楊宇軒，王東風(fēng)

華東理工大學(xué)，上海 200237

基于熱管技術(shù)的天然冷庫設(shè)計與數(shù)值模擬分析

楊宇軒，王東風(fēng)

華東理工大學(xué)，上海 200237

西藏由于地理原因，能源并不充足，生產(chǎn)的水果不能及時進(jìn)入市場，需要冷藏，而現(xiàn)有的冷庫耗能比較大。針對這一情況，由于西藏地區(qū)存在大量凍土的天然條件，本文提出了基于熱管技術(shù)的無能耗、無排放特點(diǎn)來建設(shè)天然冷庫的構(gòu)想，即利用毛細(xì)泵回路（CPL）使地上的熱量導(dǎo)入地下從而達(dá)到冷庫的設(shè)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(jìn)行了數(shù)值模擬分析計算。結(jié)果表明：利用凍土資源，采用熱管技術(shù)制造天然冷庫完全是可行的。

凍土；熱管技術(shù)；天然冷庫

0 引言

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，能源危機(jī)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(fā)展的戰(zhàn)略方向：節(jié)約高效、多元發(fā)展、清潔環(huán)保、科技先行、國際合作。我國冷庫行業(yè)的現(xiàn)狀不容樂觀，大多數(shù)冷庫為國家投資建設(shè)，多數(shù)冷庫普遍存在自動化程度低、設(shè)備技術(shù)陳舊、能耗高效率低、隔熱層老化、跑冷嚴(yán)重等問題，導(dǎo)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(yè)相對發(fā)達(dá)的國家采用了更為先進(jìn)的技術(shù)，但能源大量消耗的缺點(diǎn)依舊存在。

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

1 熱管原理[1]

熱管技術(shù)充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，透過熱管將發(fā)熱物體的熱量迅速傳遞到熱源外，其導(dǎo)熱能力超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。當(dāng)熱管一段受熱時，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，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(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)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(shè)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(xì)泵熱管（CPL），并采用有效的保溫材料減少熱量的傳入。進(jìn)而達(dá)到冷庫的設(shè)計溫度。另外所設(shè)計的冷庫是建在凍土地區(qū)，在溫度的影響下，永久凍土可能發(fā)展和退化。在永久凍土層上建設(shè)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(jù)土壤的組成，在溫差作用下，永久凍土層的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、融沉性和凍漲性等力學(xué)指標(biāo)有較大的改變，將對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的影響。所設(shè)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(shè)中的凍土工程問題及其應(yīng)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(fā)段，上部暴露在環(huán)境中，作為冷凝段。冬天，環(huán)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(nèi)部的工作介質(zhì)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(jié)，凝結(jié)液在重力的作用下回到蒸發(fā)段，進(jìn)行下一個循環(huán)。而夏天，環(huán)境溫度比較高，由于熱管內(nèi)部沒有吸液芯，工作介質(zhì)不能從下面流到蒸發(fā)段，所以此時的熱量只能依靠管壁的熱傳導(dǎo)。正是由于熱虹吸管的這個特點(diǎn)，使地下的永凍層變厚，加固了凍土的強(qiáng)度，減小了以凍土為路基的冷庫的下沉。在凍土層，沒有應(yīng)用熱管時，其內(nèi)部的冷凍和融化完全依靠凍土本身的傳導(dǎo)，在冬天凍土得不到充分的冷凍，凍土層的溫度只有-2℃ ，當(dāng)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(dǎo)熱過程，其內(nèi)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(qiáng)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(jié)構(gòu)與計算[3]

1）冷庫尺寸及制冷量：

長寬高（m） （m） （m）制冷量（t）環(huán)境溫度（℃）土壤溫度（℃）達(dá)到溫度（℃）23 15 4 100 22.2 -2 2

2）熱管選擇及相關(guān)計算

（1）熱管選擇

熱管選擇：選用CPL熱管（毛細(xì)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(dǎo)熱系數(shù)λ=52.3w/(m·℃)

D0熱管直徑選用φ100mm 氨在0.381MPa，沸點(diǎn)為2℃

管內(nèi)壓強(qiáng)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(nèi)壓，故最大內(nèi)壓發(fā)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(fā)段Le為3.55m

（3）熱管內(nèi)阻

①熱管蒸發(fā)段金屬管壁的導(dǎo)熱熱阻 Rb1=3.499×10-5℃/W

②冷凝段金屬管壁的導(dǎo)熱熱阻 Rb1=2.07×10-5℃/W

③蒸發(fā)段內(nèi)部介質(zhì)的蒸發(fā)傳熱熱阻：

he=6.722 Rb3=13.89×10-5℃ /W

④管內(nèi)蒸汽從真發(fā)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(nèi)部蒸汽的凝結(jié)放熱熱阻

熱管蒸發(fā)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(shù)ha，參照翅片管順排對流傳熱經(jīng)驗公式計算

取熱管420根，冷庫熱負(fù)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(shù)情況下，冷庫的庫溫均低于外界氣溫，這就不可避免地會發(fā)生由外界通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)向庫內(nèi)的傳熱。這部分傳入的熱量由制冷劑工作循環(huán)而又引出庫外，成為冷庫耗冷量仍可達(dá)到總耗冷量的30%～35%之多。因此，如何把冷庫建筑的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計的既經(jīng)濟(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能起著關(guān)鍵作用。

冷庫用的隔熱材料應(yīng)合乎下述要求：導(dǎo)熱系數(shù)小、容量小、吸水率低和耐水性好、抗水蒸汽滲透性能好、機(jī)械強(qiáng)度較高、耐火性能好、耐低溫性能好、經(jīng)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(jù)以上要求，我們采用如下的外墻構(gòu)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(yù)制鋼筋混凝土插板。計算出其總熱阻R0和傳熱系數(shù)K。

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

4 冷庫的三維數(shù)值模擬及成本估算

1）參數(shù)處理

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

2）Fluent數(shù)據(jù)模擬分析結(jié)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(wǎng)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(wǎng)格劃分

3）數(shù)值結(jié)果及分析

根據(jù)上述6幅結(jié)論圖，不難發(fā)現(xiàn)房間中間有熱管排布的布置熱管冷卻效果要優(yōu)于中間無熱管的排布。

5 結(jié)論

根據(jù)熱管型號，尺寸，材料、工質(zhì)以及厚度，計算出我們計算出設(shè)計條件下的各種熱阻。根據(jù)冷庫設(shè)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(shù)。一次確定了熱管的傳熱效率，并經(jīng)過校核，最終確定了熱管的相關(guān)尺寸。并在計算條件下滿足了我們的方案要求。現(xiàn)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(yuǎn)意義來說，我們的熱管可以說是在經(jīng)濟(jì)節(jié)能方面具有更重大的意義。

上述的分析可得：采用熱管技術(shù)利用西藏凍土制造無能耗物排放的天然冷庫的構(gòu)想是一種解決能源問題實現(xiàn)低碳排放的一種新的方法，它既可以實現(xiàn)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(jié)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(jìn)行，所以為了使我們方案更具有科學(xué)性與說服力，我們利用現(xiàn)在被廣泛認(rèn)可的流體與傳熱軟件fluent進(jìn)行了數(shù)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(dá)到效果的面積更大。整個結(jié)果表明：利用凍土資源，采用基于熱管技術(shù)的天然冷庫完全是可行的。

[1]莊駿，張紅.熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè) 出版社，2000-01-06：67.

[2]陶漢中，張紅.采用熱管技術(shù)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(yè)建筑設(shè)計院.冷藏庫設(shè)計.中國建筑工業(yè)出版社， 1980.

[4]郭寬良.計算傳熱學(xué)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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