换热器课程设计
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微通道换热器在CO2制冷循环中的发展及特性分析点击：1937 日期：[ 2014-04-26 21:13:57 ] |
| 微通道换热器在CO2制冷循环中的发展及特性分析 闫晨昊，张华 (上海理工大学制冷技术研究所，上海200093) 摘要:首先简要回顾了微通道换热器的发展历程，对前人进行的关于微通道换热器的换热特性研究和数值分析进行了分析，并且对以后微通道换热器性能改进和研究给出具体意见。最终得出结论，认为系统地了解微通道换热器各种各样的几何参数对换热和压降的影响，对于将微通道换热器成功地用于紧凑式换热器是非常重要的。 关键词:微通道换热器;CO2制冷循环;实验研究;数值模拟 1·引言 近年来，随着人们对臭氧层破坏、温室效应等环境问题越来越重视，传统制冷工质越来越受到限制，自然工质二氧化碳越来越得到重视。作为制冷剂，CO2在十九世纪末到二十世纪二三十年代曾被使用过。但限于当时的技术水平，使用CO2的制冷系统能效低、设备很笨重，大多用于船舶。前国际制冷学会主席Lorentzen在1994年提出CO2跨临界循环理论，指出若采用跨临界循环，CO2可以用于汽车空调和热泵领域，系统性能系数与常规空调的相比仍然具有竞争力［1］。虽然CO2具有很高的系统压力，导致的可靠性、安全性问题令人担忧，但由于其具有环境性能优良、经济性好、化学稳定性好、安全无毒不可燃、热力性能良好等方面的特点，从长远角度看，CO2制冷系统具有开发潜力［2］。 一些研究者［3－6］家用空调、汽车空调及热泵二氧化碳系统的应用及部件设计问题已有所研究。Yin［7］等对CO2超临界系统中的气体冷却器进行了有限元分析。文献［8］对CO2微通道气体冷却器建立了考虑了二氧化碳和空气稳态分布特性的模型。Kim和Bullard［9］用有限体积模型对CO2空调系统用微通道蒸发器进行了研究。 至今，CO2制冷系统中的换热器有很多种形式，其中本文所讲的微通道换热器也已有多种形式，由于CO2的特殊性质，CO2微通道换热器与其它制冷剂所用的微通道换热器不同的地方在于性能及压降方面，针对CO2的性质设计高效的微通道换热器，对提高CO2制冷系统的性能非常重要。目前，微通道换热器已经在R134a系统上有较多的应用。结合CO2循环和热物理性质的特点以及微通道换热器的特点，其适合采用微通道换热器结构。首先，微通道换热器的主要不足之一就是巨大的流动阻力，而CO2的运动粘度低，流动压降大大低于R134a的压降，这就意味着微通道换热器中CO2的质量流量能够设计得更大。 再者，CO2的运行压力高，在换热器中相同的压降引起较低的饱和温度降低，从而适合采用微通道换热器，同时高运行压力也是CO2的主要不足之一，微通道管子直径小、能承受高的系统压力，适合于很高的运行压力。 2·微通道换热器的研究历史及进展 微通道换热器(见图1)的工程背景来源于20世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。Tucker-man在1981年提出了微通道散热器的概念;Swife，Migliori和Wheatley在1985年研制出了可以作用于两种流体热交换的微通道换热器。Cross和Ramshaw在1986年研制了印刷电路系统微尺寸换热器，体积换热系数可达7MW/(m3·K);1990年国外首次研究出CO2汽车空调用气体冷却器［11］，形式为管翅式，其材质为铝，内外径分别为3．4mm和4．9mm。Friedrich和Kang在1994年研制了换热系数达45MW/(m3·K)的微尺度换热器体积;Jiang在2001年等提出了微热管冷却系统的概念。在汽车空调方面，由于传统的氟利昂系列制冷剂已被《蒙特利尔议定书》禁止使用。R134a作为一种过渡型替代品，由于其温室效应指数很高(约为1 300/20年)，所以也被《京都议定书》所否定。CO2在蒸发潜热、比热容、动力黏度等物理性质上具有优势［12］，若采用合适的制冷循环，CO2在热力特性上可与传统制冷剂相当，甚至在某些方面更具优势。但是CO2制冷循环的高压部分压力很高［13］，在空调系统中高压工作压力要达到13MPa以上，设计压力要达到42．5MPa，这对换热器的耐压性提出了很高的要求。微通道换热器是同时满足耐压性、耐久性和系统安全性的必然选择。近年来，CO2气体冷却器的结构不断优化。文献［7，14］用有限元方法对CO2空气微通道气体冷却器进行了分析，并提出两个设计概念:多管程单板交叉流式和单管程多板逆流式换热器。目前欧盟已有计划，在2011年全面使用采用CO2作为工质的汽车空调系统。 在家用空调方面，当流道尺寸小于3mm时，气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸，通道越小，这种尺寸效应越明显。当管内径小到0．5～1mm时，对流换热系数可增大50%～100%。将这种强化传热技术用于空调换热器，适当改变换热器结构、工艺及空气侧的强化传热措施，预计可有效增强空调换热器的传热、提高其节能水平。与最高效的常规换热器相比，空调器的微通道换热效率可望提高20%～30%［15］。在这方面，全球几大散热器生产厂家如Delphi，Aluven-ta和Danfoss等已经开始将微通道散热器推广应用于家用空调(如多联机、户式中央空调)，这将使产品拥有巨大的竞争力。我国阳江宝马利、江苏康泰也在紧跟全球换热器发展步伐，已开发出多种微通道家用空调散热器。 3 ·CO2微通道换热器的换热特性 (1)微通道管内径的变化对二氧化碳气体冷却器性能的影响 通过模型计算分析，保持扁平管管宽、管长和高度都不变，改变微通道内径从0．6 mm到1．5mm，得到的结果见图2。由图可见，微通道管管径变小，制冷剂流速上升，对流换热加强，换热量有增大的趋势;同时微通道管管径减小使对流换热面积减小。在微通道管直径小于0．8 mm时减小微通道管直径，对流换热的效果弱于换热面积减少的效果，气体冷却器换热量下降;而在微通道管直径大于0．8 mm时减小微通道管直径，对流换热的效果强于换热面积减少的效果，换热量增加。另外，由于微通道管管径减小，气体冷却器容积减小，铝管体积上升，气体冷却器质量上升。质量的上升快于换热量的上升，微通道管直径减小，单位质量换热量减小，管直径大于1 mm时减小得快，小于1 mm时减小得慢。 因此，如果要使换热量最大，应设计微通道管直径在0．8 mm左右。如果换热器质量也是一个重要的考虑方面，应设计较大的微通道管直径。但是，气体冷却器的微通道管管径不能太大，因为要满足承压要求，微通道管直径太大，必须加大管子的壁厚，这样气体冷却器的质量不一定会减少，单位质量换热量也就不一定会增加。同时微通道管的直径也不宜过小(小于0．7 mm)，否则换热量会急剧下降，而且会给加工微通道气体冷却器带来很大的困难。 (2)微通道数对气体冷却器换热性能的影响 文献［8］指出，增加通道数目能够显著改善气体冷却器的性能。与研究微通道管管径的变化对换热的影响相同，在定气体冷却器外体积的条件下，其他结构参数都不发生变化。其结果如图3所示． 微通道数增加，制冷剂流速下降，对流换热减弱，换热量有减小的趋势;同时微通道数增加，气体冷却器的换热面积增加，换热量有增加的趋势。由于换热面积增加的效果大于对流换热减弱的效果，气体冷却器换热量上升。由于通道数上升而其他结构参数不变，通道数的增加使气体冷却器的容积增加。在定外体积假设的情况下，外体积和容积的差减小，铝管所占体积下降，气体冷却器质量下降。换热量上升，气体冷却器质量下降，单位质量换热量上升。增加通道数能改善气体冷却器的性能，但是在扁平管宽和微通道管管径不变的情况下，通道数取得太多，使通道间的距离减小，无法承受超临界的高压。 (3)扁平管数对气体冷却器换热性能的影响 在定体积条件下，扁平管管长与管数相关，所以这里将两个变量看作一个量进行研究，这样气体冷却器的质量不变，换热量和单位质量换热量的变化曲线形状相同。系统有3个流程，因此扁平管数的增加按3的倍数增加。其结果见图4。 扁平管数增加时，管长缩短，制冷剂压降对换热的影响很大，制冷剂流速降低，制冷剂压降大大减小，换热系数减小。但是压降减小的幅度远大于换热系数减小的程度，两者相互作用使换热量增加很快。压降的变化对换热的影响很小，当扁平管数增加到24以后都达到了出口最小温差，换热量基本不变。由此可见扁平管也不需要太多，而且一般换热器也会受到尺寸的限制。 (4)流程数的变化对气体冷却器的影响 流程数改变时，保持扁平管数不变，所以扁平管长度不变，气体冷却器的其他结构参数也不变，换热面积也不变。其程序计算的结果见图5。 流程数的增加意味着每流程的扁平管数会相应减少，制冷剂流速上升，气体冷却器换热量有增加的趋势;同时流程数增加，突缩压降增加，压降引起的温降增加，传热温差变小，从而换热量减小。两种影响相互作用，使换热量存在一个最大值。改变流程数目时气体冷却器的质量不变，单位质量换热量的变化趋势与换热量的变化趋势相同。由计算结果发现流程数在2～4之间较好。 综上所述，要同时得到较大的换热量和较小的气体冷却器质量，应使微通道管径在0．7 mm以上、1 mm以下，流程的数目应在2～4之间，微通道管的数目应大于24。 4·微通道换热器的改进 (1)微通道蒸发器中两相流的不均匀分布流动分布不均是设计换热器时要考虑的主要问题之一。此外，当换热器中经历相变(比如冷凝和蒸发)时，流动的不均匀分布就变得更为重要了，对于微通道换热器尤为如此，这种换热器通常要将两相流体分配到许多平行的微通道中。因为每个通道的入口非常小，且两相流体通常作为一个非均一相存在，所以一些微通道的入口可能只与气相制冷剂接触，而其它的通道可能一直只和纯液相接触。仅接触气相的通道将只有一个很低的换热系数，从而降低了整个换热器的换热性能。因此，集管的设计是设计有相变微通道换热器的一个重要问题。已有研究结果表明，两相流的分布不均匀是由进口集管中的相分离引起的。为了抑制两相流的分布不均，可在进口集管中加入一些流动混合装置。 (2)除霜技术 如果实验中包括一些制冷剂饱和温度较低的工况，使得换热器表面温度低于水的冰点，这时如果空气流中具有一定的湿度，就会发生结霜现象。换热器外表面的结霜会堵塞空气流，因此大大降低空气冷却器的换热能力。对于一个典型的冬天使用的热泵，系统需要除霜系统的周期性运行来化霜。 (3)换热器设计建议 微通道换热器设计的一些建议列举如下: 由于两相流的流型总是不均匀的，需要考虑到流动分布不均匀问题。使用弯管代替90°折管可能能改善此问题。 考虑到空气流的速度分布，换热器的中心区域通常有更高的空气流速，从而有更高的换热能力。因此，换热器应该设计成制冷剂可由中间流入，如图6所示。 为了减小流动分配不均带来的负面影响，限制每个管程的长度。 设计换热器时的其它重要问题：a·横截面优化(椭圆、方形或是圆形)；b·集管设计(使流动不均和压降最小化)；c·换热器流程；d·提高空气侧性能。 5·结束语 CO2微通道换热器的优势在于不仅换热性能高，而且使用对环境友好的制冷剂。制冷剂侧的换热系数比常规制冷剂要高得多，可以补偿减少的内表面换热面积。微通道换热器的弱点是存在很大的流动阻力，但是由于CO2的粘度很低，较低的粘度所产生的压降较小，这样CO2的质量流速可以设计得较大一些。另外，微通道也比较适合较高的操作压力，这正好与CO2高压制冷系统相一致，较高的操作压力，可以承受较大的压力降，对蒸发温度的变化影响不大。值得一提的是，在微通道换热器中制冷剂的流动分配不均匀现象是主要考虑的问题，尤其当制冷剂存在相变时，这种情况更加严重，所以应该在集箱中设计有效的分配器，以降低分配不均匀现象。 参考文献：略 |
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