水冷套管式CO2气冷器的设计及实验研究

吕 静 马逸平 曹 科 石冬冬 高 强 胡特特 赵琦昊

(1 上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093； 2 福建雪人股份有限公司 福州 350200)



水冷套管式CO2气冷器的设计及实验研究

吕 静1马逸平1曹 科1石冬冬1高 强2胡特特1赵琦昊1

(1 上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093； 2 福建雪人股份有限公司 福州 350200)

本文设计了一台CO2套管式气冷器并对其进行了换热特性的实验研究。该气冷器采用逆流三重套管，CO2在内管流动，冷却水在内外管间流动。实验研究了不同CO2质量流量、入口压力和冷却水温度对传热系数、换热量和换热器效能系数的影响。实验结果表明，随着CO2质量流量的增加，传热系数和换热量均呈先增后减的趋势，换热器效能系数逐渐减小；CO2质量流量不变时，传热系数、换热量和换热器效能系数均随气冷器CO2入口压力的升高而逐渐增大；随着冷却水温度的升高，传热系数、换热量和换热器效能系数均逐渐减小。

套管式气冷器；换热性能；三重套管

随着经济的发展和环保意识的增强，CO2作为制冷工质再一次应用于制冷空调系统中[1-3]。CO2跨临界循环在高压侧具有较大的温度滑移[4-5]，与冷却介质温升过程相匹配，使其在热泵循环方面具有独特的优势[6-7]。于是众多专家学者[8]针对超临界CO2在冷却条件下的换热情况进行了研究。Pitla S S等[9]将实验研究和数值模拟相结合，研究了超临界CO2在管内的冷却换热，提出用平均努谢尔特数表示的换热关联式。Yoon S H等[10]对超临界CO2在内径为7.73 mm的铜管中的冷却换热进行实验研究，并修正了Baskov V L等[11]的关联式，提出更加符合实验结果的关联式，其平均偏差与绝对平均偏差分别只有1.6%和12.7%。Liao S M等[12]对超临界CO2微通道的换热特性进行了实验研究，得出适用于超临界CO2在水平微通道和竖直微通道内换热的关联式。陈明辉等[13]对套管管束式换热器进行了设计与实验研究，指出套管管束式换热器是一种紧凑高效的换热器。张仙平等[14]对套管式换热器的性能进行研究时发现，在保证水侧和CO2侧的流通面积基本相等的情况下，大管内套3根细管的套管式气冷器换热性能最优。

本文设计了一台CO2套管式气冷器，并对其换热特性进行了实验研究。考虑CO2气冷器在超临界状态下运行，压力可达12 MPa，且水侧温度高，所以本文采用承压能力较强的套管式换热器，并采用大管内套三根细管的结构形式。换热关联式采用Yoon S H等[10]提出的超临界CO2冷却换热关联式。

1 气体冷却器的设计

1.1 设计参数

根据国家标准[15]及系统运行的需要[16]，确定气冷器的设计工况：水侧进口温度为tw,i=15 ℃，出口温度为tw,o=65 ℃，冷却水体积流量为V=70 L/h，制热量为Q=4.75 kW。压缩机排气压力为pdis=10.26 MPa，排气温度为tdis=95 ℃，排气量为Vdis=0.9 m3/h。1.2 管径确定

根据冷却水体积流量，考虑水侧和CO2侧流通面积尽可能相等的条件，气冷器内管管径取5 mm×0.8 mm，外管管径取16 mm×1 mm，则换热器内管内径为di=3.4 mm，外径为do=14 mm。CO2在内管流动，冷却水在内外管间流动，套管截面如图1所示。

图1 套管截面示意图Fig.1 Schematic of the tube-in-tube section

1.3 管长计算

气冷器管材选用紫铜管，导热系数为λ=398 W/(m·K)[17]。建立套管式换热器的二维分布参数仿真模型，沿CO2流向以长度为Lu=0.1 m的单元进行计算。对任一计算单元，作如下简化与假设：1)忽略管壁及制冷剂的轴向导热；2)冷却水的进口温度与流速稳定一致；3)CO2的入口压力与温度稳定不变。对任一计算单元j，有如下能量与质量守恒方程：

水侧：

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

(1)

CO2侧：

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

(2)

(3)

如前所述，CO2在超临界下的管内冷却传热系数的计算，采用Yoon S H等[10]提出的传热关联式：

(4)

(5)

式中：Nuf为努谢尔特数；hr,j为超临界CO2管内冷却传热系数，W/(m2·K)；D为水力直径，m。tpc为准临界温度，℃；tf为流体温度，℃；当tf

模型计算流程为：从CO2入口处沿其流动方向，对每一计算单元，首先假设水侧入口温度为tw,i，然后根据方程(1)得出计算单元的传热量Qj根据方程(2)得出制冷剂出口状态，由方程(3)得出水侧和CO2侧之间的传热量Q’j。比较Qj与Q’j，若相等则进入下一个计算单元，不相等则重新假设tw,i。每计算一个单元，管长叠加Lu=0.1 m，直至第j单元的水侧入口温度为tw,i=15 ℃时，停止迭代，输出管长。本文基于Matlab，开发了超临界状态下的CO2套管式气冷器模型仿真程序，计算流程如图2所示。

图2 换热器管长计算流程图Fig.2 Tube length of the heat exchanger calculation process

经计算，换热管长为8.6 m，为保证换热效果，管长取计算值的1.5倍并取整，则管长为L=13 m。

1.4 气冷器结构

换热器由换热管按图3所示的形式盘绕而成，共11层，长宽高分别为：550 mm、275 mm和260 mm。

图3 气冷器结构示意图Fig.3 Schematic of the gas cooler structure

2 实验系统及工况

2.1 实验系统

如图4所示，实验系统由4个子系统组成，分别为CO2跨临界循环系统、冷却水系统、测试系统和辅助系统。CO2跨临界系统(虚线流程)由气冷器、电子膨胀阀、蒸发器、气液分离器和压缩机组成。冷却水系统(实线流程)由焓差室板式换热器、截止阀、冷却水泵等组成。焓差室通过板式换热器调节、控制冷却水的温度，为跨临界CO2循环系统提供不同温度的循环水；测试系统(点划线)由温度测量(热电偶)、压力测量(压力传感器)、流量测量(水流量计)及数据采集(安捷伦和计算机)等组成。各测试仪器详见表1。辅助系统主要为焓差室，焓差室一方面为实验系统提供不同温度的冷却水，另一方面为实验系统提供所需要的温度环境。

图4 实验系统示意图Fig.4 Schematic of experimental system

2.2 实验工况

根据国家标准[15]，制定下列工况。

工况1：环境干湿球温度分别为16 ℃、12 ℃，冷却水进水温度为17 ℃，冷凝压力为8 MPa；冷却水流量为0.02778 kg/s，CO2质量流量分别调至14.2 g/s、15.8 g/s和17.6 g/s；

工况2：环境干湿球温度分别为16 ℃、12 ℃，冷却水流量为0.03333 kg/s，CO2质量流量分别调至14.2 g/s、15.8 g/s和17.6 g/s，冷凝压力分别为9.5 MPa、10 MPa和7.5 MPa；在每个CO2流量处冷却水温度都分别调节至9 ℃、17 ℃和24 ℃；

工况3：冷却水流量为0.04722 kg/s，CO2质量流量调至14.2 g/s，环境温度分别调至7 ℃、16 ℃和25 ℃，冷凝压力分别为9 MPa、8.5 MPa和9.5 MPa；在每个环境温度下进水温度都分别调节至9 ℃、17 ℃和24 ℃。

表1 测试仪器

3 气冷器热力计算

本文以换热量Q、换热系数K和换热器效能系数ε为评价指标来分析各参数对套管式气冷器性能的影响。

3.1 换热量Q

本实验忽略热损失，则超临界CO2流体放出的热量等于冷却水吸收的热量，即：

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

(6)

式中：cw为水的定压比热容，J/(kg·K)，取4200J/(kg·K)；mw为冷却水的质量流量，kg/s；tw,i、tw,o分别为冷却水的进、出口温度，℃。

3.2 传热系数K

传热系数表示为：

(7)

式中：K为传热系数，W/(m2·K)；A为套管式换热器换热面积，m2；Δtm为冷热流体的平均温差，℃。

本文所研究的套管式换热器采用逆流式换热，流体的温度沿着流动方向不断变化，温差也不断变化。因此换热流体的平均温差Δtm采用对数平均温差计算，即：

(8)

式中：Δtmax、Δtmin分别为进口温差及出口温差中的最大值和最小值，℃。

3.3 换热器效能系数ε

换热器效能系数表示换热器实际换热效果与最大可能的换热效果之比，定义为：

(9)

3.4 CO2质量流量mr

根据超临界CO2放出的热量等于气冷器CO2进、出口焓差与制冷剂质量流量的乘积，计算CO2的质量流量：

(10)

式中：hr,i、hr,o分别为CO2流体在气冷器进、出口处的焓值，J/kg，根据进、出口CO2流体的压力和温度使用Refpropm软件查询获得。

4 实验结果

4.1 CO2质量流量对气冷器换热性能的影响

如图5～图7所示，随着CO2质量流量的增大，换热量呈先增后减的趋势；传热系数在CO2流量较小时略有增大，当流量达到15.8 g/s时，随着CO2质量流量的增大传热系数逐渐减小；换热器效能系数在CO2流量达到15.8 g/s之前基本不变，从15.8 g/s之后逐渐减小。出现这种变化的原因是，质量流量的增大使CO2流速增大，超临界CO2流体紊流流动加剧，所以CO2侧的传热系数逐渐增大，从而换热量也增大。当CO2质量流量继续增大，高于15.8 g/s时，由于流速过快，CO2流体不能与冷却水充分换热，导致换热量下降，换热器效能系数也逐渐降低。

图5 CO2质量流量对传热系数的影响Fig.5 Influence of CO2 mass flow rate on heat transfer coefficient

图6 CO2质量流量对换热量的影响Fig.6 Influence of CO2 mass flow rate on heat transfer

图7 CO2质量流量对效能系数的影响Fig.7 Influence of CO2 mass flow rate on heat exchanger efficiency

4.2 CO2入口压力对气冷器换热性能的影响

图8 CO2入口压力对传热系数的影响Fig.8 Influence of CO2 inlet pressure on heat transfer coefficient

图9 CO2入口压力对换热量的影响Fig.9 Influence of CO2 inlet pressure on heat transfer

图10 CO2入口压力对换热器效能系数的影响Fig.10 Influence of CO2 inlet pressure on heat exchanger efficiency

如图8～图10所示，传热系数和换热量均随CO2入口压力的升高而逐渐增大，传热系数在入口压力较小时变化缓慢，随着压力的升高，变化速率逐渐增大。换热量在压力较小时变化速率较快，随着压力的升高，变化速率降低并趋于稳定。换热器效能系数随入口压力的升高而逐渐增大，并在8.5 MPa时趋于稳定。4.3 冷却水温度对气冷器换热性能的影响

如图11和图12所示，随着冷却水温度的升高，换热量和传热系数均逐渐降低。传热系数开始变化较快，之后逐渐趋于稳定。随着冷却水温度的升高，CO2和冷却水之间的温差逐渐减小，因而换热量逐渐减小。如图13所示，换热器效能系数随冷却水温度的升高而逐渐减小，气冷器中流体之间的实际最大温差为CO2入口温度与冷却水入口温度之差，随着冷却水温度逐渐升高，这一温差逐渐减小，导致效能系数逐渐减小。

图11 冷却水温度对换热系数的影响Fig.11 Influence of cooling water temperature on heat transfer coefficient

图12 冷却水温度对换热量的影响Fig.12 Influence of cooling water temperature on heat transfer

图13 冷却水温度对换热器效能系数的影响Fig.13 Influence of cooling water temperature on heat exchanger efficiency

5 结论

本文设计了一台水冷套管式气冷器，并在CO2热泵热水器实验台上对其进行了换热性能实验，得出以下结论：

1)CO2侧传热系数和换热量随着CO2质量流量的增大而增大，当质量流量高于17.2 g/s时，传热系数和换热量均逐渐降低；换热器效能系数随着CO2质量流量的增大而逐渐减小；

2)随着气冷器CO2入口压力的升高，CO2侧传热系数、换热量和换热器效能系数均逐渐增大，当入口压力达到8.5 MPa时，换热器效能系数趋于稳定；

3)随着冷却水温度的升高，CO2侧传热系数、换热量和换热器效能系数均逐渐减小。

本文受沪江基金(D14003)和上海理工大学教育教学改革研究(2015-JPBKZ-005)项目资助。(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

简介

吕静，女，副教授，上海理工大学环境与建筑学院，(021)55270275，E-mail: lvjing810@163.com。研究方向：超临界二氧化碳传热特性，跨临界二氧化碳汽车空调系统的性能。