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水冷套管式CO2氣冷器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

2016-11-24 09:07馬逸平石冬冬胡特特趙琦昊
制冷學(xué)報(bào) 2016年2期
關(guān)鍵詞:傳熱系數(shù)冷卻水換熱器

呂 靜 馬逸平 曹 科 石冬冬 高 強(qiáng) 胡特特 趙琦昊

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093; 2 福建雪人股份有限公司 福州 350200)

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水冷套管式CO2氣冷器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

呂 靜1馬逸平1曹 科1石冬冬1高 強(qiáng)2胡特特1趙琦昊1

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093; 2 福建雪人股份有限公司 福州 350200)

本文設(shè)計(jì)了一臺CO2套管式氣冷器并對其進(jìn)行了換熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。該氣冷器采用逆流三重套管,CO2在內(nèi)管流動,冷卻水在內(nèi)外管間流動。實(shí)驗(yàn)研究了不同CO2質(zhì)量流量、入口壓力和冷卻水溫度對傳熱系數(shù)、換熱量和換熱器效能系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著CO2質(zhì)量流量的增加,傳熱系數(shù)和換熱量均呈先增后減的趨勢,換熱器效能系數(shù)逐漸減??;CO2質(zhì)量流量不變時,傳熱系數(shù)、換熱量和換熱器效能系數(shù)均隨氣冷器CO2入口壓力的升高而逐漸增大;隨著冷卻水溫度的升高,傳熱系數(shù)、換熱量和換熱器效能系數(shù)均逐漸減小。

套管式氣冷器;換熱性能;三重套管

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)保意識的增強(qiáng),CO2作為制冷工質(zhì)再一次應(yīng)用于制冷空調(diào)系統(tǒng)中[1-3]。CO2跨臨界循環(huán)在高壓側(cè)具有較大的溫度滑移[4-5],與冷卻介質(zhì)溫升過程相匹配,使其在熱泵循環(huán)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢[6-7]。于是眾多專家學(xué)者[8]針對超臨界CO2在冷卻條件下的換熱情況進(jìn)行了研究。Pitla S S等[9]將實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合,研究了超臨界CO2在管內(nèi)的冷卻換熱,提出用平均努謝爾特?cái)?shù)表示的換熱關(guān)聯(lián)式。Yoon S H等[10]對超臨界CO2在內(nèi)徑為7.73 mm的銅管中的冷卻換熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并修正了Baskov V L等[11]的關(guān)聯(lián)式,提出更加符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)聯(lián)式,其平均偏差與絕對平均偏差分別只有1.6%和12.7%。Liao S M等[12]對超臨界CO2微通道的換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得出適用于超臨界CO2在水平微通道和豎直微通道內(nèi)換熱的關(guān)聯(lián)式。陳明輝等[13]對套管管束式換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究,指出套管管束式換熱器是一種緊湊高效的換熱器。張仙平等[14]對套管式換熱器的性能進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),在保證水側(cè)和CO2側(cè)的流通面積基本相等的情況下,大管內(nèi)套3根細(xì)管的套管式氣冷器換熱性能最優(yōu)。

本文設(shè)計(jì)了一臺CO2套管式氣冷器,并對其換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究??紤]CO2氣冷器在超臨界狀態(tài)下運(yùn)行,壓力可達(dá)12 MPa,且水側(cè)溫度高,所以本文采用承壓能力較強(qiáng)的套管式換熱器,并采用大管內(nèi)套三根細(xì)管的結(jié)構(gòu)形式。換熱關(guān)聯(lián)式采用Yoon S H等[10]提出的超臨界CO2冷卻換熱關(guān)聯(lián)式。

1 氣體冷卻器的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[15]及系統(tǒng)運(yùn)行的需要[16],確定氣冷器的設(shè)計(jì)工況:水側(cè)進(jìn)口溫度為tw,i=15 ℃,出口溫度為tw,o=65 ℃,冷卻水體積流量為V=70 L/h,制熱量為Q=4.75 kW。壓縮機(jī)排氣壓力為pdis=10.26 MPa,排氣溫度為tdis=95 ℃,排氣量為Vdis=0.9 m3/h。1.2 管徑確定

根據(jù)冷卻水體積流量,考慮水側(cè)和CO2側(cè)流通面積盡可能相等的條件,氣冷器內(nèi)管管徑取5 mm×0.8 mm,外管管徑取16 mm×1 mm,則換熱器內(nèi)管內(nèi)徑為di=3.4 mm,外徑為do=14 mm。CO2在內(nèi)管流動,冷卻水在內(nèi)外管間流動,套管截面如圖1所示。

圖1 套管截面示意圖Fig.1 Schematic of the tube-in-tube section

1.3 管長計(jì)算

氣冷器管材選用紫銅管,導(dǎo)熱系數(shù)為λ=398 W/(m·K)[17]。建立套管式換熱器的二維分布參數(shù)仿真模型,沿CO2流向以長度為Lu=0.1 m的單元進(jìn)行計(jì)算。對任一計(jì)算單元,作如下簡化與假設(shè):1)忽略管壁及制冷劑的軸向?qū)幔?)冷卻水的進(jìn)口溫度與流速穩(wěn)定一致;3)CO2的入口壓力與溫度穩(wěn)定不變。對任一計(jì)算單元j,有如下能量與質(zhì)量守恒方程:

水側(cè):

Qj=mw,jcp,w(two,j-twi,j)

(1)

CO2側(cè):

Qj=mr,j[h(t,p)i,j-h(t,p)o,j]

(2)

(3)

如前所述,CO2在超臨界下的管內(nèi)冷卻傳熱系數(shù)的計(jì)算,采用Yoon S H等[10]提出的傳熱關(guān)聯(lián)式:

(4)

(5)

式中:Nuf為努謝爾特?cái)?shù);hr,j為超臨界CO2管內(nèi)冷卻傳熱系數(shù),W/(m2·K);D為水力直徑,m。tpc為準(zhǔn)臨界溫度,℃;tf為流體溫度,℃;當(dāng)tf

模型計(jì)算流程為:從CO2入口處沿其流動方向,對每一計(jì)算單元,首先假設(shè)水側(cè)入口溫度為tw,i,然后根據(jù)方程(1)得出計(jì)算單元的傳熱量Qj根據(jù)方程(2)得出制冷劑出口狀態(tài),由方程(3)得出水側(cè)和CO2側(cè)之間的傳熱量Q’j。比較Qj與Q’j,若相等則進(jìn)入下一個計(jì)算單元,不相等則重新假設(shè)tw,i。每計(jì)算一個單元,管長疊加Lu=0.1 m,直至第j單元的水側(cè)入口溫度為tw,i=15 ℃時,停止迭代,輸出管長。本文基于Matlab,開發(fā)了超臨界狀態(tài)下的CO2套管式氣冷器模型仿真程序,計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 換熱器管長計(jì)算流程圖Fig.2 Tube length of the heat exchanger calculation process

經(jīng)計(jì)算,換熱管長為8.6 m,為保證換熱效果,管長取計(jì)算值的1.5倍并取整,則管長為L=13 m。

1.4 氣冷器結(jié)構(gòu)

換熱器由換熱管按圖3所示的形式盤繞而成,共11層,長寬高分別為:550 mm、275 mm和260 mm。

圖3 氣冷器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of the gas cooler structure

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及工況

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖4所示,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由4個子系統(tǒng)組成,分別為CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。CO2跨臨界系統(tǒng)(虛線流程)由氣冷器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、氣液分離器和壓縮機(jī)組成。冷卻水系統(tǒng)(實(shí)線流程)由焓差室板式換熱器、截止閥、冷卻水泵等組成。焓差室通過板式換熱器調(diào)節(jié)、控制冷卻水的溫度,為跨臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)提供不同溫度的循環(huán)水;測試系統(tǒng)(點(diǎn)劃線)由溫度測量(熱電偶)、壓力測量(壓力傳感器)、流量測量(水流量計(jì))及數(shù)據(jù)采集(安捷倫和計(jì)算機(jī))等組成。各測試儀器詳見表1。輔助系統(tǒng)主要為焓差室,焓差室一方面為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供不同溫度的冷卻水,另一方面為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供所需要的溫度環(huán)境。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic of experimental system

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[15],制定下列工況。

工況1:環(huán)境干濕球溫度分別為16 ℃、12 ℃,冷卻水進(jìn)水溫度為17 ℃,冷凝壓力為8 MPa;冷卻水流量為0.02778 kg/s,CO2質(zhì)量流量分別調(diào)至14.2 g/s、15.8 g/s和17.6 g/s;

工況2:環(huán)境干濕球溫度分別為16 ℃、12 ℃,冷卻水流量為0.03333 kg/s,CO2質(zhì)量流量分別調(diào)至14.2 g/s、15.8 g/s和17.6 g/s,冷凝壓力分別為9.5 MPa、10 MPa和7.5 MPa;在每個CO2流量處冷卻水溫度都分別調(diào)節(jié)至9 ℃、17 ℃和24 ℃;

工況3:冷卻水流量為0.04722 kg/s,CO2質(zhì)量流量調(diào)至14.2 g/s,環(huán)境溫度分別調(diào)至7 ℃、16 ℃和25 ℃,冷凝壓力分別為9 MPa、8.5 MPa和9.5 MPa;在每個環(huán)境溫度下進(jìn)水溫度都分別調(diào)節(jié)至9 ℃、17 ℃和24 ℃。

表1 測試儀器

3 氣冷器熱力計(jì)算

本文以換熱量Q、換熱系數(shù)K和換熱器效能系數(shù)ε為評價指標(biāo)來分析各參數(shù)對套管式氣冷器性能的影響。

3.1 換熱量Q

本實(shí)驗(yàn)忽略熱損失,則超臨界CO2流體放出的熱量等于冷卻水吸收的熱量,即:

Q=cwmw(tw,o-tw,i)

(6)

式中:cw為水的定壓比熱容,J/(kg·K),取4200J/(kg·K);mw為冷卻水的質(zhì)量流量,kg/s;tw,i、tw,o分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度,℃。

3.2 傳熱系數(shù)K

傳熱系數(shù)表示為:

(7)

式中:K為傳熱系數(shù),W/(m2·K);A為套管式換熱器換熱面積,m2;Δtm為冷熱流體的平均溫差,℃。

本文所研究的套管式換熱器采用逆流式換熱,流體的溫度沿著流動方向不斷變化,溫差也不斷變化。因此換熱流體的平均溫差Δtm采用對數(shù)平均溫差計(jì)算,即:

(8)

式中:Δtmax、Δtmin分別為進(jìn)口溫差及出口溫差中的最大值和最小值,℃。

3.3 換熱器效能系數(shù)ε

換熱器效能系數(shù)表示換熱器實(shí)際換熱效果與最大可能的換熱效果之比,定義為:

(9)

3.4 CO2質(zhì)量流量mr

根據(jù)超臨界CO2放出的熱量等于氣冷器CO2進(jìn)、出口焓差與制冷劑質(zhì)量流量的乘積,計(jì)算CO2的質(zhì)量流量:

(10)

式中:hr,i、hr,o分別為CO2流體在氣冷器進(jìn)、出口處的焓值,J/kg,根據(jù)進(jìn)、出口CO2流體的壓力和溫度使用Refpropm軟件查詢獲得。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 CO2質(zhì)量流量對氣冷器換熱性能的影響

如圖5~圖7所示,隨著CO2質(zhì)量流量的增大,換熱量呈先增后減的趨勢;傳熱系數(shù)在CO2流量較小時略有增大,當(dāng)流量達(dá)到15.8 g/s時,隨著CO2質(zhì)量流量的增大傳熱系數(shù)逐漸減小;換熱器效能系數(shù)在CO2流量達(dá)到15.8 g/s之前基本不變,從15.8 g/s之后逐漸減小。出現(xiàn)這種變化的原因是,質(zhì)量流量的增大使CO2流速增大,超臨界CO2流體紊流流動加劇,所以CO2側(cè)的傳熱系數(shù)逐漸增大,從而換熱量也增大。當(dāng)CO2質(zhì)量流量繼續(xù)增大,高于15.8 g/s時,由于流速過快,CO2流體不能與冷卻水充分換熱,導(dǎo)致?lián)Q熱量下降,換熱器效能系數(shù)也逐漸降低。

圖5 CO2質(zhì)量流量對傳熱系數(shù)的影響Fig.5 Influence of CO2 mass flow rate on heat transfer coefficient

圖6 CO2質(zhì)量流量對換熱量的影響Fig.6 Influence of CO2 mass flow rate on heat transfer

圖7 CO2質(zhì)量流量對效能系數(shù)的影響Fig.7 Influence of CO2 mass flow rate on heat exchanger efficiency

4.2 CO2入口壓力對氣冷器換熱性能的影響

圖8 CO2入口壓力對傳熱系數(shù)的影響Fig.8 Influence of CO2 inlet pressure on heat transfer coefficient

圖9 CO2入口壓力對換熱量的影響Fig.9 Influence of CO2 inlet pressure on heat transfer

圖10 CO2入口壓力對換熱器效能系數(shù)的影響Fig.10 Influence of CO2 inlet pressure on heat exchanger efficiency

如圖8~圖10所示,傳熱系數(shù)和換熱量均隨CO2入口壓力的升高而逐漸增大,傳熱系數(shù)在入口壓力較小時變化緩慢,隨著壓力的升高,變化速率逐漸增大。換熱量在壓力較小時變化速率較快,隨著壓力的升高,變化速率降低并趨于穩(wěn)定。換熱器效能系數(shù)隨入口壓力的升高而逐漸增大,并在8.5 MPa時趨于穩(wěn)定。4.3 冷卻水溫度對氣冷器換熱性能的影響

如圖11和圖12所示,隨著冷卻水溫度的升高,換熱量和傳熱系數(shù)均逐漸降低。傳熱系數(shù)開始變化較快,之后逐漸趨于穩(wěn)定。隨著冷卻水溫度的升高,CO2和冷卻水之間的溫差逐漸減小,因而換熱量逐漸減小。如圖13所示,換熱器效能系數(shù)隨冷卻水溫度的升高而逐漸減小,氣冷器中流體之間的實(shí)際最大溫差為CO2入口溫度與冷卻水入口溫度之差,隨著冷卻水溫度逐漸升高,這一溫差逐漸減小,導(dǎo)致效能系數(shù)逐漸減小。

圖11 冷卻水溫度對換熱系數(shù)的影響Fig.11 Influence of cooling water temperature on heat transfer coefficient

圖12 冷卻水溫度對換熱量的影響Fig.12 Influence of cooling water temperature on heat transfer

圖13 冷卻水溫度對換熱器效能系數(shù)的影響Fig.13 Influence of cooling water temperature on heat exchanger efficiency

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一臺水冷套管式氣冷器,并在CO2熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)臺上對其進(jìn)行了換熱性能實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:

1)CO2側(cè)傳熱系數(shù)和換熱量隨著CO2質(zhì)量流量的增大而增大,當(dāng)質(zhì)量流量高于17.2 g/s時,傳熱系數(shù)和換熱量均逐漸降低;換熱器效能系數(shù)隨著CO2質(zhì)量流量的增大而逐漸減小;

2)隨著氣冷器CO2入口壓力的升高,CO2側(cè)傳熱系數(shù)、換熱量和換熱器效能系數(shù)均逐漸增大,當(dāng)入口壓力達(dá)到8.5 MPa時,換熱器效能系數(shù)趨于穩(wěn)定;

3)隨著冷卻水溫度的升高,CO2側(cè)傳熱系數(shù)、換熱量和換熱器效能系數(shù)均逐漸減小。

本文受滬江基金(D14003)和上海理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究(2015-JPBKZ-005)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Hujiang Foundation of China (No. D14003) and the Funding Project of Education and Teaching Reform Research of USST (No. 2015-JPBKZ-005).)

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About the corresponding author

Lü Jing, female, associate professor, School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, +86 21-55270275, E-mail: lvjing810@163.com. Research fields: heat transfer characteristics of supercritical CO2, research of the performance of a trans-critical CO2automotive air conditioning system.

Design and Experimental Study on CO2Water-cooled Tube-in-tube Gas Cooler

Lü Jing1Ma Yiping1Cao Ke1Shi Dongdong1Gao Qiang2Hu Tete1Zhao Qihao1

(1.School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China; 2.Fujian Snowman Co., Ltd., Fuzhou, 350200, China)

A water-cooled tube-in-tube gas cooler was designed in this paper, and experimental researches on it were conducted. A triple tube is equipped in the gas cooler with CO2in the inner tubes and water between inner and outer tubes. Experimental investigations were done about the effect of CO2mass flow rate, inlet pressure and cooling water temperature on heat transfer coefficient, heat transfer and heat exchanger efficiency. The results show that both heat transfer coefficient and heat transfer firstly increase and then decrease while CO2mass flow rate increases, and heat exchanger efficiency reduce gradually when CO2mass flow rate increases. In the same CO2mass flow rate, heat transfer coefficient, heat transfer and heat exchanger efficiency increase with the increase of CO2inlet pressure and decrease while cooling water temperature increases.

tube-in-tube gas cooler; heat transfer performance; triple tube

0253- 4339(2016) 02- 0113- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.113

2015年9月22日

TQ051.5;TK124

A

簡介

呂靜,女,副教授,上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,(021)55270275,E-mail: lvjing810@163.com。研究方向:超臨界二氧化碳傳熱特性,跨臨界二氧化碳汽車空調(diào)系統(tǒng)的性能。

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上海南華換熱器制造有限公司
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