基于熱管技術的天然冷庫設計與數值模擬分析

楊宇軒，王東風

華東理工大學，上海 200237

基于熱管技術的天然冷庫設計與數值模擬分析

楊宇軒，王東風

華東理工大學，上海 200237

西藏由于地理原因，能源并不充足，生產的水果不能及時進入市場，需要冷藏，而現有的冷庫耗能比較大。針對這一情況，由于西藏地區存在大量凍土的天然條件，本文提出了基于熱管技術的無能耗、無排放特點來建設天然冷庫的構想，即利用毛細泵回路（CPL）使地上的熱量導入地下從而達到冷庫的設計溫度以及利用傾斜的重力熱管防止冷庫的凍脹和融沉，并用流體分析軟件FLUENT進行了數值模擬分析計算。結果表明：利用凍土資源，采用熱管技術制造天然冷庫完全是可行的。

凍土；熱管技術；天然冷庫

0 引言

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，能源危機迫在眉睫。江澤民同志在《對中國能源問題的思考》中提出能源發展的戰略方向：節約高效、多元發展、清潔環保、科技先行、國際合作。我國冷庫行業的現狀不容樂觀，大多數冷庫為國家投資建設，多數冷庫普遍存在自動化程度低、設備技術陳舊、能耗高效率低、隔熱層老化、跑冷嚴重等問題，導致了能源利用率低這一亟待解決的難題。雖然美國、日本、芬蘭和加拿大等冷庫行業相對發達的國家采用了更為先進的技術，但能源大量消耗的缺點依舊存在。

針對冷庫行業高能耗這一普遍存在的問題，我們提出基于熱管技術制造無能耗無排放的天然冷庫的構想。利用傳熱學以及熱管的相關知識確定了熱管型號、尺寸、材料、工質以及厚度后，選用毛細泵熱管（CPL）來實現我們的方案。選用氨作為工質實現熱量的傳遞，同時實現了在低于二攝氏度的時候停止傳熱的功能。依據這些，并利用外界的一直相關條件，計算出熱管與空氣、熱管內部、熱管與土壤等的熱阻。為了使我們方案更具有科學性與說服力，我們利用了流體與傳熱軟件fluent進行了數值模擬與分析。最終得出了此方案可行的結果。

1 熱管原理[1]

熱管技術充分利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，透過熱管將發熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力。熱管利用蒸發制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。當熱管一段受熱時，毛細管中的液體迅速蒸發，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段，如此循環不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環是快速進行的，熱量可以被源源不斷地傳導開來。工作過程如圖1所示。

圖1 熱管原理圖

同時，天然冷庫的設計中是以凍土作為冷源的，這就是將熱量從地上傳到地下，與一般的熱管不同，需要采用的是毛細泵熱管（CPL），并采用有效的保溫材料減少熱量的傳入。進而達到冷庫的設計溫度。另外所設計的冷庫是建在凍土地區，在溫度的影響下，永久凍土可能發展和退化。在永久凍土層上建設建筑物、煙囪、水塔、輸電線路桿塔和鐵路路基等必須考慮到。根據土壤的組成，在溫差作用下，永久凍土層的抗壓強度、抗剪強度、融沉性和凍漲性等力學指標有較大的改變，將對建筑結構產生很大的影響。所設計的冷庫源源不斷的把熱量傳入地下，必須要考慮到冷庫的凍脹和融沉，借鑒青藏鐵路建設中的凍土工程問題及其應對措施提出采用傾斜式重力熱管解決。

將熱管的一部分插入地下作為蒸發段，上部暴露在環境中，作為冷凝段。冬天，環境溫度低于凍土層溫度，地下的熱量加熱插入地下的熱管，使其內部的工作介質汽化，在蒸汽壓的作用下向上部冷凝段流動；在冷凝段，由于溫度比較低，蒸汽遇冷凝結，凝結液在重力的作用下回到蒸發段，進行下一個循環。而夏天，環境溫度比較高，由于熱管內部沒有吸液芯，工作介質不能從下面流到蒸發段，所以此時的熱量只能依靠管壁的熱傳導。正是由于熱虹吸管的這個特點，使地下的永凍層變厚，加固了凍土的強度，減小了以凍土為路基的冷庫的下沉。在凍土層，沒有應用熱管時，其內部的冷凍和融化完全依靠凍土本身的傳導，在冬天凍土得不到充分的冷凍，凍土層的溫度只有-2℃ ，當夏天溫度高于0℃時，很容易融化。而在放置熱管后，凍土層的冷凍過程變成了二維的導熱過程，其內部增加了一個近乎等溫度冷源，可以把從地面到地下5m～6 m近熱管壁土層的溫度變成-20℃，強化了凍土層的冷凍過程。而在夏天又不會增加融化過程，這樣冬天形成的凍土層在夏天的厚度和硬度就比沒有熱管時要大得多，從而加固了路基。[2]

2 冷庫的尺寸結構與計算[3]

1）冷庫尺寸及制冷量：

長寬高（m） （m） （m）制冷量（t）環境溫度（℃）土壤溫度（℃）達到溫度（℃）23 15 4 100 22.2 -2 2

2）熱管選擇及相關計算

（1）熱管選擇

熱管選擇：選用CPL熱管（毛細泵回路）

工作溫度：-20℃～40℃

工作液體選用NH3

管科材料選用低碳鋼，導熱系數λ=52.3w/(m·℃)

D0熱管直徑選用φ100mm 氨在0.381MPa，沸點為2℃

管內壓強為0.381MPa，充液至額定允裝量

（2）熱管尺寸

低碳鋼在2℃時許用壓力為112 MPa

P為最大內壓，故最大內壓發生在常溫保存時，取為40℃，由PV=nRT

考慮到加工及剛性，取t=2mm

取冷凝段Lc為6m，蒸發段Le為3.55m

（3）熱管內阻

①熱管蒸發段金屬管壁的導熱熱阻 Rb1=3.499×10-5℃/W

②冷凝段金屬管壁的導熱熱阻 Rb1=2.07×10-5℃/W

③蒸發段內部介質的蒸發傳熱熱阻：

he=6.722 Rb3=13.89×10-5℃ /W

④管內蒸汽從真發端向冷凝段流動的熱阻，此熱阻較小常忽略。

⑤熱管冷凝段內部蒸汽的凝結放熱熱阻

熱管蒸發段外表面與空氣對流換熱熱阻：Ra=1/Aha

空氣與熱管表面對流傳熱系數ha，參照翅片管順排對流傳熱經驗公式計算

取熱管420根，冷庫熱負荷83kw，則每根Q=198w:A=Af+A0=7.02m2

代入上式得 Ra=0.0092℃/W ， Rb=2.08×10-4℃/W

3 冷庫墻壁材料的選擇[4]

在大多數情況下，冷庫的庫溫均低于外界氣溫，這就不可避免地會發生由外界通過圍護結構向庫內的傳熱。這部分傳入的熱量由制冷劑工作循環而又引出庫外，成為冷庫耗冷量仍可達到總耗冷量的30%～35%之多。因此，如何把冷庫建筑的隔熱結構設計的既經濟合理又可靠耐用，是有十分重要意義的。實踐證明，良好的隔汽防潮處理對保證圍護結構的隔熱性能起著關鍵作用。

冷庫用的隔熱材料應合乎下述要求：導熱系數小、容量小、吸水率低和耐水性好、抗水蒸汽滲透性能好、機械強度較高、耐火性能好、耐低溫性能好、經久耐用、能抵抗或避免蟲蛀鼠害、價格便宜、使用方便、施工簡單。

根據以上要求，我們采用如下的外墻構造：0.03m水泥砂漿抹面、0.02m磚墻、0.02m水泥砂漿找平、0.01m冷底子油一道及二氈三油防潮層、0.65m稻殼、0.035m預制鋼筋混凝土插板。計算出其總熱阻R0和傳熱系數K。

R0=5.877m2·h·℃ /大卡 ， K=1/R0=0.17 m2·h·℃ /大卡

4 冷庫的三維數值模擬及成本估算

1）參數處理

土壤密度 ρs kg/m3 1400 土壤導熱系數 ks W/m.℃ 1.43土壤比熱 Cps kJ/kg.℃ 0.941 土壤溫度 Ts ℃ -2

2）Fluent數據模擬分析結果

采用有中間熱管排布的方式

本文計算中采用1/4房間為計算對象。排布方式及網格劃分如圖2及圖3所示。

圖2 有中間熱管排布的方式

圖3 有中間熱管排布的網格劃分

3）數值結果及分析

根據上述6幅結論圖，不難發現房間中間有熱管排布的布置熱管冷卻效果要優于中間無熱管的排布。

5 結論

根據熱管型號，尺寸，材料、工質以及厚度，計算出我們計算出設計條件下的各種熱阻。根據冷庫設計手冊，查找出100t水果冷庫的制冷量為83kW，確定了冷庫尺寸以及建筑材料。綜合考慮后，確定了熱管的尺寸以及熱管的傳熱效率和根數。一次確定了熱管的傳熱效率，并經過校核，最終確定了熱管的相關尺寸。并在計算條件下滿足了我們的方案要求。現在一百噸位的冷庫制冷量83kW，耗電量是493度/天，而我們的熱管每天只需5度電，前期的投資普通冷庫15 000元。所以從長遠意義來說，我們的熱管可以說是在經濟節能方面具有更重大的意義。

上述的分析可得：采用熱管技術利用西藏凍土制造無能耗物排放的天然冷庫的構想是一種解決能源問題實現低碳排放的一種新的方法，它既可以實現冷庫的需求，又可以解決凍土建筑融沉的難題，但是由于計算結果可能過于理想化，需要事實來證明方案的可行性，但是真正的實驗受到資源以及地理條件的限制而無法進行，所以為了使我們方案更具有科學性與說服力，我們利用現在被廣泛認可的流體與傳熱軟件fluent進行了數值模擬與分析。采用房間中間有熱管分布的方式效果更好。溫度的整體分布更均勻，達到效果的面積更大。整個結果表明：利用凍土資源，采用基于熱管技術的天然冷庫完全是可行的。

[1]莊駿，張紅.熱管技術及其工程應用[M].北京：化學工業 出版社，2000-01-06：67.

[2]陶漢中，張紅.采用熱管技術加固凍土鐵路路基的熱影響 分析[J].能源研究與利用，2003，3：19-21.

[3]湖北工業建筑設計院.冷藏庫設計.中國建筑工業出版社， 1980.

[4]郭寬良.計算傳熱學[M].北京：中國科學技術大學出版 社，1989：38-51．

Design of the Natural Cold Storage and the Numerical Simulation Analysis Based On Heat Pipe Technology

YANG Yuxuan，WANG Dongfeng
East China University of Science and Technology, Shanghai 200237

Because of the geographical reasons, the resource in Tibet is not adequate. The fruits can not get into the makets in time.While the existing refrigerator consume too much energy , which leads to the great contradiction.Thus according to this condition and the natural condition of the frozen soil in Tibet. We indicate an assumption to make a natural refrigerator free energy without emissions which is based on the technology of heat pipe. We utilize the capillary pump loop (CPL) leading the heat above the earth to get down of the earth so as to achieve the design temperature, we also use oblique gravity heat pipe to prevent the cold of frost heave and thaw. Then we simulate and analyze the data with the fluid software FLUENT. The results show that: it is absolutely feasible to create the natural refrigerator with the use of resource of frozen soil and the technology of heat pipe.

Frozen Soil; Technology of Heat Pipe; Natural Refrigerator

TK172

A

1674-6708（2010）28-0022-03