CO2在超臨界區(qū)管內(nèi)冷卻的換熱關(guān)聯(lián)式

周子成

CO2在超臨界區(qū)管內(nèi)冷卻的換熱關(guān)聯(lián)式

周子成

自然制冷劑CO2的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在跨臨界循環(huán)的熱泵熱水器中。本文綜述了超臨界CO2在管內(nèi)冷卻傳熱關(guān)聯(lián)式的比較和驗證。

換熱關(guān)聯(lián)式；自然制冷劑CO2；超臨界

1 引言

自然制冷劑CO2在制冷空調(diào)中的應(yīng)用日益廣泛，主要的應(yīng)用是在熱泵熱水器、汽車空調(diào)和食品冷凍冷藏領(lǐng)域。它相比于合成制冷劑的優(yōu)點是壓力比較低、單位制冷量較高、容易獲得和價格低廉、ODP為零，GWP為1（幾乎可以忽略不計）和具有優(yōu)異的傳熱性能。它的臨界溫度較低（31.1℃），在熱泵熱水器和汽車空調(diào)中是在跨臨界循環(huán)運行，其中超臨界傳熱發(fā)生在CO2氣相的熱交換器 （稱為氣體冷卻器）中，從而使單相傳熱的冷卻介質(zhì)（例如水）溫度分布可以與被冷卻的CO2氣體的溫度分布相匹配。這樣就降低了CO2單相放熱時的熱力損失。因此，在跨臨界CO2熱泵氣體冷卻器的單相傳熱應(yīng)用中，被加熱的水可以作為家庭衛(wèi)生熱水以及其他供暖過程的熱水應(yīng)用。在向被加熱介質(zhì)放熱的確定溫度下，CO2可以有多個不同的排氣壓力，因此，需要對循環(huán)系統(tǒng)建立數(shù)學模型，進行優(yōu)化設(shè)計，以便在最佳排氣壓力下獲得最佳的性能。

在建立CO2熱泵循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型時，氣體冷卻器的傳熱特性十分重要，包括換熱管的幾何參數(shù)，換熱表面的結(jié)構(gòu)形狀，CO2氣體和被加熱水的流速，以及CO2在超臨界狀態(tài)的換熱系數(shù)。

我國在2014年已有生產(chǎn)廠推出了CO2熱泵熱水器的商業(yè)產(chǎn)品，也有一些其他的生產(chǎn)廠計劃在2015年推出。CO2熱泵熱水器具有較高的COP，可以提供95℃的熱水，而其他常規(guī)制冷劑的熱泵熱水器只能提供65℃的熱水，此外，CO2熱泵熱水器可以在-25℃至43℃的環(huán)境溫度下工作，特別適用于我國北方地區(qū)的氣候條件下供暖和供熱水。因此，對CO2的應(yīng)用研究也日趨深入。

本文綜述可用于小型和微型管中超臨界CO2冷卻時的幾種強制對流傳熱關(guān)聯(lián)準則式，并且對它們作了分析比較。

2 不同的換熱關(guān)聯(lián)式

許多研究者在大量試驗的基礎(chǔ)上，得出了CO2在超臨界區(qū)換熱時的不同關(guān)聯(lián)式。如馬一太、Jahar Sarkar等曾各自建立了試驗裝置，進行了試驗測試，并對前人的關(guān)聯(lián)式進行了分析比較。這些關(guān)聯(lián)式中重要的一些列于表1。

表1 CO2的幾種換熱關(guān)聯(lián)式

3 比較

所有這些CO2冷卻傳熱關(guān)聯(lián)準則式都受到所設(shè)定的直徑和流速的限制。所以，關(guān)聯(lián)準則式需要進行比較，并對其它尺寸及流速進行驗證，因為我們需要在整個熱交換器的設(shè)計時有更普遍的關(guān)聯(lián)準則式。

圖1和圖2是對序號1至7的7種關(guān)聯(lián)準則式的比較。圖1是對序號1、3、5、7

關(guān)聯(lián)式的比較，可以看出，1、3、5比較接近，而7與它們相差較大。比較時的條件列于圖上。

圖2是對序號2、4、6關(guān)聯(lián)式的比較，可以看出，它們比較接近。比較時的條件列于圖上。

圖1 四種關(guān)聯(lián)式的比較

圖3是對序號1、2、8、9、10關(guān)聯(lián)式的比較，可以看出，它們的趨勢比較接近。比較時的條件是：套管式逆流換熱器內(nèi)管的直徑在5mm/7mm和外管直徑在11mm/13mm，參數(shù)為：氣體冷卻壓力100bar，CO2進口和出口的溫度是393 K和308 K，CO2的質(zhì)量流量為0.04kg/s，二次流體水的進口和出口溫度是298K和353 K。圖上的換熱系數(shù)表明，Pitla和Dang的關(guān)聯(lián)準則式是彼此非常靠近的，這些關(guān)聯(lián)準則式也表現(xiàn)出彼此隨溫度更多的變化，而Pettersen的關(guān)聯(lián)準則式隨溫度的變化最小。Liao的關(guān)聯(lián)準則式顯示出傳熱系數(shù)比其他的關(guān)聯(lián)式低。

4 試驗驗證

圖2 三種關(guān)聯(lián)式的比較

圖3 六種關(guān)聯(lián)式的比較

圖4示出了Jahar Sarkar建立的研究氣體在超臨界傳熱的實驗裝置。該裝置由CO2氣瓶、CO2氣體調(diào)節(jié)器、質(zhì)量流量計、CO2壓縮機、氣體冷卻器試驗段、和冷卻CO2制冷劑的水回路組成。實驗用的CO2是由市場上購買的瓶裝成品CO2；CO2調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)從氣瓶提供二氧化碳到壓縮機吸入的不同壓力。這個調(diào)節(jié)器可以提供高達35bar的CO2氣體壓力。在氣瓶和調(diào)節(jié)器之間設(shè)置了一個加熱器，使CO2在膨脹過程中不進入兩相區(qū)。試驗中所用的壓縮機是由意大利多林公司制造的CO2壓縮機。它是兩級壓縮式，并由一個三相電機驅(qū)動?？蛇\行在高達150bar的壓力和150℃的溫度。此壓縮機用于向氣體冷卻器提供超臨界壓力的CO2氣體。在調(diào)節(jié)閥后面一個設(shè)置了一個關(guān)閉閥，提供在有需要時供給/停止CO2流至壓縮機。在氣體冷卻器的測試部分中，通過冷卻水對超臨界CO2冷卻。此后CO2通過針形閥被釋放到大氣中。作為安全措施，在壓縮機之后提供一個壓力釋放閥，以便一旦系統(tǒng)出現(xiàn)壓力非常高的情況下通過它釋放CO2氣體到大氣中，保護試驗系統(tǒng)不被損壞。

圖4 研究氣體在臨界傳熱的實驗裝置

圖5至圖7分別表示在不同的試驗條件下試驗測試的結(jié)果與Pitla換熱關(guān)聯(lián)式計算結(jié)果的比較。試驗條件列于相應(yīng)的圖中。可以看出，試驗結(jié)果與Pitla關(guān)聯(lián)式的吻合較好。

5 結(jié)論

（1）對可用于小型和微型管中超臨界CO2的冷卻的強制對流傳熱關(guān)聯(lián)準則式作了祥細的比較，各準則關(guān)聯(lián)式存在一定的差異，但隨溫度變化的趨勢比較一致。

（2）制冷劑的換熱系數(shù)沿管長的變化是先增加后減小，在臨界溫度附近最大。

（3）對CO2傳熱關(guān)聯(lián)準則式進行了與實驗結(jié)果的驗證。通過實驗裝置的測試表明，測試結(jié)果與Pitla準則式的計算值比較一致。

［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

圖5 試驗值與Pitla關(guān)聯(lián)式的比較（排氣壓力82bar）

圖6 試驗值與Pitla關(guān)聯(lián)式的比較（排氣壓力90bar）

圖7 試驗值與Pitla關(guān)聯(lián)式的比較（排氣壓力78bar）

TU831［文獻標示碼］B

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2015.03.008

ISSN1005-9180（2015）03-045-05

2015-6-5

周子成（1935-），男，教授，主要從事制冷空調(diào)的理論研究和新產(chǎn)品設(shè)計。Email：zichengzhou@163.com