基于热管技术的天然冷库设计与数值模拟分析

杨宇轩，王东风

华东理工大学，上海 200237

基于热管技术的天然冷库设计与数值模拟分析

杨宇轩，王东风

华东理工大学，上海 200237

西藏由于地理原因，能源并不充足，生产的水果不能及时进入市场，需要冷藏，而现有的冷库耗能比较大。针对这一情况，由于西藏地区存在大量冻土的天然条件，本文提出了基于热管技术的无能耗、无排放特点来建设天然冷库的构想，即利用毛细泵回路（CPL）使地上的热量导入地下从而达到冷库的设计温度以及利用倾斜的重力热管防止冷库的冻胀和融沉，并用流体分析软件FLUENT进行了数值模拟分析计算。结果表明：利用冻土资源，采用热管技术制造天然冷库完全是可行的。

冻土；热管技术；天然冷库

0 引言

能源是人类生存和发展的重要物质基础，能源危机迫在眉睫。江泽民同志在《对中国能源问题的思考》中提出能源发展的战略方向：节约高效、多元发展、清洁环保、科技先行、国际合作。我国冷库行业的现状不容乐观，大多数冷库为国家投资建设，多数冷库普遍存在自动化程度低、设备技术陈旧、能耗高效率低、隔热层老化、跑冷严重等问题，导致了能源利用率低这一亟待解决的难题。虽然美国、日本、芬兰和加拿大等冷库行业相对发达的国家采用了更为先进的技术，但能源大量消耗的缺点依旧存在。

针对冷库行业高能耗这一普遍存在的问题，我们提出基于热管技术制造无能耗无排放的天然冷库的构想。利用传热学以及热管的相关知识确定了热管型号、尺寸、材料、工质以及厚度后，选用毛细泵热管（CPL）来实现我们的方案。选用氨作为工质实现热量的传递，同时实现了在低于二摄氏度的时候停止传热的功能。依据这些，并利用外界的一直相关条件，计算出热管与空气、热管内部、热管与土壤等的热阻。为了使我们方案更具有科学性与说服力，我们利用了流体与传热软件fluent进行了数值模拟与分析。最终得出了此方案可行的结果。

1 热管原理[1]

热管技术充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热管利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。工作过程如图1所示。

图1 热管原理图

同时，天然冷库的设计中是以冻土作为冷源的，这就是将热量从地上传到地下，与一般的热管不同，需要采用的是毛细泵热管（CPL），并采用有效的保温材料减少热量的传入。进而达到冷库的设计温度。另外所设计的冷库是建在冻土地区，在温度的影响下，永久冻土可能发展和退化。在永久冻土层上建设建筑物、烟囱、水塔、输电线路杆塔和铁路路基等必须考虑到。根据土壤的组成，在温差作用下，永久冻土层的抗压强度、抗剪强度、融沉性和冻涨性等力学指标有较大的改变，将对建筑结构产生很大的影响。所设计的冷库源源不断的把热量传入地下，必须要考虑到冷库的冻胀和融沉，借鉴青藏铁路建设中的冻土工程问题及其应对措施提出采用倾斜式重力热管解决。

将热管的一部分插入地下作为蒸发段，上部暴露在环境中，作为冷凝段。冬天，环境温度低于冻土层温度，地下的热量加热插入地下的热管，使其内部的工作介质汽化，在蒸汽压的作用下向上部冷凝段流动；在冷凝段，由于温度比较低，蒸汽遇冷凝结，凝结液在重力的作用下回到蒸发段，进行下一个循环。而夏天，环境温度比较高，由于热管内部没有吸液芯，工作介质不能从下面流到蒸发段，所以此时的热量只能依靠管壁的热传导。正是由于热虹吸管的这个特点，使地下的永冻层变厚，加固了冻土的强度，减小了以冻土为路基的冷库的下沉。在冻土层，没有应用热管时，其内部的冷冻和融化完全依靠冻土本身的传导，在冬天冻土得不到充分的冷冻，冻土层的温度只有-2℃ ，当夏天温度高于0℃时，很容易融化。而在放置热管后，冻土层的冷冻过程变成了二维的导热过程，其内部增加了一个近乎等温度冷源，可以把从地面到地下5m～6 m近热管壁土层的温度变成-20℃，强化了冻土层的冷冻过程。而在夏天又不会增加融化过程，这样冬天形成的冻土层在夏天的厚度和硬度就比没有热管时要大得多，从而加固了路基。[2]

2 冷库的尺寸结构与计算[3]

1）冷库尺寸及制冷量：

长宽高（m） （m） （m）制冷量（t）环境温度（℃）土壤温度（℃）达到温度（℃）23 15 4 100 22.2 -2 2

2）热管选择及相关计算

（1）热管选择

热管选择：选用CPL热管（毛细泵回路）

工作温度：-20℃～40℃

工作液体选用NH3

管科材料选用低碳钢，导热系数λ=52.3w/(m·℃)

D0热管直径选用φ100mm 氨在0.381MPa，沸点为2℃

管内压强为0.381MPa，充液至额定允装量

（2）热管尺寸

低碳钢在2℃时许用压力为112 MPa

P为最大内压，故最大内压发生在常温保存时，取为40℃，由PV=nRT

考虑到加工及刚性，取t=2mm

取冷凝段Lc为6m，蒸发段Le为3.55m

（3）热管内阻

①热管蒸发段金属管壁的导热热阻 Rb1=3.499×10-5℃/W

②冷凝段金属管壁的导热热阻 Rb1=2.07×10-5℃/W

③蒸发段内部介质的蒸发传热热阻：

he=6.722 Rb3=13.89×10-5℃ /W

④管内蒸汽从真发端向冷凝段流动的热阻，此热阻较小常忽略。

⑤热管冷凝段内部蒸汽的凝结放热热阻

热管蒸发段外表面与空气对流换热热阻：Ra=1/Aha

空气与热管表面对流传热系数ha，参照翅片管顺排对流传热经验公式计算

取热管420根，冷库热负荷83kw，则每根Q=198w:A=Af+A0=7.02m2

代入上式得 Ra=0.0092℃/W ， Rb=2.08×10-4℃/W

3 冷库墙壁材料的选择[4]

在大多数情况下，冷库的库温均低于外界气温，这就不可避免地会发生由外界通过围护结构向库内的传热。这部分传入的热量由制冷剂工作循环而又引出库外，成为冷库耗冷量仍可达到总耗冷量的30%～35%之多。因此，如何把冷库建筑的隔热结构设计的既经济合理又可靠耐用，是有十分重要意义的。实践证明，良好的隔汽防潮处理对保证围护结构的隔热性能起着关键作用。

冷库用的隔热材料应合乎下述要求：导热系数小、容量小、吸水率低和耐水性好、抗水蒸汽渗透性能好、机械强度较高、耐火性能好、耐低温性能好、经久耐用、能抵抗或避免虫蛀鼠害、价格便宜、使用方便、施工简单。

根据以上要求，我们采用如下的外墙构造：0.03m水泥砂浆抹面、0.02m砖墙、0.02m水泥砂浆找平、0.01m冷底子油一道及二毡三油防潮层、0.65m稻壳、0.035m预制钢筋混凝土插板。计算出其总热阻R0和传热系数K。

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

4 冷库的三维数值模拟及成本估算

1）参数处理

土壤密度 ρs kg/m3 1400 土壤导热系数 ks W/m.℃ 1.43土壤比热 Cps kJ/kg.℃ 0.941 土壤温度 Ts ℃ -2

2）Fluent数据模拟分析结果

采用有中间热管排布的方式

本文计算中采用1/4房间为计算对象。排布方式及网格划分如图2及图3所示。

图2 有中间热管排布的方式

图3 有中间热管排布的网格划分

3）数值结果及分析

根据上述6幅结论图，不难发现房间中间有热管排布的布置热管冷却效果要优于中间无热管的排布。

5 结论

根据热管型号，尺寸，材料、工质以及厚度，计算出我们计算出设计条件下的各种热阻。根据冷库设计手册，查找出100t水果冷库的制冷量为83kW，确定了冷库尺寸以及建筑材料。综合考虑后，确定了热管的尺寸以及热管的传热效率和根数。一次确定了热管的传热效率，并经过校核，最终确定了热管的相关尺寸。并在计算条件下满足了我们的方案要求。现在一百吨位的冷库制冷量83kW，耗电量是493度/天，而我们的热管每天只需5度电，前期的投资普通冷库15 000元。所以从长远意义来说，我们的热管可以说是在经济节能方面具有更重大的意义。

上述的分析可得：采用热管技术利用西藏冻土制造无能耗物排放的天然冷库的构想是一种解决能源问题实现低碳排放的一种新的方法，它既可以实现冷库的需求，又可以解决冻土建筑融沉的难题，但是由于计算结果可能过于理想化，需要事实来证明方案的可行性，但是真正的实验受到资源以及地理条件的限制而无法进行，所以为了使我们方案更具有科学性与说服力，我们利用现在被广泛认可的流体与传热软件fluent进行了数值模拟与分析。采用房间中间有热管分布的方式效果更好。温度的整体分布更均匀，达到效果的面积更大。整个结果表明：利用冻土资源，采用基于热管技术的天然冷库完全是可行的。

[1]庄骏，张红.热管技术及其工程应用[M].北京：化学工业 出版社，2000-01-06：67.

[2]陶汉中，张红.采用热管技术加固冻土铁路路基的热影响 分析[J].能源研究与利用，2003，3：19-21.

[3]湖北工业建筑设计院.冷藏库设计.中国建筑工业出版社， 1980.

[4]郭宽良.计算传热学[M].北京：中国科学技术大学出版 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