超臨界二氧化碳套管換熱性能裝置研究*

王 迪

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200333)

0 引言

由于超臨界二氧化碳換熱器中，二氧化碳物性變化大，兩種流體的物性和熱力性質(zhì)差異較大，換熱器的流動(dòng)和換熱情況較復(fù)雜，因此超臨界二氧化碳換熱器的設(shè)計(jì)一直是研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)，其中對(duì)適用于超臨界二氧化碳的最佳換熱管形式是熱點(diǎn)中的重點(diǎn)，近些年來(lái)有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究，研究了多種不同的換熱管，如三角管，方管，多孔介質(zhì)等。在二氧化碳制冷或熱泵系統(tǒng)中，二氧化碳存在超臨界和亞臨界兩個(gè)過(guò)程，其中超臨界狀態(tài)的物性變化很大，換熱機(jī)理比較復(fù)雜，不能用一般換熱理論解釋換熱和流動(dòng)的現(xiàn)象，在現(xiàn)有超臨界換熱器設(shè)計(jì)室往往參照一般換熱理論，從而換熱器的效率不高。通過(guò)對(duì)超臨界二氧化碳換熱管的研究就是為超臨界二氧化碳換熱器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，有助于提升二氧化碳制冷和熱泵系統(tǒng)的整體性能，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

本套管換熱器中，冷流體為水，熱流體為二氧化碳，在本裝置中包含4塊組成部分，如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳套管換熱性能構(gòu)架圖

首先，主體是超臨界二氧化碳換熱管裝置，該裝置是針對(duì)本課題專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，它可以安裝和拆卸多種換熱內(nèi)管。其次，還有其他兩個(gè)裝置，它們分別是焓差計(jì)量室和跨臨界二氧化碳熱泵。其中，焓差計(jì)算室是為跨臨界二氧化碳熱泵和超臨界二氧化碳換熱管裝置提供穩(wěn)定的各種工況的冷凍水系統(tǒng)，并進(jìn)行計(jì)量。最后，本裝置的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)對(duì)以上三個(gè)裝置進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和記錄，包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)等。

2 裝置基礎(chǔ)介紹

為了設(shè)計(jì)超臨界換熱管裝置，該裝置依托于現(xiàn)有的跨臨界二氧化碳熱泵和焓差計(jì)量器來(lái)完成。

2．1 跨臨界二氧化碳熱泵

跨臨界二氧化碳熱泵是本裝置的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)超臨界二氧化碳的制取和控制，該裝置主要有壓縮機(jī)、氣冷器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和水箱等構(gòu)成。壓縮機(jī)為活塞式，排量3．5 m3/h，功率4 kW;氣冷器和蒸發(fā)器均為臥式殼管式換熱器;水箱容積為350 L。此外，裝置在氣冷器出口出安裝了套管式回?zé)崞?，在蒸發(fā)器出口安裝了氣液分離器，且節(jié)流閥采用了并聯(lián)的手動(dòng)膨脹閥與電子膨脹閥。如圖2為跨臨界二氧化碳熱泵的原理圖。

圖2 跨臨界二氧化碳熱泵原理圖

2．2 焓差計(jì)量器

焓差計(jì)量器主要由兩大功能系統(tǒng)構(gòu)成，一是獨(dú)立控制的室內(nèi)外環(huán)境控制(空氣處理)系統(tǒng)，二是可控恒溫水系統(tǒng)。本裝置使用其中的可控恒溫水系統(tǒng)，為跨臨界二氧化碳熱泵提供相應(yīng)工況的恒溫恒流水源。

3 超臨界二氧化碳套管換熱裝置

針對(duì)該裝置筆者專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一套可拆卸的套管換熱管裝置，它由外管、進(jìn)出口穩(wěn)定段和段內(nèi)管4部分組成。

在設(shè)計(jì)中，考慮裝置要具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)耐壓性，在本裝置中二氧化碳流體為超臨界狀態(tài)，最高壓力達(dá)到10 MPa以上，但是為了獲得更好的換熱效果，仍然采用了耐壓性較差的銅管，因此本裝置的二氧化碳圓管壁厚選為1．5 mm，結(jié)果理論計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驖M(mǎn)足耐壓要求。

(2)可靈活裝配，因?yàn)楸狙b置室對(duì)集中不同內(nèi)管的換熱管的換熱性能進(jìn)行研究，如果每一種套管都是獨(dú)立的測(cè)量和換熱系統(tǒng)勢(shì)必造成浪費(fèi)。所以綜合幾種套管換熱管的相同功能部分，筆者設(shè)計(jì)的裝置具備可裝配的功能。如圖3為超臨界二氧化碳換熱管裝置裝配圖，裝置共由穩(wěn)定段內(nèi)管，段外管和段內(nèi)管三個(gè)模塊組成，內(nèi)管流體為二氧化碳，內(nèi)外管之間流體為水。裝配后，段內(nèi)管套在段外管里，內(nèi)管兩段與左右穩(wěn)定段連接，穩(wěn)定段內(nèi)管和段內(nèi)管用螺紋連接，并且在連接面上用四氟乙烯墊片進(jìn)行密封。螺紋段外管水平兩端用橡膠塞密封，再用三爪卡口加固。橡皮塞塞在外管內(nèi)，其中貫穿段內(nèi)管。

圖3 超臨界二氧化碳換熱管裝置裝配圖

圖4 為裝置的段外管，總長(zhǎng)為1 m，段外管可分為一個(gè)主管和兩個(gè)支管，其內(nèi)徑均為35 mm，壁厚3 mm，材料為銅，其內(nèi)走水，水上進(jìn)上出，主管左右兩端為空，支管位于主管的兩端。水的進(jìn)出口分別有溫度測(cè)點(diǎn)，其中溫度測(cè)點(diǎn)為鎧裝溫度傳感器，直接測(cè)量流體中心溫度。

圖4 測(cè)試裝置測(cè)試外管段示意圖

如圖5為穩(wěn)定測(cè)量段示意圖，穩(wěn)定段分為左右兩段，兩段結(jié)構(gòu)和功能相同，內(nèi)徑為10 mm，壁厚為1．5 mm，材料為銅，其內(nèi)走二氧化碳。穩(wěn)定段一端設(shè)有調(diào)節(jié)閥，控制二氧化碳流量，另一端為壓力和溫度測(cè)點(diǎn)，其中溫度測(cè)點(diǎn)為鎧裝溫度傳感器，直接測(cè)量流體中心溫度。穩(wěn)定段兩段有螺紋連接件，分別與內(nèi)管和裝置預(yù)留接口連接。

圖5 測(cè)試裝置穩(wěn)定測(cè)量段示意圖

內(nèi)管是都是由內(nèi)直徑10 mm，壁厚1．5的銅圓管制成，本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了四種不同類(lèi)型的內(nèi)管，如圖6內(nèi)管段示意圖所示，分別為:

(1)單直管，內(nèi)徑為10 mm，長(zhǎng)度1 000 mm。

(2)三直管，三角排列，橫截面上，直管圓心分別在邊長(zhǎng)為13 mm的等邊三角形頂點(diǎn)上，直管內(nèi)徑為10 mm，長(zhǎng)1 000 mm，三根直管兩端焊接在一起，連接到內(nèi)徑10 mm的連接段直管上。

(3)單螺旋管，螺旋線(xiàn)底面直徑22 mm，每圈高170 mm，共6圈，螺旋管內(nèi)徑10 mm，軸長(zhǎng)1 000 mm。

(4)雙螺旋管，有兩根相同的單螺旋管3組成，兩螺旋管兩端焊接在一起，連接到內(nèi)徑10 mm的連接段上。

圖6 內(nèi)管段示意圖

4 數(shù)據(jù)測(cè)量與采集

在本課題裝置中，跨臨界熱泵裝置和焓差室都具有原有的獨(dú)立的測(cè)量和采集系統(tǒng)，因此本節(jié)主要是介紹超臨界二氧化碳套管換熱裝置的測(cè)量和采集系統(tǒng)。在套管換熱裝置中，有三個(gè)參數(shù)的測(cè)量和采集，分別為溫度、壓力和流量。

4．1 溫度的測(cè)量

在本裝置中，溫度是最主要的參數(shù)，換熱效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)都是有冷熱流體的進(jìn)出口溫度計(jì)算得出。在套管測(cè)試裝置四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)均采用了鎧裝鉑電阻，在鎧裝的表面有外螺紋，如圖7所示。在測(cè)量管道的溫度測(cè)量點(diǎn)焊接有內(nèi)插管，直接深入到測(cè)量管中心，在內(nèi)插管的內(nèi)部有內(nèi)螺紋，測(cè)量時(shí)，鎧裝鉑電阻旋入內(nèi)插管內(nèi)。鎧裝鉑電阻內(nèi)鉑電阻類(lèi)型為PT100，測(cè)量方式為三線(xiàn)制，測(cè)量精度為±0．3℃。三線(xiàn)制鉑電阻原理如圖8。

圖7 鎧裝三線(xiàn)制鉑電阻

圖8 三線(xiàn)制鉑電阻原理圖

圖8 中，鉑電阻有a、b、c三個(gè)接頭，測(cè)量?jī)x表為鉑電阻提供恒流源并通過(guò)測(cè)量鉑電阻兩端電壓確定被測(cè)溫度。PT100在0℃時(shí)電阻R0為100Ω，α=0．00385，溫度和電阻近似成線(xiàn)性關(guān)系，如式(1):

4．2 壓力的測(cè)量

在超臨界狀態(tài)，壓力是獨(dú)立于溫度的參數(shù)，其對(duì)換熱具有獨(dú)立的影響，特別是在臨界點(diǎn)附近，二氧化碳的物性隨壓力的變化十分劇烈，因此在本裝置中，在二氧化碳的進(jìn)出口設(shè)置了兩個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。壓力傳感器是采用了日本鷺宮的HSK-S054型二氧化碳專(zhuān)用高壓傳感器，如圖9所示。壓力傳感器測(cè)量壓力范圍0～15 MPa，測(cè)量誤差±2．5%，工作溫度-30 ℃至100℃，輸出信號(hào)0．5～4．5 V電壓，輸出電壓與壓力近似成線(xiàn)性關(guān)系，如圖 10 為壓力傳感器特性曲線(xiàn)所示。

圖9 二氧化碳專(zhuān)用壓力傳感器

圖10 壓力傳感器特性曲線(xiàn)

4．3 流量的測(cè)量

本裝置中需要測(cè)量的流量為水流量和二氧化碳流量。水流量計(jì)選用了最常用的容積式水流量計(jì)，沒(méi)有設(shè)置采集系統(tǒng)，采用人工讀取的方式。

圖11 二氧化碳流量校核程序前面板

在本裝置中的難點(diǎn)是二氧化碳流量的測(cè)量，一方面二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，壓力最高達(dá)到10 MPa以上，溫度100℃以上，這對(duì)流量耐壓耐溫的流量很高;另一方面套管測(cè)試裝置是并聯(lián)在二氧化碳熱泵氣冷器上，套管內(nèi)二氧化碳的流量很小，這對(duì)流量計(jì)的量程和精度要求很高。目前市場(chǎng)上還沒(méi)有能滿(mǎn)足這兩方面的流量計(jì)。也考慮過(guò)定制壓差式流量計(jì)，但因?yàn)槟透邏旱牟顗簜鞲衅鞑少?gòu)費(fèi)用過(guò)于昂貴。最后采用了熱量校核的方式計(jì)算二氧化碳流量，并編寫(xiě)了采集計(jì)算程序，如圖11為程序前面板。程序首先輸入水流量，然后采集水進(jìn)出口溫度，二氧化碳進(jìn)出口溫度和壓力，再通過(guò)熱平衡計(jì)算出二氧化碳流量。

4．4 數(shù)據(jù)采集

本裝置中使用的數(shù)據(jù)采集裝置是安捷倫數(shù)據(jù)采集儀Agilent34970A，如圖12所示。一個(gè)Agilent采集儀可以采集三個(gè)模塊。每個(gè)模塊上有22個(gè)通道，除去兩個(gè)保險(xiǎn)絲通道，可采集20組參數(shù)。在本裝置中四個(gè)溫度傳感器是三線(xiàn)制，而Agilent不能設(shè)置三線(xiàn)制鉑電阻的通道，因此本裝置用四線(xiàn)制通道的設(shè)置方式來(lái)代替，這樣每個(gè)鉑電阻要使用2個(gè)通道，即四個(gè)觸點(diǎn)。本裝置的各模塊通道的設(shè)置可見(jiàn)圖13模塊通道設(shè)置表。本裝置的采集軟件采用的是安捷倫自帶的Benchlink Data Logger II。

圖12 Agilent數(shù)據(jù)采集儀及采集模塊

圖13 Agilent采集模塊通道設(shè)置表

5 裝置步驟與內(nèi)容

5．1 裝置步驟

本次裝置可分為下面幾個(gè)步驟:

(1)傳感器標(biāo)定

首先是對(duì)裝置中的溫度和壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。溫度傳感器采用冰域法進(jìn)行標(biāo)定，壓力傳感器利用上海理工大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程裝置室的活塞式壓力計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

(2)安裝套管測(cè)試裝置

本裝置在原有的跨臨界二氧化碳裝置上的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改裝。本裝置在原有氣體冷卻器的基礎(chǔ)上并聯(lián)上了套管換熱測(cè)試裝置，如圖14所示。在裝置中焓差室的恒溫水分成兩路，一路用于加熱蒸發(fā)器，另一路作為套管換熱裝置的水流，如圖14所示，這樣可以通過(guò)調(diào)整焓差室恒溫水參數(shù)來(lái)達(dá)到裝置所需的水流工況。氣冷器的冷卻水由保溫水箱提供。

圖14 裝置原理圖

(3)跨臨界二氧化碳熱泵裝置調(diào)試

這一過(guò)程包括抽真空、充氣、保壓、試運(yùn)行等一系列步驟，這部分不是本文的重點(diǎn)，由于篇幅限制不多做介紹。

(4)裝置的運(yùn)行

①打開(kāi)裝置室總電源，開(kāi)啟電腦，記錄日期時(shí)間，裝置人員及環(huán)境參數(shù)等。

②關(guān)閉恒溫水箱排水閥，打開(kāi)進(jìn)水閥，為恒溫水箱蓄水。

③打開(kāi)焓差室恒溫水系統(tǒng)，設(shè)定供水溫度和流量，等待水流參數(shù)穩(wěn)定。

④水箱蓄滿(mǎn)后關(guān)閉進(jìn)水閥，打開(kāi)水箱循環(huán)水泵，調(diào)節(jié)水泵變頻器是水流達(dá)到額定工況。

⑤打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件，開(kāi)始記錄裝置數(shù)據(jù)，開(kāi)啟壓縮機(jī)，觀(guān)察熱泵高低壓變化，手動(dòng)控制電子膨脹閥控制器，調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度，使超臨界二氧化碳達(dá)到工況所需壓力。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄時(shí)間。電子膨脹閥開(kāi)度分為480檔，在必要時(shí)可通過(guò)啟用普通手動(dòng)閥輔助調(diào)節(jié)，若二氧化碳?jí)毫θ圆荒苓_(dá)到工況要求，則可通過(guò)充注和排泄二氧化碳其他的方式調(diào)節(jié)。

⑥系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，保存裝置數(shù)據(jù)，關(guān)閉壓縮機(jī)，5～10 min后關(guān)閉水箱水泵和焓差室恒溫水系統(tǒng)。

⑦打開(kāi)水箱排水閥排水，待排完水后關(guān)閉排水閥打開(kāi)進(jìn)水閥蓄水，換工況重復(fù)上訴步驟。

⑧完成各個(gè)工況后，關(guān)閉電腦，關(guān)閉裝置室電源。

5．2 裝置的運(yùn)行工況

本裝置的運(yùn)行工況如表1所列，分別對(duì)單直管、三直管、單螺旋、雙螺旋四種內(nèi)管的套管進(jìn)行裝置。筆者研究的超臨界二氧化碳套管換熱性能主要是用于跨臨界二氧化碳熱水器服務(wù)，因此本裝置的工況主要是參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23137-2008《家用和類(lèi)似用途熱泵熱水器》提供的熱泵熱水器的試驗(yàn)工況，如進(jìn)水溫度主要定為9℃、15℃、29℃三個(gè)溫度，水溫誤差控制在±0．5℃以?xún)?nèi)。此外考慮到壓力對(duì)超臨界流體換熱的特殊影響，本裝置還將測(cè)試壓力分為8 MPa、9 MPa、10 MPa三組工況，壓力波動(dòng)范圍控制在±3%以?xún)?nèi)。

表1 裝置方案運(yùn)行工況

6 結(jié)語(yǔ)

雖然跨臨界二氧化碳循環(huán)已經(jīng)在局部地區(qū)得到應(yīng)用，但是根據(jù)調(diào)查，二氧化碳熱泵和制冷設(shè)備還存在很多弊端或是不足，它們?cè)诎l(fā)達(dá)國(guó)家能如此迅速推廣，更多是因?yàn)槠鋵?duì)環(huán)境保護(hù)的巨大貢獻(xiàn)，就其本身的能效和安全性能，尤其是二氧化碳換熱特性方面，國(guó)際上還沒(méi)有一套權(quán)威和成熟的研究理論，二氧化碳的換熱效率也相對(duì)偏低。在我國(guó)，對(duì)二氧化碳制冷劑的研究還處于初級(jí)階段，研究的團(tuán)隊(duì)不少，但是大多數(shù)都是對(duì)二氧化碳設(shè)備的整體研究，對(duì)二氧化碳換熱管的研究不多，因此本文的成果對(duì)該方面的研究具有比較重要的參考價(jià)值。

［1］ 楊 亮，丁國(guó)良，黃冬平，等．超臨界二氧化碳流動(dòng)和換熱研究進(jìn)展［J］．制冷學(xué)報(bào)，2003(2):51-56．

［2］ 楊 亮，丁國(guó)良，黃冬平，等．亞臨界二氧化碳換熱特性研究進(jìn)展［J］．制冷學(xué)報(bào)，2003(4):28-34．

［3］ 徐軼君，姜培學(xué)．豎直細(xì)圓管中超臨界CO2對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，25(增刊):87-90．

［4］ 張 宇，姜培學(xué)，石潤(rùn)富，鄧建強(qiáng)．豎直圓管中超臨界壓力對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)研究［J］．工程熱物理學(xué)報(bào)，2006，27(3):280-282．