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哈雷釬焊板式換熱器
專業生產:換熱器;分水器;過水熱;冷卻器
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跨臨界CO2汽車空調換熱器的研究進展

點擊:1769 日期:[ 2014-04-26 21:07:46 ]
                               跨臨界CO2汽車空調換熱器的研究進展                                   吳金星,李 澤,王任遠,尹凱杰                           (鄭州大學節能技術研究中心,河南鄭州450001)     摘要:在汽車空調系統中,換熱器是主要的組成部件。本文介紹了跨臨界CO2循環換熱關聯式與換熱器的研究進展,并對跨臨界CO2空調換熱器的發展趨勢進行了展望。     關鍵詞:汽車空調;跨臨界CO2循環;換熱關聯式;微通道換熱器     中圖分類號:TB61+2 文獻標識碼:A 文章編號:1004-7948(2009)06-0016-04     引言     近年來,人們對環境問題越來越重視,在空調制冷系統中,對環境友好的自然工質CO2再次引起人們的關注。CO2臨界壓力和臨界溫度分別為 7·38MPa和31·1℃,由于其臨界溫度比較低, Lorentzen[1]推薦使用跨臨界制冷循環系統。在相 同條件下,CO2的單位容積制冷量非常高,通常是R22的5倍左右,使得系統的結構尺寸大大減小。許多學者對CO2系統在家用空調、汽車空調及熱泵方面的應用和部件的設計問題進行了研究:Yin等[2]用有限元法對CO2超臨界氣體冷卻器進行了分析; Kim等[3]提出了一個詳細的微通道蒸發器的有限容積模型,該模型可用于微通道蒸發器的性能分析和結構設計,但要求管內制冷劑分配比較均勻; Boewe等[4]比較了不同長度(0·1m和1·5m)的內部換熱器對系統的影響,發現安裝內部換熱器可以使汽車空調系統的性能大大提高。     由于換熱器的重量和體積在空調系統中幾乎占了一半,因而開發研究性能優化的緊湊式換熱器,對發展CO2跨臨界循環制冷技術至關重要。對跨臨界CO2汽車空調換熱器的研究可分為兩個方面:一是空調換熱關聯式的研究;二是CO2空調換熱器的結構設計和應用研究。     1 跨臨界CO2空調換熱關聯式研究     1·1 CO2在亞臨界過熱區的對流換熱系數計算 目前沒有專門的CO2亞臨界過熱時湍流換熱試驗關聯式,一般使用petukhov關聯式[5]計算:                                          當Tb≤Tpc:a=0·013,f=1·0,k=-0·55,n= 1·6。該關聯式計算值與實驗數據間平均偏差為 12·7%。     由上述關聯式可看出:對流換熱的主要影響參 數包括Re,Pr,cp,Gr和μ等。根據具體情況考慮 參數的影響程度及定性溫度不同,關聯式形式和計 算結果也有所不同。目前傳熱關聯式都是在特定條 件下得到的,沒有一個通用的關聯式可以準確地描 述超臨界CO2的傳熱,在進行跨臨界CO2空調換熱 器模型設計及跨臨界CO2制冷循環系統仿真時,應 視具體情況選擇合適的關聯式。     2 跨臨界CO2空調換熱器結構研究     挪威科技大學lorentzen[10]首先提出在汽車空 調系統中采用跨臨界CO2制冷循環,其系統工作原 理如圖1所示。                      由圖1可清楚的看出,CO2在汽車空調中的循 環過程就是1—5的流動過程。跨臨界CO2系統的 換熱部件主要有三部分:氣體冷卻器、內部換熱器、 蒸發器。     2·1氣體冷卻器     在超臨界CO2循環系統中,高壓側是CO2通過 氣體冷卻器從氣體直接冷卻為液體。由于CO2工 作在超臨界狀態下,壓力高且氣體冷卻器制冷劑出 口溫度與出口壓力沒有關系。因此,允許有較大的 壓降。CO2具有良好的傳熱性能,所以,制冷劑質 量流量一般取600~1200kg/(m2·s)。      國外第一臺氣體冷卻器由Lorentzen和Pet- tersen[11]于1990~1991年推出,它由外徑/內徑為 4·9mm/3·4mm的鋁管和平直鋁翅片構成,由于進 口管與出口管距離較近導致兩者之間通過肋片導 熱;隨后他們于1994年重新設計了氣體冷卻器,將 管徑減小到3·2mm/2mm,并且在第二、三排管之間 采用百葉窗設計,減小了進出口之間的導熱,但是第 二、三排管之間仍然存在導熱。由于小管徑翅片管 脹管加工困難,成本很高,因而在1997年提出了銅 制平行流空氣冷卻器。 “平行流”空氣冷卻器由積液管、平行微管以及 微管間的空氣肋片組成。微管嵌入積液管的插槽 上,其結構示意如圖2所示。其中換熱扁管設計尺 寸如圖3所示。這種換熱器管徑更小,換熱強度更 高,結構更為緊湊,有望成為空氣冷卻器的新標準。                          由于國內前幾年不具備微通道氣體冷卻器的制 造能力,上海交大的汽車空調樣機采用管片式結 構[12]。清華大學鄧健強[13]等與蘇州三川換熱器公 司從工藝上解決了雙筒集流管擠壓成型加工問題, 氣體冷卻器試制用的雙筒集流管和換熱扁管分別如 圖4、5所示。雙筒集流管等采用擠壓成型。雙筒集 流管和換熱扁管為牌號3A21鋁錳合金材料,在所 有鋁合金材料中,3A21鋁錳合金在空氣、酸與自來水中的抗腐蝕能力最好。焊縫的抗蝕性與基體金屬相同,在冷、熱狀態下合金的變形性能好,材料力學性能穩定。                          2·2內部換熱器     在跨臨界CO2制冷循環中使用的內部換熱器, 一側為壓力達10MPa以上的超臨界CO2流體,另 一側為壓力為4MPa的亞臨界CO2過熱蒸汽。圖6 所示為美國Hrnjak等采用的CO2汽車空調內部換 熱器結構[14],其采用雙層鋁管,套管走4MPa左右 的亞臨界CO2熱蒸汽,內管走10MPa左右的超臨 界CO2流體,采用逆流方式換熱流動。                       圖7為板翅式換熱器的內部通道截面結構[15], 截面共六層溝槽,其中第二、五層為超臨界側流體換 熱通道,其他為亞臨界側流體換熱通道。圖8為 Boewe[16]等采用的微通道管式換熱器。該換熱器比套管式換熱器材料減少50%,性能提高10%。目前上海交通大學汽車空調項目采用的是套管式內部換熱器[12]。按常規尺寸的的壓力容器標準設計高壓換熱器,會使整個換熱器設備笨重,體積大,成本高。                            2·3蒸發器     由于蒸發器內牽涉到兩相流動,給模擬和實驗都帶來很大的難度。目前對跨臨界CO2空調蒸發器的結構報道很少。在CO2汽車空調蒸發器的發展中,最初是機械脹管結構,后來是具有足夠爆破壓力小直徑圓管結構,進一步發展到釬焊微通道蒸發器。圓管蒸發器雖然具有大量的平行制冷劑回路, 但制冷劑的分配仍不成問題。微通道蒸發器使液體 在每個流程之后能在積液管中再進行分配,從而為沿回路流動的制冷劑流量改變提供了更大的彈性。其設計制造中的主要問題是要有蒸發器寬管道所需的緊湊、重量輕、能夠承受高壓的積液管。兩個蒸發器用接頭將4個頂端固定在一起,這些接頭充當積 液管的進口或出口,其中有一個用來把制冷劑從后一部分傳遞到前一部分。空氣從第一排流向第二排管,制冷劑從后排管的右側流進,從前排管的右側流出。表1是跨臨界二氧化碳系統蒸發器設計參數的 發展情況。                           目前對于蒸發器上冷凝物的研究還不很多。最 早的研究發現,當散熱片間距為1·4mm時,濕表面 在表面風速不高的情況下,表面傳熱系數情況不敏 感,在干表面情況下也得到了相似的結果。對于間 距更小的散熱片來說,性能會明顯降低,這主要是散 熱片凝結液間塔橋造成的。     3 跨臨界CO2空調換熱器的研究方向     (1)在跨臨界循環中,由于跨臨界CO2系統壓 力高、蒸發潛熱大、溶劑流量小,使得系統的各部件 尺寸必須小;又由于CO2的換熱系數比較高,使得 可以減少制冷劑側的換熱面積,增加空氣側換熱面 積,同時保證換熱量。這些特點使得跨臨界CO2循 環中換熱器必須向緊湊式微通道方向發展,并盡量 采用細小管徑,增加管徑數目以及增加管程數。     (2)跨臨界循環中的換熱關聯式的研究還不成 熟,沒有統一關聯式可適用各種換熱器設計,還需做 大量研究。另外,關于三角形管道與正方形管道的 研究已有報道[17],如何應用于實際也有很多工作要 做。     (3)跨臨界CO2換熱設備及系統安全性與可靠 性的開發和研究,還有管內的制冷劑如何均勻分配 問題也是研究的一個重點。     (4)緊湊式微通道換熱器的優化設計也是今后 研究的一個方向。如將Fluent、EES、Matelab等軟件的結合使用會使換熱設備的研究開發工作更加快 捷合理。     4 結語     跨臨界CO2緊湊式微通道換熱器的優勢在于 不僅換熱性能好,而且使用對環境友好的制冷劑。國內外對跨臨界CO2制冷循環設備投入了大量的 研究,應用研究日趨成熟,并逐步向商業化應用發展,但仍然有待于進一步的改進和完善,特別是系統的安全性與可靠性。在設備的開發方面,國內的研究還應注意結合新材料的開發以及機械制造新技術 的開發,以期在相同的承壓能力的要求下,使設備的 小型化得以實現。      參考文獻:略
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