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跨臨界CO2制冷系統中換熱器結構的進展

點擊:1905 日期:[ 2014-04-26 21:14:18 ]
                      跨臨界CO2制冷系統中換熱器結構的進展                         王任遠 吳金星 李澤 尹凱杰                                   (鄭州大學)     摘要:換熱器是制冷系統主要的傳熱部件,換熱器的好壞直接影響系統的綜合性能。從CO2的性質和跨臨界系統的特點出發,介紹跨臨界CO2制冷系統中換熱器的結構型式的發展,指出發展微通道換熱器是提高CO2制冷系統性能的必然。     關鍵詞:跨臨界CO2;制冷系統;換熱器;微通道     CO2被認為是最接近實用化的自然工質,特別適合于制冷系統、汽車空調、船用空調和熱泵等。目前正在研究的CO2制冷系統中,基本上都采用跨臨界CO2制冷循環。跨臨界CO2制冷系統具有優良的環保特性、良好的傳熱性質、較低的流動阻力及相當大的單位容積制冷量。但跨臨界CO2制冷循環存在2個問題:一是若采用蒸氣壓縮循環,則系統的效率較低;二是系統運行壓力較高,系統高壓側會超過10MPa,因而部分換熱設備和管路存在安全性問題。國內外研究表明:采用合理的內部換熱器的回熱循環,使壓縮機進口亞臨界狀態的CO2蒸氣過熱,節流前超臨界狀態CO2過冷,能提高跨臨界CO2制冷循環系統效率,因此,采用CO2制冷劑必須依賴換熱器結構的發展及性能的提高[1-2]。     1 跨臨界CO2制冷系統     1. 1 CO2制冷劑的性質     常溫下,CO2是一種無色無味的氣體。其相對分子質量為44.01,臨界壓力為7.377 3MPa,臨界溫度為304.1K。CO2具有非常穩定的化學性質,既不可燃,也不助燃。CO2與水混合呈弱酸性,可腐蝕碳素鋼等普通金屬,但不腐蝕不銹鋼和銅類金屬。     CO2蒸發潛熱較大,單位容積制冷量高,0℃時的單位容積制冷量為22 600kJ/m3,是R22的5.12倍,R12的8.25倍。CO2黏度較小,液體密度與氣體密度的比值較小,使得在低壓下兩相流流動較為均勻,有利于節流后各回路間的工質均勻分配;較小的表面張力能夠提高沸騰區的蒸發換熱系數。其良好的輸運和傳熱特性,可以顯著減小壓縮機和換熱器的尺寸,使整個系統非常緊湊。     1. 2 跨臨界CO2制冷循環的構成和特點     跨臨界CO2制冷循環的概念是由前國際制冷學會主席Lorentzen教授首先提出的,該循環由壓縮機、氣體冷卻器、內部回熱器、節流閥、蒸發器和氣液分離器等組成,如圖1所示。系統工作時,低溫低壓CO2氣體(f)在壓縮機內升壓至超臨界狀態(a)后進入氣體冷卻器,被冷卻介質冷卻,冷卻后依然為超臨界的流體(b)流入回熱器,進一步冷卻到狀態c,隨后被節流閥節流至亞臨界兩相流(d)進入蒸發器吸熱(壓力不變,干度增加),再流入氣液分離器,氣態的亞臨界CO2(e)進入回熱器吸收一部分從氣體冷卻器出來進入回熱器的超臨界CO2流體(b)的熱量,低溫、低壓的CO2(f)再進入壓縮機壓縮。如此周而復始。            跨臨界CO2制冷循環的主要特點:     1)冷卻器出口溫度tk>tc(臨界溫度),冷卻壓力pk>pc(臨界壓力),高壓側溫度與壓力相互獨立,使CO2跨臨界制冷系統多了一個自由度或可控參數。     2)跨臨界循環氣體冷卻器出口氣體直接節流后兩相工質的干度較高,不利于制冷能力的提高,因此采用回熱,利用從氣液分離器出來的低溫氣體冷卻氣冷器出口工質,以降低節流后制冷劑的干度,可提高系統制冷效率,在極高的環境溫度下還可避免冷量損失。     3)點e位于兩相區或飽和蒸氣線上,這不同于整個系統處于亞臨界狀態的單機蒸氣壓縮式制冷循環(點e位于飽和蒸氣線上或過熱蒸氣區)。CO2高的臨界壓力和低的臨界溫度也為其作為制冷劑帶來了許多難題。無論亞臨界循環還是跨臨界循環,CO2制冷系統的運行壓力都將高于傳統的制冷空調系統,這必然會給系統和部件設計帶來許多新的要求。     2 CO2制冷系統中換熱器結構     換熱器的設計必須考慮到CO2物性特點和跨臨界CO2制冷循環的特點。CO2制冷系統工作壓力高,必須考慮換熱器材料的承壓能力。在CO2制冷系統缺少標準的情況下,普通的最小爆裂壓力取系統最大承受壓力的2.5~3倍,這要求CO2換熱器管道具有較小的管內徑。     CO2制冷系統中的換熱器有多種結構型式,根據其功能不同主要分為氣體冷卻器、蒸發器和內部換熱器;按照結構不同可分為管翅式、微通道式、板式、殼管式、板翅式、套管式等[3],管翅式和微通道主要用于空氣熱源的氣體冷卻器和蒸發器,板式和殼管式用于水/液體熱源的氣體冷卻器和蒸發器,板翅式和套管式主要用于內部換熱器。     2. 1 管翅式換熱器     跨臨界CO2制冷循環首先應用于汽車空調。挪威科技大學1991年研制的第一臺汽車空調用氣體冷卻器樣機是管翅式換熱器[4],圖2所示為氣體冷卻器原型中串聯的3個具有相同CO2流程結構的其中之一。從圖中看出管的位置分布,空氣由左向右流動,制冷劑從后面的進口進入,然后沿著Z形線路流到前面出口流出,以接近進口空氣的溫度。氣體冷卻器用內、外徑分別為3.4mm和4.9mm的帶平鋁肋片的鋁管,芯體深度為34mm。     第二臺管翅式氣體冷卻器樣機于1994年設計和制造[4],考慮了最小爆裂壓力要求。換熱管采用內、外徑分別為2.0mm和3.2mm,且滿足爆裂壓力要求的鋁管。仿真結果表明,在給定換熱面積、換熱器質量和空氣側壓降的情況下,減小換熱管徑能夠改善換熱器性能。管路循環原理同圖2(3排,交叉流,前2排管為Z形流),但芯體的深度減為21mm,代替第二排管和第三排管連續垂直裂縫的是一排百葉窗。在這種結構下,肋片還是一個整體,但第二排和第三排之間的傳熱減少了。                          2. 2 微通道換熱器     CO2的高運行壓力、良好的傳熱性能、小當量直徑的通道,為加大空氣側換熱面積提供了條件,換熱器的緊湊度也會提高。目前在跨臨界CO2制冷循環系統中,微通道換熱器是發展的趨勢,多用來代替傳統的翅片管換熱器。微通道換熱器的主要優點是高效、耐壓、體積小、制冷劑充注量少。     微通道換熱器[4]如圖3所示,由2個集管和2個集管之間沿水平方向展開的許多扁平微通道換熱管組成。換熱管插入集管的狹槽,折疊百葉窗翅片安裝在微通道傳熱管之間。集管內裝有隔板,制冷劑得以在2個集管中來回流動,而且管入口和管出口面積可以不同。微通道的形狀可以采用三角形、方形、圓形和H形等,在CO2微通道換熱器中多采用圓形。                         氣體冷卻器集管的橫截面通常是圓形,內徑略大于微通道管,在15~20mm左右。CO2系統中的高壓,有強烈的減小內徑以節約材料和節約空間的要求,所以設計“雙入口”集管,可大大減小集管質量、尺寸和換熱器內部面積,從而減小爆炸能量。     丁國良教授等開發的圓管平行流換熱器如圖4所示[5],圓管束是由一根或多根圓管并排組成,圓管直徑在0.2~5mm范圍內,圓管束的兩端伸入管間連接頭內,并通過管間連接頭固定在兩端集流管的方槽中,集流管由一根或數根圓管并排焊接而成,一端封閉,一端開口,直徑在15~30mm范圍內。這種結構和圖3所示微通道結構的區別在于,平行流換熱器用的是焊接而成的圓管束,材料選用鋁,也可用銅及銅合金;微通道氣體冷卻器是在扁管中擠壓出小孔,由于需要良好的延展性和較小的硬度,只能采用材料鋁。                        Pettersen等開發的微通道氣體冷卻器,如圖5所示[4]。11根微通道管管寬(核心深度)16.5mm,管徑為0.79mm。為了避免集管兩個并行入口之間的相互影響,扁平管在集管上的插槽比需要的深,這些開口能使制冷劑在傳熱管中心微通道內自由進出,同時用塞子或插槽標尺隔離,使傳熱管不能插入集管底部。     Kim等[6]建立了3個扁平微通道管并聯的蒸發器的有限體積模型,如圖6所示,幾何尺寸如表1所示。其主要目標是精確地獲得空氣側冷凝水和傾斜角對折疊百葉翅片換熱和流動性能的影響,并在蒸發器樣機上得到了驗證。其模型可合理、精確地預測實驗數據,可被用于微通道蒸發器的性能分析和設計。樣機為2個扁平管并聯的方式,制冷劑側為7流程,其流程布置如圖7所示。模型為3個扁平管微通道并聯型式,制冷劑側為簡單的3流程。     Boewe等[1]采用的微通道管式CO2內部換熱器如圖8所示。比套管式換熱器材料減少50%,性能提高10%。                         韓吉田等[7]設計了如圖9所示的微通道內部換熱器,該內部換熱器的內部芯長為1.156m。考慮到換熱器的散熱損失和焊接余量,內部換熱器的設計長度選為1.2m,內部換熱器采用3排結構,中間靠彎管連接。內部換熱器的整體尺寸為400mm×44mm×30.5mm。在亞臨界狀態下使用Petukhov關聯式,超臨界狀態下使用Gnielinski關聯式(亞臨界時用的是一般的公式,沒有采用現在討論很多的亞臨界狀態公式中的任何一個;后一個是超臨界狀態冷卻時很多關聯式中計算誤差較小的一個),計算得出微通道內部換熱器的傳熱面積密度比板翅式和套管式換熱器的高得多,在相同的換熱量下可大幅減小換熱器的尺寸。                        2. 3 殼管式換熱器     殼管式換熱器一般用于大中型制冷裝置,其熱媒為水或是鹽水。對于CO2跨臨界循環系統換熱器而言,管側流動的是CO2工質,換熱管的內側壓力相對較高,而殼側流動的是水,基本是常壓。     管海清等[8]針對CO2單位容積制冷量大、流動和傳熱性能良好的特點,開發了一種新型、耐高壓、防泄漏的管殼式換熱器,即集成管箱型管殼式換熱器。其主要組成部分有集成管箱、殼體、換熱管、折流板和緊固螺栓等。     這種集成管箱型管殼式換熱器,集成管箱既作為換熱器的端蓋,又將管程流體的入口管段與各換熱管組成一體,并形成工質分配段,因此能夠承受較大的工質側壓力,并使工質具有良好的流動通道。流體流入集成管箱,經干管均勻流入支管即進入換熱管道,與殼管換熱后匯集到干管出口流出。圖10所示為集成管箱型管殼式換熱器的一種雙管程形式。與普通的管殼式換熱器相比,集成管箱型管殼式換熱器沒有單獨的端蓋或管板,耐壓高且質量輕,結構簡單,制造、安裝和維護簡便易行,可滿足CO2跨臨界循環特性的特定要求。                        2. 4 套管式換熱器     套管式換熱器一般用于CO2制冷系統的內部換熱器。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以上的超臨界流體,另一側為壓力為4MPa的亞臨界CO2過熱流體。圖11所示為美國ACRC公司采用的CO2汽車空調內部換熱器[9],為雙鋁管內肋片結構。                         2. 5 板翅式換熱器     板翅式換熱器一般也用于CO2制冷系統的內部換熱器。圖12所示為CO2板翅式內部換熱器的內部通道結構[9],為了增加強度,不采用普通意義上的翅片,而是采用微小溝槽的結構。截面共6層溝槽,其中第二、第五層為超臨界側流體換熱通道(長為1.5mm,寬為3mm的細線條矩形槽),其他為亞臨界側流體換熱通道,粗線條(為100mm的6條平行的水平線)為層間隔板。                         微通道式、套管式及板翅式內部換熱器傳熱面積密度β(β為單側隔板間流道體積內所包含的傳熱總面積與該側隔板間的容積之比)的比較如表2所示[9]。板翅式換熱器與套管式相當,而微通道式內部換熱器的緊湊度則高出許多。                        傳熱面積密度β僅反映了換熱器結構參數,而衡量換熱器的傳熱參數更有實際意義。每側的換熱系數僅為流動通道水力直徑的函數,計算表明:對應圖12所示溝槽尺寸的板翅式換熱器,在亞臨界側的換熱系數是圖11所示套管式結構的2倍,在超臨界側的換熱系數是套管式結構的3倍。而微通道式內部換熱器由于更小的水力直徑而獲得更高的換熱系數,但目前國內在微通道式換熱器的制造方面能力有限。     3 結論     1)跨臨界CO2循環系統換熱器中壓力可達10MPa以上,常規尺寸的換熱器設計因耐壓需要顯得非常厚重,緊湊式換熱器體現出高效輕便的優點。由于CO2單位容積制冷量大,流動和傳熱性能好,使得設計緊湊式換熱器更加現實。由于換熱器的質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。     2)微通道蒸發器面臨的挑戰是兩相流流動均勻地分配到平行的各管路中,因此在設計集管時應使流動不均和壓降最小化。     3)微通道式內部換熱器由于較小的當量直徑,比采用套管式及板式內部換熱器換熱效果都好,也是今后換熱器的發展方向。     4)超臨界CO2系統中,微通道氣體冷卻器的制冷劑流程布置和風道布置對換熱效果影響較大,因此研究氣體冷卻器時要注意制冷劑和風道布置。 參考文獻 [1] BoeweD,Bullard C,Yin J, eta.l Contribution of inter-nal heat  exchanger to trans-critical R-744cycle per-formance. International  JournalHVAC&R Research,2001,7(2):155-168. 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