小管径CO_2蒸发器换热性能_焦兴蓉.pdf

第 卷 第 期 年 月 化 学 工 程（）收稿日期：作者简介：焦兴蓉（），女，硕士研究生，研究方向为制冷及低温工程，电话：，：；张良（），男，博士，副教授，通信联系人，：。小管径 蒸发器换热性能焦兴蓉，张 良，杨玉麒（上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海）摘要：为进一步优化适用于低蒸发温度的 蒸发器性能，建立 翅片管式蒸发器数学模型，探究在低蒸发温度、制冷剂流量 、进风干球温度 、风速 条件下，种不同换热管径及流路数对 蒸发器的换热量、传热特性、压降特性的影响，并搭建 跨临界双级压缩制冷试验台对蒸发器进行性能测试，验证蒸发器模型的准确性与可靠性。研究结果表明：迎面风速的增加可以提高蒸发器换热特性和增大管内外侧压降，但迎面风速过大反而会使管内换热系数降低；小管径在 蒸发器的应用，可以显著提高换热性能，管径蒸发器空气侧与制冷剂侧换热系数相比于 管径换热器分别最大提高 和 ；通过增加流路数可以明显改善小管径蒸发器压降过大问题，为用于低温制冷的 蒸发器性能优化与推广提供参考。关键词：二氧化碳；小管径化；实验验证；低蒸发温度；数值模拟；传热中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）：，（，）：，.，：；近年来，随着冷链物流的快速发展，国内冷库及船用冷舱等低温环境库数量大幅增加。在“双碳”背景下，积极探索如何提高制冷系统效率和减小环境污染成为制冷领域共同关注的课题。焦兴蓉等 小管径 蒸发器换热性能 投稿平台：作为天然制冷剂，臭氧消耗潜能值 为，全球变暖潜能值 为，具有黏度低、单位容积制冷量大等优点，再度引起制冷行业的重视和研究热情。国外众多大型商超的冷库冷舱采用 制冷系统，研究发现可实现 的节能。而国内对于将 应用于低温环境的研究起步较晚，因此，低温制冷技术在我国具有很大的发展空间。蒸发器作为制冷系统四大件之一，其换热特性对整机性能有很大的影响。相较于其他制冷剂，运行压力高，就蒸发器而言，在相同工况下对应压力高出其他制冷剂 倍，这使得在相同压降下，蒸发器有相对较小的温度滑移，蒸发温度更加稳定，但由于运行压力高、压降大，需要增强管道耐压性，换热管需要更高的壁厚，这会使热阻增大。因此，对于 蒸发器，在关注换热特性与压降特性的同时也应考虑换热管的耐压性。经研究发现，换热管小管径化可以在提高换热特性的同时增强管道耐压性，因此，将小管径与蒸发器结合，探究小管径对于 蒸发器性能的影响很有必要。但由于 系统存在运行压力高、加工难度大、回油困难等问题，国内对 小管径蒸发器的相关研究大多停留在单管内换热特性与压降特性的数值模拟仿真，整机性能研究较少，且温度研究范围普遍为 。因此，在研究 蒸发器整机性能时同时考虑外部环境参数（风速）、内部结构参数（管径）综合因素对于蒸发器性能的影响，并以典型的冷库冷舱温度 作为蒸发温度，通过实验验证、模拟仿真进行研究，旨在为用于低温制冷的蒸发器性能优化与推广提供参考。蒸发器数学模型 几何结构模型图 所示为蒸发器几何结构模型，以流路数 路、换热管叉排布置为例。翅片管式蒸发器由换热管与翅片组成，制冷时存在管内侧 相变沸腾换热、空气侧强制对流换热及换热管与翅片间的导热，因此对蒸发器空气侧及制冷剂侧换热性能进行研究至关重要。图 蒸发器模型 数学模型根据水平单管内制冷剂沸腾换热机理，可知在流过换热管时依次经过两相湿壁区（）、管内蒸干区（）、管内过热区（）；换热管内 流态主要为单向流、泡状流、块状流和环状流；换热形式主要分为核态沸腾、液膜对流沸腾、湿蒸汽换热及过热蒸汽换热。由于制冷剂在换热管内既存在单相区，又有两相区，换热过程较为复杂，因此在模型中对制冷剂进行分区计算。表 蒸发器模型参数 蒸发器参数制冷剂换热管类型换热管材料管排布置方式排数每排管束管间距 排间距 换热管外径 换热管内径 管排长度 翅片类型翅片材料翅片厚度 翅片片距 数值内壁光滑圆管铜奇数排高 百叶窗式铝 （）管内过热区换热管内侧单相的换热性能计算关联式使用 方程进行计算：（）式中：为努塞尔数；为雷诺数；为普朗特数。（）管内两相湿壁区换热对于蒸发器中两相湿壁区的换热情形，采用公式（）计算 数：（）化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：式中：为液相努塞尔数，采用 公式（）进行计算；为两相努塞尔数；为管侧制冷剂瞬态干度。|（）式中：为制冷剂液相动力黏度，；为制冷剂气相动力黏度，；为制冷剂液相密度，；为制冷剂气相密度，；为制冷剂干度。（）管内蒸干区换热蒸干区的局部换热系数可近似地看成线性变化，因此管内蒸干区换热努塞尔数 计算如下：（）式中：，为气相努塞尔数，对于空气侧表面换热系数，采用 （）关联式进行计算，其中空气物性按进、出口平均温度计算。（）单相管内制冷剂压降按式（）计算：，|，|（）式中：为阻力系数；为管径壁厚，；为换热管长度，；为换热管内径，；为流体密度，；为流体速度，。（）两相管内制冷剂压降按式（）计算：|（）|（）式中：为沸腾准则数；为制冷剂平均干度。（）空气侧压降按式（）计算：|（）（）式中：为压降，；为最大迎面风速，；为换热面积，；为空气平均密度，；为翅片宽度，；为公称直径，；为析湿系数。仿真参数输入本文在实验验证的前提下，通过建立 蒸发器数值模型进行模拟计算，探究风速、管径、流路数对 蒸发器性能的影响。仿真参数如表 所示。表 翅片管式蒸发器仿真参数 工况参数进风干球温度 进风湿球温度 蒸发温度 制冷剂流量（）制冷剂入口干度迎面风速（）数值 ，模型验证 实验装置为验证蒸发器模型的准确性与可靠性，文中搭建 跨临界双级压缩制冷试验台，对蒸发器性能进行测试，将测试实验值与模拟值进行误差对比分析，图 为 跨临界双级压缩制冷试验台，图 为翅片管式蒸发器实物图，表 为实验仪器不确定度。图 跨临界双级压缩制冷试验台 图 翅片管式蒸发器 表 实验仪器不确定度 传感器参数型号测量范围精度温度传感器 赛亿凌（量程）压力传感器 天沐 质量流量计（）优科 功率计 青智 （量程）风速仪（）松航 为电压，；为电流，；为相电压与相电流间相位差角的余弦值。焦兴蓉等 小管径 蒸发器换热性能 投稿平台：误差分析在管径为 、壁厚为 ，风速为 ，翅片间距 ，分路数为 条件下，将测试实验值与仿真模拟值对比分析，如图、表 所示，由于实验台管路连接处存在变径、阀门等问题，翅片管式蒸发器制冷剂侧压降相对误差为 .。换热量、制冷剂进出口平均温度、平均压力及每分路数进口温度的实验值与模拟值相对误差均在 以内。因此，文中建立的蒸发器仿真模型合理，可用于小管径 蒸发器换热性能的研究。图 不同分路进口制冷剂温度对比 表 实验结果与仿真结果对比 蒸发器参数实验值模拟值误差 换热量 进口平均温度 出口平均温度 进口平均压力 出口平均压力 管内侧压降 结果分析 风速对不同管径 蒸发器性能影响由图 可知，随着迎面风速的增加，不同管径换热器换热量 均呈现先迅速增加，再缓慢增长，后趋于稳定的趋势；不难发现，换热器小管径化可以在相同工况下提高换热量，其中 小管径换热器换热量整体最高。这是由于迎面风速 的增加，破坏翅片表面形成的空气边界层，增大了蒸发器空气侧对流换热时的扰动，减小空气侧换热热阻，明显提升空气侧换热系数，如图（）所示，强化管内相变换热强度，使得管内制冷剂气相占比增大，当含气量增加到一定程度，气泡开始逐渐合并，制冷剂液膜被挤压到管壁，形成环状液膜，制冷剂流态由泡状流变化为环状流，流速增大，液膜厚度逐渐变薄，管内换热系数极大提高，换热量快速提升。图 风速对不同管径蒸发器换热量的影响 图 风速对不同管径蒸发器换热系数的影响 当蒸汽干度达到一定值时，液膜完全蒸干，此化学工程 年第 卷第 期 投稿平台：时，管内制冷剂侧换热系数 开始下降，见图（），直至风速 在 时，换热量在管内外侧换热系数的双重影响下，基本不随风速变化。随着换热管管径的减小，空气侧与制冷剂侧换热系数均呈现上升的趋势，其中，相比于 管径换热器，小管径蒸发器空气侧与制冷剂侧换热系数分别最大提高 和 。从强化换热机理分析，换热管管径的减小，使其管内制冷剂质量流速增大，管内汽化中心迅速增多，大幅度加快气泡生成速率，从而强化换热。迎面风速的增加和蒸发器小管径化在强化换热的同时，使蒸发器空气侧 和制冷剂侧压降 明显升高，见图。相比于其他管径蒸发器，管径蒸发器空气侧与制冷剂侧压降呈现突跃式增加，最高达到 的压力差。这是由于随着管径的减小，管内制冷剂沿程阻力升高，并由于汽化核心的增加，制冷剂质量流速提升，弯道处的局部阻力快速升高，造成换热管内压差急剧提升。图 风速对不同管径蒸发器压降性能的影响 流路数对 管径 蒸发器性能影响为确保分析流路数对于蒸发器压降变化的可靠性，需在保证换热量的前提下进行，蒸发器流路布置见图，不同流路数下 管径 蒸发器拘换热量见图。图 蒸发器流路布置 图 不同流路数下 管径蒸发器换热量 随着流路数的增加，换热量整体稍有下降，但最大下降，在误差允许范围内。对于蒸发器，流路数的大小决定每条流路中制冷剂流量的多少与分液均匀性，流路数增加，管内制冷剂质量流量降低，流速减小，由于分液更加均匀，制冷剂气体可以快速排出，管内流动阻力减小。图 为流路数对 管径蒸发器制冷剂侧压降影响。图 流路数对 管径蒸发器制冷剂侧压降影响 焦兴蓉等 小管径 蒸发器换热性能 投稿平台：由于每条流路长度减小，管内摩擦阻力降低。因此增大流路数，可明显改善小管径蒸发器内压降过大的问题。见图，当风速为 ，流路数为时，制冷剂侧压降由流路数为 时的 下降到 ，减小了 。结论（）迎面风速的适当增加可以提高蒸发器换热特性和增大管内外侧压降。但迎面风速过大，管内侧换热系数反而降低，压降升高；迎面风速过小，换热量无法保证，因此合理选择风速是蒸发器设计的关键之一。（）小管径在 蒸发器的应用，可以有效提高换热性能。相比于 管径换热器，管径蒸发器空气侧与制冷剂侧换热系数分别最大提高 和 。（）增加流路数可以显著改善小管径蒸发器压降过大问题。相比于流路数 时，流路数 的压降减小了 ，对于小管径在 蒸发器的应用与推广有一定的参考价值。参考文献：轩福臣，谢晶 跨临界 制冷循环系统与应用研究进展 食品与机械，（）：马飙，冀兆良 二氧化碳制冷剂的应用研究现状及发展前景 制冷，（）：李锋，司春强，马进 二氧化碳跨临界制冷系统的研究及应用进展 冷藏技术，（）：林智博，陶乐仁，虞中旸，等 超临界 混合工质小管径管内流动传热 化学工程，（）：尤顺义，张静，林灿洪，等 小管径内螺纹铜管在空调系统中的应用 制冷技术，（）：冯光东，柳建华，张良，等 和 在小管径水平管内冷凝换热特性研究 制冷学报，（）：丁国良，吴国明，刘挺 制冷空调换热器的研究进展（一）小管径翅片管换热器 家电科技，（）：，：，：，：李涛，李强，阚杰，等 二氧化碳翅片管式蒸发器模拟与分析 制冷与空调，（）：逯玮 管内流动沸腾换热干涸特性研究 吉林：东北电力大学，叶梦莹，顾众，谢晶，等 风速对不同流程数 蒸发器性能的影响 制冷学报，（）：王晓乐，边煜竣 回风口风速对 冷风机传热系数的影响分析 冷藏技术，（）：，（）：吴极，王瑾，王哲旻，等 管径变化对蒸发器性能影响的仿真与实验研究 制冷学报，（）：杨世铭，陶文铨 传热学 版 北京：高等教育出版社，（）：周谟仁 流体力学、泵与风机 北京：中国建筑工业出版社，彦启森 空气调节用制冷技术 北京：中国建筑工业出版社，欢 迎 投 稿，欢 迎 订 阅，欢 迎 刊 登 广 告!