CO2换热器的结构优化研究

来源：发布时间：2014-07-12 12:12:18点击率：

全球环境问题对压缩式制冷系统产生了深刻的影响。CFCs的禁用和HCFCs的逐步淘汰,使得天然工质越来越受到人们的重视。天然工质,如CO2,NH3等,对臭氧层无破坏性。早在1932年W.R.Kitzmiller[1]就曾提出过NH3/CO2复叠式低温制冷循环方案,在高压级采用NH3制冷剂,低温级采用CO2制冷剂,后来Kim[2]与Park等[3]对R134a/CO2的低温复叠系统进行了实验与模拟研究,证明采用CO2后压缩机尺寸缩小到原来的1/10。目前,自然工质的应用已经取得很好的效果,例如:日本东京一个制冷量为2 000kW的食品配送中心[4],采用CO2作为载冷剂,NH3的充注量仅为130kg。

由上可见,CO2作为自然工质其在制冷系统中的应用具有一定的优势,但是CO2的较高工作压力对制冷系统的设计和单元设备提出了新的要求。笔者研究一种R404A/CO2低温制冷系统,其中高温部分采用R404A工质,低温部分利用CO2潜热载冷。对CO2蒸发器和蒸发式冷凝器在满足换热基础上进行优化,对比管径、管排数等因素对蒸发器性能的影响。同时对蒸发器所需要的铜、铝的体积进行计算,从而得出较经济的结构,为制冷系统的优化设计和实际运行提供了理论基础。

1　蒸发器计算

1. 1　计算条件

蒸发器选型为翅片管式蒸发器,铜传热管,铝翅片,设计蒸发温度-30℃,冷凝温度30℃; CO2蒸发器的蒸发温度-35℃(5℃的传热温差);蒸发冷凝器中R404A的蒸发温度-37℃;制冷量1.4kW,输入功率3kW。由于CO2特殊的热物性和传输性,使得其蒸发换热和两相流特点有别于传统制冷剂。这也决定了其蒸发换热管适合设计成小管径,而蒸发器的型式以紧凑型为发展方向[5]。CO2的换热关联式不是很多,笔者选用式(1)~(4)[6]计算CO2管内换热系数,也可选用另外几个关联式[7-10]。

其中:Rel为CO2液体雷诺数;pc为临界压力(Pa);ρl为CO2液体的密度(kg/m3);υl为运动黏度(m2s);D为水力直径(m);vl为流体速度(m/s)。选用管径分别为4mm,5mm,6mm,8mm;蒸发器管排数分别为6,7,8,9进行计算。

1. 2　计算结论

在上述计算条件下,管内面积与管排数和管径的关系如图1所示。在管径一定的情况下,管排数越大铜管总的内表面积越大;而相同的管耗量,随着铜管的内径增大总的铜管的内表面积变小,因此,选用小的管排数对设计有利。

传热系数与管排及管径的关系如图2所示。在管排数一定的情况下,随着管径的减小可以大幅增加换热系数,提高换热效果。而在相同的管径条件下管排数则对换热系数的影响不大。这是由于小的管径可以提高CO2在管内的流速,增加流体的扰动从而可以提高换热系数,因此,设计时应尽可能采用小的管径。此外,小管径还可以显著提高耐压效果。但是从图中也可以看出小的管径要求有较小的管排数,如果管排数过大则设计不能满足换热要求。

过余面积与管排及管径的关系如图3所示。从图中可以看出:同一管径下的过余内表面积随着管排数的增大而增大,浪费的材料也就越多,而对于相同的管排数,小的管径有较大的过余量。再次证明,采用小的管径以及小的管排数的好处,但是也不是管排数越小越好,小的管排数也会带来蒸发器的面积过大的问题。

换热器所消耗铜体积与管排及管径的关系如图4所示。从图中可以看出,随着管径和管排数的降低,消耗铜管的体积大幅减少,以管排数N=6,管径D=4mm与管排数N=9,管径D=8mm的对比为例,前者达到换热目的只需要500cm3铜,而后者要达到换热目的则需要867cm3的铜。从节约材料的目的出发,采用小的管径和小的管排数的措施也是有效的。但是,小的管径需要更长的换热管段,这样就会带来肋片数目的增加,因此不能只考虑铜的体积。如何在铜的体积和铝的体积之间寻求一个平衡点对于节约成本来说显得很重要。

2·蒸发冷凝器计算

本次计算采用套管换热器型式,传热管为铜管。套管换热器的优点是:构造简单、能耐高压、传热面积可根据需要而增减;适当的选择管内、外径,可使流体的流速较大;且双方的流体作严格的逆流,都有利于传热。缺点为:管间接头较多,易发生泄漏;单位长度传热面积小。故在需要传热面积不太大而要求压强较高或传热效果较好时,宜采用套管式换热器。

2. 1　内管传热计算

管内的CO2凝结换热系数的计算可以参见关联式(5)~(9)[11]。不同管径在不同的干度值下的换热系数近似呈线性分布。故可以将干度为0.5的换热系数作为整个换热过程的平均换热系数可以达到简化计算的目的。

式中:G为CO2的质量流率(kg/(m2·s));cpl为CO2的定压比热容(kJ/(kg·K));ηl为CO2液体的动力黏度(Pa·s);hi为CO2局部对流换热系数(W /(m2·K));di为水平管的内径(m);Xtt为湍流参数;Δp为CO2沿水平管单位长度上的压降(MPa/m);Prl为CO2液体的普朗特数;λ为CO2液体的导热系数(W /(m·K));ηv为CO2气体的动力黏度(Pa·s)。

2. 2　R404A管外沸腾换热系数

R404A的管外沸腾换热系数是一个近似只与热流密度有关的量,可以由下面的关联式确定:

式中q为R404A管外热流密度(W /m2)。

2. 3　计算结果

试取总管长20m,壁厚0.8mm,分别计算管径为5mm,6mm,7mm,8mm时的换热系数及理论与实际内表面积,计算结果如图5和图6所示。

图5表明换热系数随管径的增加而逐渐减小,由于管长壁厚均已经假定,故选用小的管径可以在达到换热目的的前提下节约材料。图6显示不同管径下实际换热面积与理论需要换热面积,由图可以看出,在采用小管径时铜管的换热内表面积有较大的余量,这个余量随着管径的逐渐增大而逐渐减小。在管径为8mm时,20m的管长已不能够满足换热的要求了,这是因为随着管径的增加,管道中二氧化碳的流速逐渐降低,流体的扰动减小,热边界层变厚,从而导致换热系数大幅度减小,这就导致需要的换热面积增加。这样内管的结构参数选为壁厚0.8mm,管径为5mm,管长为20m即可满足要求(余量为5.44% )。

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