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一种新型二氧化碳无缝微通道耐高压气体换热器的研究和开发

点击:2213 日期:[ 2014-04-26 21:35:30 ]
           一种新型二氧化碳无缝微通道耐高压气体换热器的研究和开发                               张伟君  邓小亮                           东莞高宝铝材制品厂有限公司     新型制冷剂如R134a、R410A、R407C等,不仅性能不如氟利昂,且制造成本昂贵、还会造成温室效应。因此,任何人工合成制冷剂的生产和排放都会对生态环境造成不良影响,要根本解决问题,必须采用天然工质代替合成工质。由于二氧化碳具有良好的环境友好性(无毒、臭氧层破坏系数为零、温室效应指数为R 2 2或R134a的千分之一)、安全性(不可燃)、单位容积制冷量大(其单位容积制冷量是R22的5倍)、成本低廉(来源广泛、容易获得)、流动阻力小等优点,越来越受到研究者们的重视,有望成为二十一世纪理想的环保冷媒之一[1,2,3]。     在二氧化碳制冷循环系统中,二氧化碳工作在超临界状态(临界压力PC=7.13MPa),工作压力大大高于传统冷媒。而且,整个制冷过程中二氧化碳始终处于气态,并不发生一般制冷系统的冷凝液化,其冷却压力最高可以达到11MPa左右[3]。由于需要承受高压,关键部件气体换热器的制造技术就成为二氧化碳系统产业化的技术瓶颈之一,因此,研究开发一种新型的二氧化碳无缝微通道耐高压气体换热器具有重要作用和意义。     1·二氧化碳无缝微通道耐高压气体换热器的应用前景     1.1汽车空调领域     1992年,挪威工业大学的Lorentzen率先提出了二氧化碳跨临界循环理论,并成功试制了世界上第一台汽车空调系统样机,由于受当时理论和技术的局限,测试结果不太理想。但是,二氧化碳作为一种新型的环保制冷剂,开始进入人们的视野,并引起广泛关注。随后,美日欧等国家和地区对二氧化碳汽车空调系统进行了大量的研究,相继成功研制出二氧化碳汽车空调系统并装车试运行,目前已进入小批量生产。国内对二氧化碳空调系统的研究起步较晚,且大多数以理论研究为主。其中,西安交通大学对二氧化碳系统进行了理论分析和研究;上海交通大学在上汽集团的支持下,开展二氧化碳汽车空调系统的研制工作,目标在三年内完成二氧化碳系统的装车试验[3]。可见,随着二氧化碳汽车空调系统研究的不断深入、制造技术的不断成熟,二氧化碳微通道气体换热器在汽车空调领域的应用前景日益明朗。     1.2热泵热水器领域     二氧化碳应用研究的另一个主要领域是热泵热水器[4,5]。在二氧化碳跨临界循环中,由于气体换热器具有较高排气温度和较大的温度滑移,使二氧化碳热泵热水器无论从能效方面还是从环境保护方面均有明显优势,市场前景非常广阔。研究显示,以环境空气作热源,进水温度为8℃、热水温度为60℃时,二氧化碳热泵热水器的COP值高达4.3,其能量消耗只有电或燃气系统的1/4。二氧化碳热泵热水器的另一个优点是可在温度较低的环境条件下产出温度高于90℃的热水,这是传统热泵热水器所不及的(传统热泵系统通常限制最高水温在55℃左右)。     日本对二氧化碳热泵热水器的研究开发起步最早,相关技术也最成熟。目前已占据其热水器市场38%左右的份额,目前份额还在继续扩大[5]。显然,随着二氧化碳热泵系统在全球热水器领域的扩张,二氧化碳微通道气体换热器在热泵热水器领域的应用前景非常广阔。     1.3家用空调领域     自2003年以来,在出口强劲增长的带动下,中国空调连续三年产量保持在7000万台以上,成为名副其实的全球空调制造中心[6],空调产业在中国经济结构中占有举足轻重的地位。目前,国内外对家用二氧化碳空调系统的研究还处在初级的理论研究和样机摸索阶段,相关理论和机械加工尚不成熟。在这种情形下,我们一方面加强家用二氧化碳空调系统的理论研究,一方面加强家用二氧化碳空调关键部件微通道气体换热器加工技术瓶颈攻关,有利于我们抢占新型家用空调专利技术的最高点,打破西方家电大国在空调专利方面的长期垄断地位。因此,研究开发一种新型的微通道二氧化碳空调气体换热器,对维持我国全球空调研发制造中心的地位具有重要作用和意义。     2·二氧化碳无缝微通道耐高压铝复合材料换热器开发的技术难题     目前工业上大量生产的空调换热器,绝大多数是为了适用于压力低于2.5MPa的焊接工艺而设计的。如果按普通空调换热器的设计方法和压力容器标准设计适合高压二氧化碳的换热器,会使整个换热器变得异常笨重、体积大、成本高。研究表明,由于二氧化碳制冷剂侧传热系数比普通制冷剂高,制冷剂侧所需的传热管径和传热面积很小,而空气侧(或水侧)所需要的传热面积则相对较大。可以设想,二氧化碳系统换热器应该是一种具有小通道、管外具有很多翅片的高效紧凑式换热器。     由于二氧化碳系统的最高压力高达12MPa,二氧化碳气体换热器的开发必须克服如下三个技术难题:①无缝微通道加工技术难题;②由于管道外需要很大的传热面积,必须解决管道外整体翅片非焊接成形的加工技术难题;③必须考虑内管道耐高压要求以及严格的高压密封要求,不能接受在高压工作条件下不安全的焊接工艺制造。     2.1无缝微孔通道加工技术的研究和开发     一种目前普遍研究的二氧化碳气体换热器的制作方法是,采用小管径的肋片管式换热器(用液压或机械胀管技术使管径扩张,达到管壁和肋片的良好接触),二氧化碳在管内流动,空气或水在管外掠过。但由于这种换热器受胀管技术的限制,管内径不能太小,管外壁与肋片之间存在空气间隙,大大降低了换热效率;而且所需的小直径管路长、弯头多、阻力大,产品体积大而笨重,造成加工成本较高,并不是一种理想的二氧化碳气体换热器。     微通道换热器是当前众多研究者推荐的一种二氧化碳气体换热器。由于二氧化碳系统的运行压力非常高,如果按常规设计方法,通常需要采用较大的壁厚,这样会降低换热性能,并不可取。微通道内径对换热性能的影响比较复杂:管径减小,制冷剂流速加快,增强了对流换热;另一方面,如果管径过大,为了承受高压,需要增加管道壁厚,这就引起换热器体积和重量的增大,压缩机功率随之增大、浪费了能源。我们的研究表明,微通道的孔径为0.8~1.5mm,既可避免因流道过小而发生管道堵塞,又有助于在相同壁厚条件下承受更高的工作压力。而且,微通道的水力半径非常小,流体在非常低的雷诺数下就能进人湍流状态,大大提高了换热效率。此外,微通道技术在单位体积空间中提供更大的接触面积,改善了传热特性,在相同换热量条件下,可以大幅度减小换热器尺寸和重量。虽然微通道气体换热器具有上述体积小、重量轻、传热系数高且耐高压的优点,但由于其设计制造与常规换热器有很大不同,一直以来是二氧化碳微通道气体换热器产业化的技术瓶颈。     我们开发出一种二氧化碳无缝微孔通道耐高压气体换热器(见图1和图2),实现了小壁厚与小管径耐高压双重优点的结合,以紧凑的结构达到环保、节能、降低成本的目的。而且,其无缝微通道的数量和流道长度可以依据设计要求灵活设定,能够轻易满足不同换热量的要求。                                 2.2无缝整体外翅片成形管加工技术的研究和开发     二氧化碳气体换热器以管壁为界面,通过制冷剂与空气的温差进行换热。其中,制冷剂与管壁的热交换是通过接触传热完成,管外壁与空气是通过对流来完成。由于空气侧的表面传热系数远低于管内侧的表面传热系数,因此,空气侧的换热形成了系统换热的瓶颈。一般的说,当空气侧的传热面积为制冷剂侧的10~30倍时,才能使制冷剂侧与空气侧的热阻均衡,换热器整体性能也更有效。因此,出现了翅片管,大大增加了空气侧的传热面积提高了整机效率。但普通翅片管的翅片一般是在制冷管外绕上铜片或铝片再经焊接或胀管而成。这种方式形成的翅片管由于存在焊点和空气间隙,在长期冷热交替工作条件下,管壁与翅片间存在较大的热胀冷缩应力,从而造成焊点的破坏,因此其传热性能及稳定性、使用年限等方面都有问题,且胀管及焊接工艺方面技术难度较大,不利于降低成本。     为了解决这个技术难题,我们研究开发出一种无缝整体成形外翅片管,采用一种先进的机械加工技术,在无缝微孔耐高压通道管的外表面形成一定高度、一定片距、一定片厚的翅片,大大增加了空气侧的传热面积。而且,整体成形无缝外翅片管由于翅片和管壁一体,不存在接触热阻和电腐蚀现象,因而能保持稳定的传热性能、延长翅片管的使用年限。     2.3无需焊接的二氧化碳高压密封技术的研究和开发     在二氧化碳制冷循环系统中,二氧化碳工作在超临界状态,工作压力大大高于传统冷媒。而且,整个制冷过程中二氧化碳始终处于气态,并不发生一般制冷系统的冷凝液化,其冷却压力最高可以达到11MPa左右。由于高压气体很容易泄漏(即使轻微泄漏,长期运行后也会造成整机性能下降),因此,二氧化碳气体换热器的设计必须考虑严格的高压密封要求;而且,由于焊接工艺容易在焊接部位形成应力集中点和腐蚀突破点,不能接受焊接工艺。     经过反复试验和改进,我们设计出一种无需焊接的高压密封技术,将无缝微通道管、集气器、出口管、入口管、耐高压硅橡胶密封圈、高强度螺丝等二氧化碳气体换热器的零部件无焊接密封连接,提高了系统的耐高压性和安全性,避免因管道破裂而导致冷媒泄漏,延长空调使用寿命。     3·结论     随着二氧化碳跨临界系统研究的不断深入、技术的不断成熟,二氧化碳气体换热器的应用前景日益明朗。我们在解决了无缝微孔通道加工技术、无缝整体外翅片管成形加工技术、无需焊接二氧化碳高压密封技术三大加工技术难题下,成功地开发出一种新型的二氧化碳无缝微通道耐高压气体换热器,为热传领域提供了新的高效换热器产品。 参考文献 1·黎立新等,环保型CO2跨临界制冷系统,东南大学学报(自然科学版),2001(4):101-105 2·邓小亮等,固体在超临界二氧化碳中溶解度的关联与计算,化工设计,2004,14(1):39~43 3·陈江平等,二氧化碳汽车空调系统应用研究进展,低温与特气,2001(2):1-5 4·陆蕾颖等,CO2热泵热水器的应用与发展,家电科技,2006(7):43-45 5·郭蓓等,二氧化碳热泵热水器系统及压缩机的研发现状,家电科技,2005(9):42-44 6·陆刃波等,2007年空调市场发展态势预测,家电科技,2007(4):72「编辑/李鹏」
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