動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

張洪旺

摘 要：節(jié)能是當(dāng)代學(xué)術(shù)界的重要課題，是企業(yè)創(chuàng)新的熱點(diǎn)，也是一項基本國策。文章綜述了熱管、熱泵及熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀，介紹了動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展趨勢，對促進(jìn)動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)的推廣具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：動力型熱管；熱泵；聯(lián)合節(jié)能技術(shù)

中圖分類號：S226.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0191-02

Abstract： Energy saving is an important topic in the contemporary academic circles， which is the hotspot of enterprise innovation， and a basic national policy. In this paper， the research status of heat pipe， heat pump and heat pipe heat pump combined energy saving technology is summarized， and the application progress and development trend of power heat pipe heat pump combined energy saving technology are introduced. It has certain significance to promote the popularization of the combined energy-saving technology of power heat pipe heat pump.

Keywords： power heat pipe； heat pump； combined energy-saving technology

1 概述

熱管是一種依靠潛熱進(jìn)行能量輸運(yùn)的元件，具有換熱系數(shù)高，等溫性好，熱流方向可逆，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特性；而熱泵以消耗少量電能或燃料為代價，將大量無用的低熱能變?yōu)橛杏玫母邿崮?，具有制冷制熱雙重功能。動力型熱管熱泵的聯(lián)合應(yīng)用可以更有效的實現(xiàn)能源利用最大化。

2 動力型熱管與熱泵的研究現(xiàn)狀

2.1 動力型熱管的研究現(xiàn)狀

1944年美國俄亥俄州的R.S.Gaugler首次提出了熱管工作原理[1]；1964年，美國Los Alamos國家實驗室創(chuàng)造出了熱管這種傳熱元件，使得熱管從理論階段走向?qū)嵺`[2]；1964-1970年間，熱管研究進(jìn)入了理論研究的高峰期，有近千篇論文發(fā)表；從1970年起，熱管從實驗室規(guī)模迅速轉(zhuǎn)向?qū)嵱妙I(lǐng)域，包括空間核電源、電子儀器散熱、航天飛行器均溫等節(jié)能應(yīng)用研究；1980-2000年，熱管開始進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段，在電子電器散熱、計算機(jī)CPU散熱、大型空氣預(yù)熱器、高溫?zé)峁軗Q熱器、高溫高壓化學(xué)反應(yīng)器等領(lǐng)域迅速發(fā)展。2000年以來，熱管逐漸步入更深入的應(yīng)用研究階段，其技術(shù)領(lǐng)域主要涵蓋高效微型熱管技術(shù)、高溫大型熱管技術(shù)、高效熱管反應(yīng)設(shè)備技術(shù)、高效熱管換熱裝備等方面。

40多年來，熱管由單根熱管演變到多根熱管組成的換熱器，由整體式熱管換熱器演變到分體式熱管換熱器等，但整體來看，現(xiàn)有熱管以重力和毛吸力作為驅(qū)動力，在結(jié)構(gòu)靈活性和啟動特性上存在著傳熱距離短、蒸發(fā)段與冷凝段的安裝位置具有局限性、啟動復(fù)雜困難等問題。

為解決上述問題，提高熱管工作性能，出現(xiàn)了泵驅(qū)動的熱管系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)離心力驅(qū)動的熱管系統(tǒng)、電流體驅(qū)動的熱管系統(tǒng)及磁流體驅(qū)動的熱管系統(tǒng)。由于電流體驅(qū)動和磁流體驅(qū)動的熱管系統(tǒng)的動力有限，旋轉(zhuǎn)離心力驅(qū)動的熱管系統(tǒng)僅適用于電機(jī)等特定的設(shè)備中。而由于泵驅(qū)動熱管系統(tǒng)具有顯著節(jié)能效果及其普遍適用性，成為近年來學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，并已經(jīng)應(yīng)用于空調(diào)、干燥、航天等領(lǐng)域。

2.2 熱泵的研究現(xiàn)狀

1824年卡諾發(fā)表的卡諾循環(huán)的論文中首次提出了熱泵理論，1850年開爾文指出制冷裝置也可以制熱，1852年威廉·湯姆遜提出熱泵構(gòu)想，且稱其為熱能倍增器[3]。20世紀(jì)初期，熱泵技術(shù)才得以初步發(fā)展，如1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套用于供暖的水源熱泵設(shè)備，到20世紀(jì)40年代，才有了許多代表性的熱泵設(shè)計。

目前，熱泵已演變出多種形式，按工作原理，可分為蒸汽壓縮式（也稱為機(jī)械壓縮式熱泵）、吸收式熱泵、化學(xué)熱泵、蒸汽噴射式熱泵、熱電熱泵等，因其高效節(jié)能特性已被廣泛應(yīng)用在供暖、干燥、余熱回收等行業(yè)。例如，與燃煤，燃油鍋爐相比，在提供相同熱量的情況下，熱泵可節(jié)約40%左右的一次能源，可減少68%的二氧化碳排放量、93%的二氧化硫排放量、73%的二氧化氮排放量[4]。

2.3 動力型熱管熱泵聯(lián)合型節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀

熱管和熱泵技術(shù)的應(yīng)用可以減少一次能源使用、對廢熱進(jìn)行梯級利用，實現(xiàn)高效節(jié)能是可行的。

張龍燦對光伏-太陽能環(huán)形熱管/熱泵復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)同時具有環(huán)形熱管模式、熱泵模式的優(yōu)點(diǎn)，可以保證對熱能的穩(wěn)定供給，同時能夠合理利用能源和減少電能消耗[5]；李永田等研究了分離式熱管和熱泵聯(lián)合技術(shù)在谷物等低溫干燥領(lǐng)域的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，與熱管與熱泵技術(shù)進(jìn)行單一使用相比，熱管和熱泵聯(lián)合技術(shù)的運(yùn)營成本底，能夠推動低品位能源的使用，但設(shè)計難度增大[6]；田小亮等于“熱管熱泵復(fù)合式干燥動力源系統(tǒng)”“一種節(jié)能型冷凍深度除濕空氣處理裝置”等多項授權(quán)發(fā)明專利中利用了動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)，并通過實驗研究發(fā)現(xiàn)動力型熱管可以減小熱泵機(jī)組的熱負(fù)荷，提高系統(tǒng)的除濕能力，節(jié)能效果顯著[7-8]。

綜上，熱管與熱泵聯(lián)合技術(shù)確實具有高效節(jié)能性?？紤]工作穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)靈活性等問題，動力型熱管熱泵聯(lián)合技術(shù)優(yōu)于普通熱管熱泵聯(lián)合技術(shù)，更具有廣闊的應(yīng)用前景。endprint

3 動力型熱管熱泵的聯(lián)合節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 應(yīng)用于中央空調(diào)領(lǐng)域

我國現(xiàn)有統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗約占社會總能耗的1/3左右，其中，僅中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗就占整個建筑能耗的50%～60%。

現(xiàn)在的中央空調(diào)系統(tǒng)通常采用冷凍除濕機(jī)組和轉(zhuǎn)輪除濕機(jī)組對空氣進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕。冷凍除濕法通常是利用7-12℃的冷凍水作冷媒來冷卻被處理的空氣，機(jī)器露點(diǎn)溫度一般在14℃以上；近十年來出現(xiàn)的直膨式冷凍除濕方法，使機(jī)器露點(diǎn)溫度由14℃以上降低為10℃以上；轉(zhuǎn)輪除濕法盡管能達(dá)到很好的絕對除濕效果，滿足低濕的空氣處理要求，但處理過程能耗巨大。而利用動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)對空氣進(jìn)行調(diào)溫調(diào)濕類型的空調(diào)系統(tǒng)的能耗僅為轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的1/5-1/3，且能夠在機(jī)器露點(diǎn)溫度為-5℃的工況長期穩(wěn)定運(yùn)行。

該技術(shù)在應(yīng)用中實現(xiàn)了整機(jī)的制冷能效比達(dá)到6.9；制冷和制熱總能效比為9.9，而普通直膨式空調(diào)機(jī)組的最高級制冷能效比（1級）為3.4，綜合能效顯著提高。

3.2 應(yīng)用于干燥領(lǐng)域

干燥工序作為藥材、食品等加工過程中的重要環(huán)節(jié)，是一個需要大量消耗能源的過程。據(jù)統(tǒng)計，干燥能耗大約占全部能耗的12%～20%。因此，如何提高干燥效率，降低能耗，并能確保物料干燥質(zhì)量，成為生產(chǎn)型企業(yè)的追求。

相比真空冷凍干燥、隧道干燥、轉(zhuǎn)筒干燥等，空氣源熱泵干燥具有節(jié)約能源、產(chǎn)品質(zhì)量高、干燥時間短等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，倍受國內(nèi)外廠家的青睞。但目前空氣源熱泵干燥技術(shù)在實際應(yīng)用過程中仍存在以下問題：（1）干燥中后期，物料含水量下降，干燥速度變慢，干燥時間延長，能耗增加；（2）變溫運(yùn)行較為困難； （3）干燥規(guī)模相對較小。

4 結(jié)束語

動力型熱管熱泵聯(lián)合節(jié)能技術(shù)在能量回收和高效節(jié)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍需要深入對以下方面進(jìn)行研究：

（1）對熱管系統(tǒng)深入研究，如溶液泵與蒸發(fā)器的匹配、換熱器管路布置以及介質(zhì)充注量等問題。

（2）對熱泵機(jī)組的換熱特性、節(jié)流閥選型等進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)應(yīng)用程序，拓展應(yīng)用領(lǐng)域。

（3）對動力型熱管熱泵聯(lián)合高效節(jié)能技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行理論、實驗分析，尋找節(jié)能效果最佳組合方式，推動高效節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Gauge R S. Heat transfer device. U.S. Patent 2350348. Dec. 21，1942.

[2]Grover G M， Cotter T P， Erikson G F. Structure of very high thermal conductance[J].Journal of Applied Physics， 1964，35（6）.

[3]城東，謝繼紅.熱泵技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2006：1-32.

[4]Wang Q， He W， Liu Y Q， et al， Vapor compression multifunctional heat pumps in China： A review of configurations and operational modes [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012，16：6522-6538.

[5]張龍燦.光伏-太陽能環(huán)形熱管/熱泵復(fù)合系統(tǒng)的實驗研究[D].安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[6]李永，田張麗.熱管和熱泵聯(lián)合技術(shù)在谷物干燥領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2016，21：147-151.

[7]田小亮，孫暉，熱管熱泵復(fù)合式干燥動力源系統(tǒng)[P].中國專利，ZL200610068824.8，2006-09-21.

[8]田小亮，李曉花，孫暉，等.一種節(jié)能型冷凍深度除濕空氣處理裝置[P].中國專利，CN104819526A，2015-08-05.endprint