CO2換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

蔡景輝　劉斌　王艷紅

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

    摘　要：對3kW R404A/CO2制冷系統(tǒng)(CO2作為載冷劑)的CO2翅片管式蒸發(fā)器及套管式蒸發(fā)冷凝器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)分析,對比不同管徑、不同管排數(shù)等因素對蒸發(fā)器性能的影響,以及各種情況下?lián)Q熱器所消耗的銅、鋁的體積的差距,在滿足換熱要求的基礎(chǔ)上對蒸發(fā)器及蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行優(yōu)化,得出較經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)。由于CO2的管內(nèi)冷凝換熱系數(shù)與干度有關(guān),對蒸發(fā)冷凝器的設(shè)計(jì)提出簡化計(jì)算方法。

    關(guān)鍵詞：蒸發(fā)冷凝器;換熱系數(shù);載冷劑

    全球環(huán)境問題對壓縮式制冷系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響。CFCs的禁用和HCFCs的逐步淘汰,使得天然工質(zhì)越來越受到人們的重視。天然工質(zhì),如CO2,NH3等,對臭氧層無破壞性。早在1932年W.R.Kitzmiller[1]就曾提出過NH3/CO2復(fù)疊式低溫制冷循環(huán)方案,在高壓級采用NH3制冷劑,低溫級采用CO2制冷劑,后來Kim[2]與Park等[3]對R134a/CO2的低溫復(fù)疊系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與模擬研究,證明采用CO2后壓縮機(jī)尺寸縮小到原來的1/10。目前,自然工質(zhì)的應(yīng)用已經(jīng)取得很好的效果,例如:日本東京一個(gè)制冷量為2 000kW的食品配送中心[4],采用CO2作為載冷劑,NH3的充注量僅為130kg。

    由上可見,CO2作為自然工質(zhì)其在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢,但是CO2的較高工作壓力對制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和單元設(shè)備提出了新的要求。筆者研究一種R404A/CO2低溫制冷系統(tǒng),其中高溫部分采用R404A工質(zhì),低溫部分利用CO2潛熱載冷。對CO2蒸發(fā)器和蒸發(fā)式冷凝器在滿足換熱基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,對比管徑、管排數(shù)等因素對蒸發(fā)器性能的影響。同時(shí)對蒸發(fā)器所需要的銅、鋁的體積進(jìn)行計(jì)算,從而得出較經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu),為制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。

    1　蒸發(fā)器計(jì)算

    1. 1　計(jì)算條件

    蒸發(fā)器選型為翅片管式蒸發(fā)器,銅傳熱管,鋁翅片,設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度-30℃,冷凝溫度30℃; CO2蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度-35℃(5℃的傳熱溫差);蒸發(fā)冷凝器中R404A的蒸發(fā)溫度-37℃;制冷量1.4kW,輸入功率3kW。由于CO2特殊的熱物性和傳輸性,使得其蒸發(fā)換熱和兩相流特點(diǎn)有別于傳統(tǒng)制冷劑。這也決定了其蒸發(fā)換熱管適合設(shè)計(jì)成小管徑,而蒸發(fā)器的型式以緊湊型為發(fā)展方向[5]。CO2的換熱關(guān)聯(lián)式不是很多,筆者選用式(1)~(4)[6]計(jì)算CO2管內(nèi)換熱系數(shù),也可選用另外幾個(gè)關(guān)聯(lián)式[7-10]。

    其中:Rel為CO2液體雷諾數(shù);pc為臨界壓力(Pa);ρl為CO2液體的密度(kg/m3);υl為運(yùn)動(dòng)黏度(m2s);D為水力直徑(m);vl為流體速度(m/s)。選用管徑分別為4mm,5mm,6mm,8mm;蒸發(fā)器管排數(shù)分別為6,7,8,9進(jìn)行計(jì)算。

    1. 2　計(jì)算結(jié)論

    在上述計(jì)算條件下,管內(nèi)面積與管排數(shù)和管徑的關(guān)系如圖1所示。在管徑一定的情況下,管排數(shù)越大銅管總的內(nèi)表面積越大;而相同的管耗量,隨著銅管的內(nèi)徑增大總的銅管的內(nèi)表面積變小,因此,選用小的管排數(shù)對設(shè)計(jì)有利。

    傳熱系數(shù)與管排及管徑的關(guān)系如圖2所示。在管排數(shù)一定的情況下,隨著管徑的減小可以大幅增加換熱系數(shù),提高換熱效果。而在相同的管徑條件下管排數(shù)則對換熱系數(shù)的影響不大。這是由于小的管徑可以提高CO2在管內(nèi)的流速,增加流體的擾動(dòng)從而可以提高換熱系數(shù),因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用小的管徑。此外,小管徑還可以顯著提高耐壓效果。但是從圖中也可以看出小的管徑要求有較小的管排數(shù),如果管排數(shù)過大則設(shè)計(jì)不能滿足換熱要求。

    過余面積與管排及管徑的關(guān)系如圖3所示。從圖中可以看出:同一管徑下的過余內(nèi)表面積隨著管排數(shù)的增大而增大,浪費(fèi)的材料也就越多,而對于相同的管排數(shù),小的管徑有較大的過余量。再次證明,采用小的管徑以及小的管排數(shù)的好處,但是也不是管排數(shù)越小越好,小的管排數(shù)也會(huì)帶來蒸發(fā)器的面積過大的問題。

    換熱器所消耗銅體積與管排及管徑的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出,隨著管徑和管排數(shù)的降低,消耗銅管的體積大幅減少,以管排數(shù)N=6,管徑D=4mm與管排數(shù)N=9,管徑D=8mm的對比為例,前者達(dá)到換熱目的只需要500cm3銅,而后者要達(dá)到換熱目的則需要867cm3的銅。從節(jié)約材料的目的出發(fā),采用小的管徑和小的管排數(shù)的措施也是有效的。但是,小的管徑需要更長的換熱管段,這樣就會(huì)帶來肋片數(shù)目的增加,因此不能只考慮銅的體積。如何在銅的體積和鋁的體積之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)對于節(jié)約成本來說顯得很重要。

    2·蒸發(fā)冷凝器計(jì)算

    本次計(jì)算采用套管換熱器型式,傳熱管為銅管。套管換熱器的優(yōu)點(diǎn)是:構(gòu)造簡單、能耐高壓、傳熱面積可根據(jù)需要而增減;適當(dāng)?shù)倪x擇管內(nèi)、外徑,可使流體的流速較大;且雙方的流體作嚴(yán)格的逆流,都有利于傳熱。缺點(diǎn)為:管間接頭較多,易發(fā)生泄漏;單位長度傳熱面積小。故在需要傳熱面積不太大而要求壓強(qiáng)較高或傳熱效果較好時(shí),宜采用套管式換熱器。

    2. 1　內(nèi)管傳熱計(jì)算

    管內(nèi)的CO2凝結(jié)換熱系數(shù)的計(jì)算可以參見關(guān)聯(lián)式(5)~(9)[11]。不同管徑在不同的干度值下的換熱系數(shù)近似呈線性分布。故可以將干度為0.5的換熱系數(shù)作為整個(gè)換熱過程的平均換熱系數(shù)可以達(dá)到簡化計(jì)算的目的。

    式中:G為CO2的質(zhì)量流率(kg/(m2·s));cpl為CO2的定壓比熱容(kJ/(kg·K));ηl為CO2液體的動(dòng)力黏度(Pa·s);hi為CO2局部對流換熱系數(shù)(W /(m2·K));di為水平管的內(nèi)徑(m);Xtt為湍流參數(shù);Δp為CO2沿水平管單位長度上的壓降(MPa/m);Prl為CO2液體的普朗特?cái)?shù);λ為CO2液體的導(dǎo)熱系數(shù)(W /(m·K));ηv為CO2氣體的動(dòng)力黏度(Pa·s)。

    2. 2　R404A管外沸騰換熱系數(shù)

    R404A的管外沸騰換熱系數(shù)是一個(gè)近似只與熱流密度有關(guān)的量,可以由下面的關(guān)聯(lián)式確定:

    式中q為R404A管外熱流密度(W /m2)。

    2. 3　計(jì)算結(jié)果

    試取總管長20m,壁厚0.8mm,分別計(jì)算管徑為5mm,6mm,7mm,8mm時(shí)的換熱系數(shù)及理論與實(shí)際內(nèi)表面積,計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

    圖5表明換熱系數(shù)隨管徑的增加而逐漸減小,由于管長壁厚均已經(jīng)假定,故選用小的管徑可以在達(dá)到換熱目的的前提下節(jié)約材料。圖6顯示不同管徑下實(shí)際換熱面積與理論需要換熱面積,由圖可以看出,在采用小管徑時(shí)銅管的換熱內(nèi)表面積有較大的余量,這個(gè)余量隨著管徑的逐漸增大而逐漸減小。在管徑為8mm時(shí),20m的管長已不能夠滿足換熱的要求了,這是因?yàn)殡S著管徑的增加,管道中二氧化碳的流速逐漸降低,流體的擾動(dòng)減小,熱邊界層變厚,從而導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)大幅度減小,這就導(dǎo)致需要的換熱面積增加。這樣內(nèi)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)選為壁厚0.8mm,管徑為5mm,管長為20m即可滿足要求(余量為5.44% )。

    3·結(jié)論

    確定CO2在管內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)和凝結(jié)換熱系數(shù)存在特殊性,對管道耐壓要求較高,筆者根據(jù)這些特殊要求計(jì)算多組滿足換熱條件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對這些參數(shù)進(jìn)行了對比分析,得出在小管徑、小管排數(shù)的情況下蒸發(fā)器的性能優(yōu)越且節(jié)約材料和成本。另外,管排數(shù)對換熱效果的影響比管徑對換熱效果的影響要大。對于蒸發(fā)冷凝器,依然選用小管徑最優(yōu)。希望本次的計(jì)算分析能夠?yàn)镃O2作為載冷劑的制冷系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)提供一定的參考。