CO2在超临界区管内冷却的换热关联式

2015-04-24周子成

制冷 2015年3期

关键词：冷却器制冷剂超临界

周子成

CO2在超临界区管内冷却的换热关联式

周子成

自然制冷剂CO2的应用日益广泛，尤其是在跨临界循环的热泵热水器中。本文综述了超临界CO2在管内冷却传热关联式的比较和验证。

换热关联式；自然制冷剂CO2；超临界

1 引言

自然制冷剂CO2在制冷空调中的应用日益广泛，主要的应用是在热泵热水器、汽车空调和食品冷冻冷藏领域。它相比于合成制冷剂的优点是压力比较低、单位制冷量较高、容易获得和价格低廉、ODP为零，GWP为1（几乎可以忽略不计）和具有优异的传热性能。它的临界温度较低（31.1℃），在热泵热水器和汽车空调中是在跨临界循环运行，其中超临界传热发生在CO2气相的热交换器（称为气体冷却器）中，从而使单相传热的冷却介质（例如水）温度分布可以与被冷却的CO2气体的温度分布相匹配。这样就降低了CO2单相放热时的热力损失。因此，在跨临界CO2热泵气体冷却器的单相传热应用中，被加热的水可以作为家庭卫生热水以及其他供暖过程的热水应用。在向被加热介质放热的确定温度下，CO2可以有多个不同的排气压力，因此，需要对循环系统建立数学模型，进行优化设计，以便在最佳排气压力下获得最佳的性能。

在建立CO2热泵循环系统的数学模型时，气体冷却器的传热特性十分重要，包括换热管的几何参数，换热表面的结构形状，CO2气体和被加热水的流速，以及CO2在超临界状态的换热系数。

我国在2014年已有生产厂推出了CO2热泵热水器的商业产品，也有一些其他的生产厂计划在2015年推出。CO2热泵热水器具有较高的COP，可以提供95℃的热水，而其他常规制冷剂的热泵热水器只能提供65℃的热水，此外，CO2热泵热水器可以在-25℃至43℃的环境温度下工作，特别适用于我国北方地区的气候条件下供暖和供热水。因此，对CO2的应用研究也日趋深入。

本文综述可用于小型和微型管中超临界CO2冷却时的几种强制对流传热关联准则式，并且对它们作了分析比较。

2 不同的换热关联式

许多研究者在大量试验的基础上，得出了CO2在超临界区换热时的不同关联式。如马一太、Jahar Sarkar等曾各自建立了试验装置，进行了试验测试，并对前人的关联式进行了分析比较。这些关联式中重要的一些列于表1。

表1 CO2的几种换热关联式

3 比较

所有这些CO2冷却传热关联准则式都受到所设定的直径和流速的限制。所以，关联准则式需要进行比较，并对其它尺寸及流速进行验证，因为我们需要在整个热交换器的设计时有更普遍的关联准则式。

图1和图2是对序号1至7的7种关联准则式的比较。图1是对序号1、3、5、7

关联式的比较，可以看出，1、3、5比较接近，而7与它们相差较大。比较时的条件列于图上。

图2是对序号2、4、6关联式的比较，可以看出，它们比较接近。比较时的条件列于图上。

图1 四种关联式的比较

图3是对序号1、2、8、9、10关联式的比较，可以看出，它们的趋势比较接近。比较时的条件是：套管式逆流换热器内管的直径在5mm/7mm和外管直径在11mm/13mm，参数为：气体冷却压力100bar，CO2进口和出口的温度是393 K和308 K，CO2的质量流量为0.04kg/s，二次流体水的进口和出口温度是298K和353 K。图上的换热系数表明，Pitla和Dang的关联准则式是彼此非常靠近的，这些关联准则式也表现出彼此随温度更多的变化，而Pettersen的关联准则式随温度的变化最小。Liao的关联准则式显示出传热系数比其他的关联式低。

4 试验验证

图2 三种关联式的比较

图3 六种关联式的比较

图4示出了Jahar Sarkar建立的研究气体在超临界传热的实验装置。该装置由CO2气瓶、CO2气体调节器、质量流量计、CO2压缩机、气体冷却器试验段、和冷却CO2制冷剂的水回路组成。实验用的CO2是由市场上购买的瓶装成品CO2；CO2调节器用于调节从气瓶提供二氧化碳到压缩机吸入的不同压力。这个调节器可以提供高达35bar的CO2气体压力。在气瓶和调节器之间设置了一个加热器，使CO2在膨胀过程中不进入两相区。试验中所用的压缩机是由意大利多林公司制造的CO2压缩机。它是两级压缩式，并由一个三相电机驱动。可运行在高达150bar的压力和150℃的温度。此压缩机用于向气体冷却器提供超临界压力的CO2气体。在调节阀后面一个设置了一个关闭阀，提供在有需要时供给/停止CO2流至压缩机。在气体冷却器的测试部分中，通过冷却水对超临界CO2冷却。此后CO2通过针形阀被释放到大气中。作为安全措施，在压缩机之后提供一个压力释放阀，以便一旦系统出现压力非常高的情况下通过它释放CO2气体到大气中，保护试验系统不被损坏。

图4 研究气体在临界传热的实验装置

图5至图7分别表示在不同的试验条件下试验测试的结果与Pitla换热关联式计算结果的比较。试验条件列于相应的图中。可以看出，试验结果与Pitla关联式的吻合较好。

5 结论

（1）对可用于小型和微型管中超临界CO2的冷却的强制对流传热关联准则式作了祥细的比较，各准则关联式存在一定的差异，但随温度变化的趋势比较一致。

（2）制冷剂的换热系数沿管长的变化是先增加后减小，在临界温度附近最大。

（3）对CO2传热关联准则式进行了与实验结果的验证。通过实验装置的测试表明，测试结果与Pitla准则式的计算值比较一致。

［1］Jahar Sarkar，M Ram Gopal，COMPARISON AND VALIDATION OFHEAT TRANSFER CORRELATIONSFOR IN -TUBE COOLING OF SUPERCRITICAL CO218thNational &7thISHMT-ASME Heat and Mass Transfer Conference January 4-6，2006 IITGuwahati，India

Heat Transfer Correlations for In-tube Cooling of Supercritical CO2

ZHOU Zicheng

The natural refrigerant CO2is used widely，especially in trans-critical cycle heat pump water heaters.In this paper，the comparison and validation of heat transfer correlations for in-tube cooling of supercritical CO2is discussed.

Heat transfer correlation；Natural refrigerant CO2；Supercritical