CO2微通道氣冷器流量分配和換熱特性的數(shù)值模擬及驗證

繼凱

(1 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093； 2 北京凱昆廣勝新能源電器有限公司 北京 101300)

自然工質(zhì)CO2對環(huán)境無污染，單位容積制冷量大，在制冷循環(huán)、熱泵循環(huán)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。與常規(guī)換熱器相比，CO2與微通道換熱器相結(jié)合可有效提高換熱效率[4-5]。國內(nèi)外研究者對CO2微通道氣冷器流動和傳熱性能進(jìn)行了模擬研究。Liao Shengming等[6]數(shù)值研究了超臨界CO2微通道管內(nèi)層流流動換熱特性，給出了在加熱和冷卻條件下不同微細(xì)管內(nèi)的速度剖面曲線、溫度剖面曲線和Nu值，結(jié)果表明超臨界換熱和普通換熱有很大差別。陸平等[7]數(shù)值模擬研究了微通道平行流氣冷器內(nèi)部流量分布特性，發(fā)現(xiàn)扁管長度、進(jìn)口集管與扁管組合尺寸及出口集管與扁管組合尺寸對氣冷器內(nèi)部扁管之間的流量分配不均勻度有很大影響，但忽略了研究CO2運行參數(shù)對流量分配的影響。巫江虹等[8]利用分解模型方法對扁管和集管分別建立模型，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相吻合，結(jié)果表明隨著CO2進(jìn)口質(zhì)量流量的增大，扁管內(nèi)最大流量不均勻度急劇下降，并采用編程的模擬方法，未涉及氣冷器本身結(jié)構(gòu)參數(shù)對CO2的傳熱影響。

為進(jìn)一步優(yōu)化CO2微通道氣冷器結(jié)構(gòu)和研究其換熱特性，根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]，本文采用分解模型的方法數(shù)值模擬CO2微通道氣冷器，研究了氣冷器結(jié)構(gòu)參數(shù)和CO2運行參數(shù)對CO2微通道氣冷器流量分配和換熱的影響。

1 CO2微通道氣冷器模型

1.1 物理模型

圖1所示為微通道氣冷器結(jié)構(gòu)，圖2所示為微通道扁管截面圖。該微通道氣冷器由左右兩根集流管組成，分別為進(jìn)口集流管和出口集流管，長度和管徑為320 mm和160 mm，在兩根集流管上分別對應(yīng)著入口管和出口管，管徑均為8 mm，兩根集流管中間由31根扁管組成，每根扁管長、寬、厚分別為500、12、1.4 mm，扁管間距為9.4 mm，在每根扁管中有9個微通道小孔，孔徑為0.68 mm。圖3所示為氣冷器扁管插入集流管截面圖，來自壓縮機(jī)的CO2過熱蒸氣由入流管進(jìn)入集流管，然后流入各扁管中與外側(cè)空氣換熱，后匯入出口集流管。由于現(xiàn)有計算機(jī)的計算能力的限制，本文的三維計算中，僅模擬CO2在微通道氣冷器中的內(nèi)部流動和換熱，簡化了空氣側(cè)百葉窗翅片結(jié)構(gòu)，空氣側(cè)邊界溫度與換熱均按文獻(xiàn)[10-11]所編制的Matelab計算求得，作為模擬的邊界條件。

1入口管；2集流管；3扁管；f扁管插入集流管深度(mm)。圖3 扁管插入集流管截面Fig.3 The cross section of a flat tube inserted into a header of the collector tube

1.2 網(wǎng)格劃分

考慮計算精度和計算機(jī)運行能力，在扁管流軸向上進(jìn)行拉伸層網(wǎng)格，由于集流管內(nèi)換熱較小，需要考慮的因素主要有集流管內(nèi)壓降及CO2氣體在內(nèi)部分布情況。因此本文將集流管與扁管分開模擬，將集流管出口狀態(tài)作為扁管進(jìn)口狀態(tài)，進(jìn)行初始化計算，減少Fluent計算時間。集流管網(wǎng)格模型如圖4所示，扁管網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖4 集流管網(wǎng)格模型Fig.4 The grid model of collector tube

1.3 設(shè)置求解模型

基于多孔介質(zhì)的微尺度化流場的數(shù)值計算，需要匹配最合適的湍流模型。本文在微尺度流動數(shù)值模擬研究中主要采用k-ε模型和k-ω[12-13]模型這兩類湍流模型進(jìn)行計算。針對扁管換熱區(qū)域，擬采用多孔介質(zhì)模型。制冷劑在多孔介質(zhì)區(qū)域流動過程的壓力損失由多孔介質(zhì)區(qū)域的動量方程決定，實際上多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項，一部分是黏性損失項，另一部分是慣性損失項。黏性損失系數(shù)及慣性損失系數(shù)的計算為：

ΔΡi=-KiUi

(1)

Ki=αi|Ui|+βi

(2)

式中：Ui為i方向的滲透量；αi為黏性阻力系數(shù)；βi為慣性阻力系數(shù)。

1.4 邊界條件

模擬計算時將集流管與扁管分開，首先在集流管內(nèi)模擬內(nèi)部流量分配。由于在集流管內(nèi)換熱量近似為0，所以不考慮集流管內(nèi)的換熱。模擬集流管內(nèi)制冷劑的分布情況時，采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件與流量出口邊界條件，將模擬的每根扁管內(nèi)的出口流量當(dāng)作扁管的入口流量進(jìn)行模擬。

為了評價31根扁管內(nèi)的流量分配特性，由上至下將扁管依次編號，并利用方差來衡量扁管流量分配不均勻度S[14]，其定義式為：

(3)

2 計算與分析

2.1 集流管結(jié)構(gòu)參數(shù)對流量分配的影響

2.1.1扁管插入集流管深度對流量分配的影響

扁管通過插入和釬焊固定在集流管上，需要插入集流管一定的深度(圖3)，f分別為4、5、6 mm，入口制冷劑質(zhì)量流量為72 kg/h，入口壓力為10 MPa。不考慮入口段的換熱，由于在過熱區(qū)CO2物性參數(shù)均隨著溫度而變化，先擬合密度隨溫度的變化，模擬時再設(shè)置密度隨溫度而變化，用變密度的單相過熱制冷劑蒸氣進(jìn)行計算分析。

圖6所示為f分別為4、5、6 mm時，扁管內(nèi)的質(zhì)量流量分布，可知3種情況下扁管內(nèi)質(zhì)量流量相近，表1表示不同插入深度下入口管在集流管1/2和1/6處質(zhì)量流量方差，可知6種情況下方差均較小，可能由于入口處CO2均為氣體，所以不會發(fā)生液體向下氣體向上的流動狀況，因此質(zhì)量流量分配較為均勻，但相對而言，當(dāng)f=4 mm時方差最小，此時質(zhì)量流量分配最為均勻。從圖6中還發(fā)現(xiàn)在靠近入口管位置(5號扁管處)時，f=4 mm扁管內(nèi)分配質(zhì)量流量較其他兩種情形最小，僅為2.47 kg/h，這是因為扁管距離入口管位置遠(yuǎn)，其中流通面積大，流速降低，使CO2流進(jìn)扁管的動壓減小，分配的質(zhì)量流量也變少，這樣其他扁管分配的質(zhì)量流量較多，因此整體來看該結(jié)構(gòu)質(zhì)量流量分配最均勻。而其余兩種結(jié)構(gòu)類型靠近入口管近的扁管內(nèi)質(zhì)量流量明顯高于遠(yuǎn)離入口管內(nèi)扁管質(zhì)量流量，31號扁管質(zhì)量流量低至 2.30 kg/h。表明該換熱器f=4 mm時為最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，換熱效果最好。

圖6 不同插入深度時的扁管質(zhì)量流量分布Fig.6 The mass flow distribution under different insertion depths

2.1.2入口管位置對質(zhì)量流量分配的影響

制冷劑進(jìn)口約位于5號扁管之間的位置，這里嘗試把進(jìn)口移動到集管1/2處，即在16號扁管的位置。本文選取f分別為4、5、6 mm時在集管1/2和1/6處進(jìn)行計算分析，由于入口端的制冷劑均處于氣相狀態(tài)，因此入口端局部計算采用氣態(tài)單相變密度模型，不考慮換熱，僅考慮流動和扁管質(zhì)量流量分配，計算結(jié)果如表1所示?？芍?/2入口處的方差均高于1/6入口處，所以相對而言1/6入口處質(zhì)量流量分配更均勻，這與之前學(xué)者得出的結(jié)論相反，主要是因為之前研究的是蒸發(fā)器側(cè)分液不均，液體流進(jìn)集流管后會在重力影響下自動向下流，造成分液不均[15-16]。但在氣冷器側(cè)，流入集流管的是過熱蒸氣，所以重力影響相對較小，不會造成嚴(yán)重的分流不均現(xiàn)象。所以f=4 mm、入口管在集流管1/6處是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

表1 不同插入深度下入口管在集流管1/2和1/6位置處質(zhì)量流量不均勻度Tab.1 Mass flow inhomogeneity at the 1/2 and 1/6 position of the inlet pipe under different insertion depths

2.2 CO2運行參數(shù)對扁管換熱的影響分析

2.2.1CO2質(zhì)量流量對換熱性能的影響

扁管換熱模擬中取CO2流體質(zhì)量流量分別為2.3、2.4、2.5 kg/h，CO2入口壓力為10 MPa；入口溫度為369 K，分析不同超臨界CO2流體質(zhì)量流量對CO2微通道換熱器換熱性能的影響。圖7所示為不同質(zhì)量流量時，CO2溫度隨管長的變化，可知隨著CO2質(zhì)量流量的增加，CO2出口溫度減小。如當(dāng)入口質(zhì)量流量為2.5 kg/h時出口溫度較低，為49.5 ℃，當(dāng)入口質(zhì)量流量為2.3 kg/h時出口溫度為51.7 ℃，說明隨著質(zhì)量流量的升高，換熱量增加，導(dǎo)致CO2出口溫度降低。圖8所示為CO2換熱量隨質(zhì)量流量的變化?？芍獡Q熱量隨著質(zhì)量流量的增加而增大，大致呈直線變化，其中質(zhì)量流量為2.5 kg/h時的換熱量比質(zhì)量流量為2.3 kg/h時的換熱量高21.4%。

圖7 不同質(zhì)量流量時CO2溫度隨管長的變化Fig.7 The CO2 temperature changes with length of flat tube

圖8 CO2換熱量隨質(zhì)量流量的變化Fig.8 CO2 heat exchange changes with mass flow

2.2.2CO2入口溫度對換熱性能的影響

為驗證模擬的準(zhǔn)確性，搭建CO2微通道氣冷器實驗臺[17-18]。如圖9所示，該實驗系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、氣冷器、中間換熱器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器及氣液分離器組成。各部件之間采用銅管(或鋁管)和高壓橡膠管連接成一個密閉系統(tǒng)，在該微通道換熱器進(jìn)出口安裝鉑電阻及壓力變送器，因此溫度是最主要的參數(shù)，氣冷器出入口處均安裝溫度傳感器，用于測量制冷劑進(jìn)出口狀態(tài)。同時在氣冷器管壁表面固定熱電偶，由于在管壁表面做了保溫措施，則管壁溫度接近制冷劑溫度。為了準(zhǔn)確測量微通道氣冷器沿程的管壁溫度，采用環(huán)氧樹脂AB膠膠黏劑將熱電偶固定在管壁表面，充分凝固后在其表面添加保溫棉，以保證測量更為精確。對傳感器標(biāo)定和實驗臺檢查調(diào)試完畢后，開始實驗。1)打開焓差室相關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設(shè)定實驗值，待焓差室空氣溫度、濕度穩(wěn)定后打開熱泵機(jī)組，啟動汽車空調(diào)系統(tǒng)，打開氣冷器與蒸發(fā)器側(cè)風(fēng)機(jī)，穩(wěn)定后打開壓縮機(jī)，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，觀察壓縮機(jī)高低壓變化，手動控制電子膨脹閥控制器，調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，使超臨界CO2達(dá)到工況所需壓力，電子膨脹閥開度分為480檔，在必要時可通過啟用普通手動閥輔助調(diào)節(jié)；2)再通過系統(tǒng)的預(yù)熱器來調(diào)節(jié)CO2的入口溫度，待運行穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)；3)系統(tǒng)穩(wěn)定運行一段時間后，保存實驗數(shù)據(jù)，關(guān)閉壓縮機(jī)，5～10 min后關(guān)閉風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，改變工況重復(fù)上述步驟。

圖9 CO2微通道制冷系統(tǒng)實驗臺Fig.9 CO2 micro-channel refrigeration system test bed

選取第4、15、30層沿著扁管流動方向的壁面溫度，當(dāng)入口壓力為10 MPa，入口流量為2.4 kg/h，迎面空氣溫度為30 ℃，相對濕度為55%時，設(shè)定CO2入口溫度分別為90.3、95.9、101.7 ℃，通過實驗和模擬分析不同CO2入口溫度對微通道換熱器換熱性能的影響。由圖10可知，該模型壁面溫度模擬的初始值等于實驗值，其余位置處的壁面溫度模擬值與實驗值雖然出現(xiàn)了不同程度的偏離，但相差較小，3種不同入口溫度下模擬值與實驗值的溫差均小于10%，在合理誤差范圍之內(nèi)，驗證了模擬的準(zhǔn)確性；隨著CO2入口溫度的升高，CO2的出口溫度不斷升高，這是由于隨著CO2入口溫度的升高，升高了空氣側(cè)與CO2側(cè)的溫差，增加了溫差驅(qū)動力，使換熱量增加；CO2入口溫度越高，管長開始段溫度下降越快，在扁管長130 mm(扁管長度1/3處)前下降較快，130 mm后下降比較緩慢，400 mm后，溫差變化不大，考慮到微通道換熱器的安放及經(jīng)濟(jì)性，并不是管長越長越好。

圖10 CO2不同入口溫度時壁面溫度模擬值與實驗值對比Fig.10 Comparison on simulated and experimental data of wall surface temperature at different CO2 inlet temperatures

3 結(jié)論

本文針對微通道換熱器，利用分解模型的方法在Fluent中分別建立入口管、集流管和扁管模型，大大縮短了微通道換熱器建模和劃分網(wǎng)格時間，提高了建模效率，得到如下結(jié)論：

1)當(dāng)f=4 mm和入口管在集流管1/6處時流量分配最均勻，此時扁管插的越深對流量分配越不利，微通道氣冷器流量分配受重力影響作用比微通道蒸發(fā)器小很多。

2)改變CO2運行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著CO2質(zhì)量流量的增加，扁管內(nèi)換熱量也增加。

3)隨著CO2入口溫度的升高，CO2從入口到出口溫度降低的幅度減小，提高了CO2的出口溫度，這是由于在其他條件不變的情況下，CO2入口溫度的升高，增大了空氣側(cè)與CO2側(cè)的溫差，增加了溫差驅(qū)動力，使換熱量增加。

4)通過實驗驗證表明，在不同CO2入口溫度條件下，微通道扁管壁面溫度實驗值與模擬值誤差在10%以內(nèi)，驗證了模擬的準(zhǔn)確性。