发段与冷凝段蒸汽的压力 Pa Tvh Tvc 分别为蒸发段与冷凝段蒸汽的绝对温度 K 这两个热阻很小 约10 5 W 第二节热管 三 热管的工作特性 5 蒸汽轴向流动的传热过程 蒸汽轴向流动的传热过程为热对流传输蒸汽的蒸发潜热 由于蒸汽流动阻力 在蒸发段与冷凝段之间出现蒸汽压差 Pv Pvh Pvc 相对应出现其饱和温度差 t tsh tsc 流动阻力引起温度下降 t 的相应热阻为 式中Q 蒸汽传输的热量 kJ R5很小 约为10 8 W 第二节热管 三 热管的工作特性 6 输液芯与工作液组合 管壳的轴向传热过程 由于加热段或蒸发段与放热段或冷凝段的壳壁 输液芯与工作液组合之间存在温差 必然有部分热量沿轴向传导过去 这部分热量与壳内工作液相变 流动传递的热量并联传递 属于一维导热 其热阻R10 R11分别为 式中 ez 输液芯与工作液组合的轴向当量导热系数 R10 R11都很大 可认为都趋近无穷 所这两种轴向导热量可忽略不计 从以上给出的各部分热阻数量级看 汽 液交界面上和蒸汽轴向流动的热阻最小 一般可忽略不计 另外 由于管壳壁的轴向导热 热管的有效蒸发段一般比加热段长 而有效冷凝段可能比放热段长或者短 第二节热管 三 热管的工作特性 4 热管的相容性及寿命 影响热管寿命的因素很多 归结起来 造成热管不相容的主要形式有以下三个方面 即 产生不凝性气体 工作液体热物性恶化 管壳材料的腐蚀 溶解 1 产生不凝性气体 由于工作液体与管壳材料发生化学发应或电化学反应 产生不凝性气体 在热管工作时 该气体被蒸汽流吹扫到冷凝段聚集起来形成气塞 从而使得有效冷凝面积减小 热阻增大 传热性能恶化 2 工作液体物性恶化 有机工作介质在一定温度下 会逐渐发生分解 这主要是由于工作液体的性质不稳定 或与壳体材料发生化学反应 使工作介质改变其物理性能 3 管壳材料的腐蚀 溶解 工作液体在管壳内连续流动 同时存在着温差 杂质等因素 使管壳材料发生溶解和腐蚀 流动阻力增大 使热管传热性能降低 当管壳被腐蚀后 引起强度下降 甚至引起管壳的腐蚀穿孔 使热管完全失效 第二节热管 根据应用对象 使用目的 冷热源性质与温度水平 选择合适的热管 需要考虑以下几方面问题 1 工作温度热管工质及各部材料选择的主要依据之一 是热管的工作温度范围 热管工作温度范围必须在所选工质的凝固点与临界点之间 对于以传热为目的的热管 其工作温度变化 应处在工质饱和压力线上较平坦的区域 这样 当工作温度由于热冷源温度变化而波动时 不致引起工作压力的急剧波动 四 热管的选择设计 热管的工作温度tv与冷热源温度t1 t2传热量Q以及蒸发段 冷凝段的热阻Rh Rc有如下关系 从上式看到 热管工作温度可在设计时 从结构上加以调节 从热阻角度看 热管加热段和放热段完全对称的结构 即Rh Rc 将使热管在冷热源平均温度上工作 不对称的热管结构 可使热管的工作温度按设计需要在相当大的范围内变化 这给在充分发挥热管优良性能的前提下 更合理地选择材料提供了可能性 第二节热管 四 热管的选择设计 2 工质选择工质的好坏 极大地影响热管的性能 优良的工质应具有以下品质 1 在工作温度范围内能发生相变 并具有合适的饱和压力 不太高也不太低 2 化学性能稳定 并与壳体及输液芯材料间有良好的相容性 3 能润湿壳体与输液芯 4 有较大的品质因素Nl值与导热系数 常以Nl 的乘积称工作液的输运因素 其值要大 即要求工质具有大的蒸发潜热 表面张力与载热能力以及小的粘度与热阻 水是常温段热管最理想的工质 具有较理想的饱和温度和压力的对应关系 有较大的输运因素并且价廉 易得 第二节热管 四 热管的选择设计 3 壳体材料壳体的作用是密封防漏 承压 传热 故优良的壳材应是 1 与工质及外界环境有好的相容性 2 有足够的强度及尽可能小的重量 用其密度与抗拉强度之比 L 最小来标志这方面性能的优良 3 良好的导热性能 要选重量轻 导热性能好 即选抗拉强度与导热系数的乘积 L 大的材料 此外 还需要与工质间有优良的润湿性 易于加工 价廉 易得等特性 从我国材料资源与材料政策出发 碳钢 铝 铜 铝合金及不锈钢都是好的壳材 选材必须以与工质搭配时的温度范围及相容性好为前提 第二节热管 四 热管的选择设计 4 输液芯其作用是产生毛细吸力与增大回流液和热流的通道 输液芯应具有下列性能 1 与工质 壳材有良好的相容性 2 良好的导热性能与工质间的润湿性 3 良好的可加工性 易于做成与管壁吻合 性能稳定良好的形状 4 价廉 易得 5 工质 输液芯和管壳材料组合的选择 1 通过计算工质的输运因素Nl 值 选择几种特定工质 2 确定合适的输液芯材料与结构 在满足要求的性能条件下 应结构简单 成本低 3 选择输液芯与壳材 首先要考虑工质与它们的相容性 其次才考虑 L小 L 大的问题 6 校核计算选定热管后 要根据使用条件进行内部工作极限 毛细极限 声速极限 携带极限 沸腾极限 与传热量的校核计算 第二节热管 1 热管换热器把若干支热管按需要组装成一体 置于冷热源之间 便能把热源的热量源源不断地传给冷源 因而 这种热管元件的组装体便称为热管换热器 如4 12所示 热管换热器按结构形式可分为固定式 旋转式与移动床式三种 按其冷热源的工作介质是何种流体 又可分为气 气式 冷热源的工作介质都是气体 气 液式 液 液式与液 气式四种 五 热管的应用 图4 12热管换热器 第二节热管 五 热管的应用 2 热管冷却设备热管用在电子元件 电器 电机和变压器绕组 轴承 制动器车刀 钻头等结构尺寸小 散热量大 需快速冷却的地方 具有使用简便 散热降冷效果好 从而有提高这些设备的功率和生产率的独特效果 3 热管在太阳能装置中的应用作为太阳能的收集与转换装置 用于建筑采暖和供应热水的非跟踪太阳能热管集热器 第二节热管 五 热管的应用 4 热管在计算机上的应用计算机PC散热器中应用的热管属常温热管 工艺成熟 热管内工质为水 典型实例是通过热管将CPU热量传递到稍远且不在同一平面上的机箱背部散热片处 由机箱风扇负责将热量带走 成功减少整机风扇数量 使机箱内部空气更加合理顺畅 这种方案在准系统和国外品牌整机中较为常见 如图4 13所示 图4 13计算机散热器 第二节热管 此外 热管作为高温传热元件 可应用于原子能 太阳炉 热离子等一般换热器难于满足要求的高温领域 作为低温冷却装置用于冷冻 冷藏领域中 在医疗中可作成低温手术刀 还可做成温度 压力和热量的控制装置 总之 热管的应用领域与项目是十分广阔的 但热管技术尚处在发展阶段 无论从理论和实际应用上 都还有很多工作要做 在实际应用上 制造成本有待降低 工作液与材料的相容性有待改善与进一步探讨 常用的中温段工作液种类很少 有待开发 进一步提高传热性能与发展新的结构型式都才开始 有待大力开展试验研究 第三节吸收式制冷装置 一 吸收式制冷概述 吸收式制冷是利用某些具有特殊性质的工质对 通过一种物质对另一种物质的吸收和释放 产生物质的状态变化 从而伴随吸热和放热的过程 目前常用的工质对有氨水和水 水与溴化锂等 其基本工作原理 以溴化锂制冷机为例 如图4 14所示 图4 14吸收式制冷循环 第三节吸收式制冷装置 一 吸收式制冷概述 吸收式制冷装置由发生器 冷凝器 蒸发器 吸收器 循环泵 节流阀等部件组成 吸收式制冷以自然存在的水或氨等为制冷剂 对环境和大气臭氧层无害 以热能为驱动能源 除了利用锅炉蒸气 燃料产生的热能外 还可以利用余热 废热 太阳能等低品位热能 在同一机组中还可以实现制冷和制热 采暖 的双重目的 目前 吸收式制冷正在向着小型化 高效化的方向发展 各国对吸收式制冷技术的开发研究主要集中在联合循环 余热利用 吸收式热泵 吸收和发生过程的机理研究 换热结构和换热表面 界面活性剂及缓蚀剂 机组优化设计及经济性分析 系统的特性仿真等方面 吸收式制冷已经成为制冷技术的主要发展方向之一 有着非常广阔的前景 第三节吸收式制冷装置 吸收式制冷是液体气化制冷的一种 它和蒸气压缩式制冷一样 是利用液态制冷剂在低压低温下气化以达到制冷的目的 所不同的是 蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功 或电能 使热量从低温物体向高温物体转移 而吸收式制冷则靠消耗热能来完成这种非自发过程 蒸气压缩式制冷使用的工质一般为纯物质 如R717 R12等 而吸收式制冷使用的工质是两种沸点相差较大的物质组成的二元溶液 其中沸点低的物质为制冷剂 沸点高的物质为吸收剂 故又称制冷剂 吸收剂工质对 二 吸收式制冷机的工作原理 图4 15简单吸收式制冷系统 第三节吸收式制冷装置 二 吸收式制冷机的工作原理 由图4 15可见 吸收式制冷机主要由四个热交换设备组成 即发生器 冷凝器 蒸发器和吸收器 它们组成两个循环环路 制冷剂循环与吸收剂循环 左半部是制冷剂循环 属逆循环 由蒸发器 冷凝器和节流装置组成 高压气态制冷剂在冷凝器中向冷却水放热被凝结为液态后 经节流装置减压降温进入蒸发器 在蒸发器 该液体被气化为低压冷剂蒸气 同时吸取被冷却介质的热量产生制冷效应 这些过程与蒸气压缩式制冷是一样的 图4 15中右半部为吸收剂循环 属正循环 主要由吸收器 发生器和溶液泵组成 在吸收器中 用液态吸收剂吸收蒸发器产生的低压气态制冷剂 以达到维持蒸发器内低压的目的 吸收剂吸收制冷剂蒸气而形成的制冷剂 吸收剂溶液 经溶液泵升压后进入发生器 在发生器中该溶液被加热 沸腾 其中沸点低的制冷剂气化形成高压气态制冷剂 又与吸收剂分离 然后前者去冷凝器液化 后者则返回吸收器再次吸收低压气态制冷剂 第三节吸收式制冷装置 1 溴化锂水溶液的特性溴化锂的性质与食盐相似 属盐类 它的沸点为1265 故在一般的高温下对溴化锂水溶液加热时 可以认为仅产生水蒸气 整个系统中没有精馏设备 因而系统更加简单 溴化锂具有极强的吸水性 但溴化锂在水中的溶解度是随温度的降低而降低的 溶液的浓度不宜超过66 否则在运行中 当溶液温度降低时 将会有溴化锂结晶析出的危险性 破坏循环的正常运行 2 溴化锂吸收式制冷系统图4 16为单级溴化锂吸收式制冷机的流程 三 溴化锂吸收式制冷 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 其中除图4 15所示单吸收式制冷系统为主要设备外 在发生器和吸收器之间的溶液管路上装有溶液热交换器 来自吸收器送往发生器的冷稀溶液与来自发生器送往吸收器的热浓溶液在这里进行热交换 这样 既提高了进入发生器的稀溶液温度 减少发生器所需耗热量 又降低了进入吸收器的浓溶液温度 减少了吸收器的冷却负荷 故溶液热交换器又可称为节能器 在分析理论循环时假定 工质流动时无损失 因此在热交换设备内进行的是等压过程 发生器压力Pg等于冷凝压力Pk 吸收器压力Pa等于蒸发压力Po 发生过程和吸收过程终了的溶液状态 以及冷凝过程和蒸发过程终了的冷剂状态都是饱和状态 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 图4 17是图4 16所示系统理论循环的比焓 浓度图 图4 17溴化锂吸收式制冷循环h 图 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 3 溴化锂吸收式制冷机的性能影响溴化锂吸收式制冷系统的因素较多 除了受冷媒水和冷却水温度 流量以及水质等因素的影响外 还与加热蒸气的压力 温度 溶液的流量等因素有关 1 加热蒸气压力 温度 的变化对机组性能的影响 当其它参数不变时 加热蒸气压力对制冷量的影响如图4 18所示 图4 18加热蒸气压力与制冷量的关系图4 19加热蒸气压力变化对循环的影响 加热蒸气的压力变化时 溶液循环的变化如图4 19所示 当压力降低时 加热温度降低 发生器出口浓溶液的温度由t4降至t4 浓度由 r降为 r 发生器出来的水蒸气量减少 因而制冷量减少 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 2 冷媒水出口温度的变化对机组性能的影响 当其它参数不变时 冷媒水出口温度对制冷量的影响如图4 20所示 由图可以看出 冷媒水出口温度降低时 制冷量随之下降 图4 20冷媒水出口温度与制冷量的关系图4 21冷媒水出口温度变化对循环的影响 冷媒水出口温度变化时 溶液循环的变化如图4 21所示 当冷媒水出口温度降低时 蒸发压力由p0降至p0 吸收能力减弱 吸收终了稀溶液浓度 a升高 放气范围变小 制冷量下降 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 3 冷却水进口温度的变化对机组性能的影响 其它参数不变时 冷却水进口温度对制冷量的影响如图4 22所示 由图可以看出 随冷却水进口温度的降低 制冷量增大 图4 22冷却水进口温度与制冷量的关系图4 23冷却水进口温度变化对循环的影响 当冷却水进口温度变化时 溶液循环的变化如图4 23所示 当冷却水进口温度降低时 吸收器出口稀溶液的温度由t2降至t2 浓度 a也随之下降 冷凝压力由pk下降至pk 从而使发生器出口浓溶液的浓度 r增加 显然 它将使循环的放气范围增大 制冷量增加 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 4 冷却水量与冷媒水量的变化对机组性能的影响 其它参数不变时 冷却水量的变化将引起冷却水温的改变 因而冷却水量变化对制冷量的影响与冷却水温度变化对制冷量的影响相似 但它除了引起循环各参数的变化外 还将引起吸收器和冷凝器中传热系数的变化 如图4 24所示 冷媒水出口温度不变时 冷媒水量的变化对制冷量的影响很小 例如当冷媒水量增大时 一方面使得蒸发器传热管内流速增加 传热系数增大 制冷量增加 另一方面 由于外界负荷不变 从而使冷媒水回水温度 即冷媒水的进口温度 降低 导致平均温差降低 制冷量减少 两者综合的结果是机组的制冷量几乎不发生变化 见图4 25 图4 24冷却水量与制冷量的关系图4 25冷媒水流量与制冷量的关系 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 5 冷媒水与冷却水水质的变化对机组性能的影响 水中的污垢对换热器的传热性能影响很大 水质越差越易形成污垢 表4 2列出了污垢系数与制冷量的关系 表4 2污垢系数对制冷量的影响 6 稀溶液循环量的变化对机组性能的影响 稀溶液循环量与系统制冷量的变化关系如图4 26所示 当溶液的循环倍率保持不变时 由于单位制冷量变化不大 因此机组的制冷量几乎与溶液的循环量成正比 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 7 不凝性气体对机组性能的影响 不凝性气体的存在增加了溶液表面的分压力 使冷剂蒸气通过液膜被吸收时的阻力增加 传质系数减小 吸收效果降低 另外 倘若不凝性气体停滞在传热管表面 会引起热阻力 影响传热效果 由图4 27可以看出 若机组中加入 N2达到9 就会使机组的制冷量由原来的2267 4kW降为1162 8kW 几乎下降50 图4 26稀溶液循环量的变化对制冷量的影响图4 27不凝性气体对制冷量的影响 第三节吸收式制冷装置 三 溴化锂吸收式制冷 4 单效溴化锂吸收式制冷机的典型结构溴化锂吸收式制冷机是在高度真空下工作的 稍有空气渗入制冷量就会降低 甚至不能制冷 因此 结构的密封性是最重要的技术条件 要求结构安排必须紧凑 连接部件尽量减少 通常把发生器等四个主要换热设备合置于一个或两个密闭筒体内 即所谓单筒结构和双筒结构 图4 28为双筒形单效溴化锂吸收式制冷机结构简图 图4 28双筒形单效溴化锂吸收式制冷机结构简图1 吸收器2 稀溶液囊3 发生器泵4 溶液热交换器5 发生器6 浓溶液囊7 挡液板8 冷凝器9 冷凝器水盘10 U形管11 蒸发器12 蒸发器水盘13 蒸发器水囊14 蒸发器泵15 冷剂水喷淋系统16 挡水板17 吸收器泵18 溶液喷淋系统19 发生器浓溶液囊20 三通