换热器的发展.pdf

第10卷 第2期制 冷 与 空 调 2 0 1 0年4月REFR IGERATI ON AND A IR2COND ITI ON I NG126 3 河南省教育厅自然科学基金项目 2008A480002 河南省优秀青年骨干教师项目 收稿日期 2009209221 通信作者 吴金星 Email wujx zzu edu cn 跨临界CO2制冷系统中换热器结构的进展 3 王任远 吴金星 李泽 尹凯杰 郑州大学 摘 要 换热器是制冷系统主要的传热部件 换热器的好坏直接影响系统的综合性能 从CO2的性质和跨 临界系统的特点出发 介绍跨临界CO2制冷系统中换热器的结构型式的发展 指出发展微通道换热器是提 高CO2制冷系统性能的必然 关键词 跨临界CO2 制冷系统 换热器 微通道 Structure progress of heat exchangers in trans2critical CO2 refrigeration system Wang Renyuan Wu Jinxing Li Ze Yin Kaijie Zhengzhou University ABSTRACT Intherefrigerationsystem heat exchangers are the main heat transfer components which impact on the total performance of system directly Considering nature of CO2and characteristics of trans2critical CO2refrigeration system introduces different struc2 tures ofheatexchangers andpointsoutthatthedevelopmentof m icro2channel heat exchangers is inevitable to improve performance of trans2critical CO2refrigeration sys2 tem KEY WORDS trans2critical CO2 refrigeration system heat exchanger micro2channel CO2被认为是最接近实用化的自然工质 特别 适合于制冷系统 汽车空调 船用空调和热泵等 目前正在研究的CO2制冷系统中 基本上都采用 跨临界CO2制冷循环 跨临界CO2制冷系统具有 优良的环保特性 良好的传热性质 较低的流动阻 力及相当大的单位容积制冷量 但跨临界CO2制 冷循环存在2个问题 一是若采用蒸气压缩循环 则系统的效率较低 二是系统运行压力较高 系统 高压侧会超过10MPa 因而部分换热设备和管路 存在安全性问题 国内外研究表明 采用合理的 内部换热器的回热循环 使压缩机进口亚临界状 态的CO2蒸气过热 节流前超临界状态CO2过冷 能提高跨临界CO2制冷循环系统效率 因此 采用 CO2制冷剂必须依赖换热器结构的发展及性能的 提高 122 1 跨临界CO2制冷系统 1 1 CO2制冷剂的性质 常温下 CO2是一种无色无味的气体 其相对 分子质量为44 01 临界压力为7 377 3MPa 临界 温度为304 1K CO2具有非常稳定的化学性质 既不可燃 也不助燃 CO2与水混合呈弱酸性 可 腐蚀碳素钢等普通金属 但不腐蚀不锈钢和铜类 金属 CO2蒸发潜热较大 单位容积制冷量高 0 时 的单位容积制冷量为22 600kJ m 3 是R22的5 12 倍 R12的8 25倍 CO2黏度较小 液体密度与气 体密度的比值较小 使得在低压下两相流流动较为 均匀 有利于节流后各回路间的工质均匀分配 较小 的表面张力能够提高沸腾区的蒸发换热系数 其良 好的输运和传热特性 可以显著减小压缩机和换热 器的尺寸 使整个系统非常紧凑 2 制 冷 与 空 调第10卷 1 2 跨临界CO2制冷循环的构成和特点 跨临界CO2制冷循环的概念是由前国际制冷 学会主席Lorentzen教授首先提出的 该循环由压 缩机 气体冷却器 内部回热器 节流阀 蒸发器和 气液分离器等组成 如图1所示 系统工作时 低 温低压CO2气体 f 在压缩机内升压至超临界状 态 a 后进入气体冷却器 被冷却介质冷却 冷却 后依然为超临界的流体 b 流入回热器 进一步冷 却到状态c 随后被节流阀节流至亚临界两相流 d 进入蒸发器吸热 压力不变 干度增加 再流 入气液分离器 气态的亚临界CO2 e 进入回热器 吸收一部分从气体冷却器出来进入回热器的超临 界CO2流体 b 的热量 低温 低压的CO2 f 再进 入压缩机压缩 如此周而复始 图1 CO2跨临界回热循环流程图 跨临界CO2制冷循环的主要特点 1 冷却器出口温度tk tc 临界温度 冷却 压力pk pc 临界压力 高压侧温度与压力相互 独立 使CO2跨临界制冷系统多了一个自由度或 可控参数 2 跨临界循环气体冷却器出口气体直接节流 后两相工质的干度较高 不利于制冷能力的提高 因此采用回热 利用从气液分离器出来的低温气 体冷却气冷器出口工质 以降低节流后制冷剂的 干度 可提高系统制冷效率 在极高的环境温度下 还可避免冷量损失 3 点e位于两相区或饱和蒸气线上 这不同 于整个系统处于亚临界状态的单机蒸气压缩式制 冷循环 点e位于饱和蒸气线上或过热蒸气区 CO2高的临界压力和低的临界温度也为其作 为制冷剂带来了许多难题 无论亚临界循环还是 跨临界循环 CO2制冷系统的运行压力都将高于传 统的制冷空调系统 这必然会给系统和部件设计 带来许多新的要求 2 CO2制冷系统中换热器结构 换热器的设计必须考虑到CO2物性特点和跨 临界CO2制冷循环的特点 CO2制冷系统工作压 力高 必须考虑换热器材料的承压能力 在CO2 制冷系统缺少标准的情况下 普通的最小爆裂压 力取系统最大承受压力的2 5 3倍 这要求CO2 换热器管道具有较小的管内径 CO2制冷系统中的换热器有多种结构型式 根 据其功能不同主要分为气体冷却器 蒸发器和内部 换热器 按照结构不同可分为管翅式 微通道式 板 式 壳管式 板翅式 套管式等 3 管翅式和微通道主 要用于空气热源的气体冷却器和蒸发器 板式和壳 管式用于水 液体热源的气体冷却器和蒸发器 板翅 式和套管式主要用于内部换热器 2 1 管翅式换热器 跨临界CO2制冷循环首先应用于汽车空调 挪威科技大学1991年研制的第一台汽车空调用气 体冷却器样机是管翅式换热器 4 图2所示为气 体冷却器原型中串联的3个具有相同CO2流程结 构的其中之一 从图中看出管的位置分布 空气由 左向右流动 制冷剂从后面的进口进入 然后沿着Z 形线路流到前面出口流出 以接近进口空气的温度 气体冷却器用内 外径分别为3 4mm和4 9mm的 带平铝肋片的铝管 芯体深度为34mm 第二台管翅式气体冷却器样机于1994年设计 和制造 4 考虑了最小爆裂压力要求 换热管采 用内 外径分别为2 0mm和3 2mm 且满足爆裂 压力要求的铝管 仿真结果表明 在给定换热面 积 换热器质量和空气侧压降的情况下 减小换热 管径能够改善换热器性能 管路循环原理同图2 3排 交叉流 前2排管为Z形流 但芯体的深度 减为21mm 代替第二排管和第三排管连续垂直裂 缝的是一排百叶窗 在这种结构下 肋片还是一 第2期王任远 等 跨临界CO2制冷系统中换热器结构的进展 3 个整体 但第二排和第三排之间的传热减少了 图2 第一台汽车空调用气体冷却器 2 2 微通道换热器 CO2的高运行压力 良好的传热性能 小当 量直径的通道 为加大空气侧换热面积提供了条 件 换热器的紧凑度也会提高 目前在跨临界 CO2制冷循环系统中 微通道换热器是发展的趋 势 多用来代替传统的翅片管换热器 微通道换 热器的主要优点是高效 耐压 体积小 制冷剂充 注量少 微通道换热器 4 如图 3所示 由2个集管和2 个集管之间沿水平方向展开的许多扁平微通道换 热管组成 换热管插入集管的狭槽 折叠百叶窗 翅片安装在微通道传热管之间 集管内装有隔 板 制冷剂得以在2个集管中来回流动 而且管入 口和管出口面积可以不同 微通道的形状可以采 用三角形 方形 圆形和H形等 在CO2微通道换 热器中多采用圆形 图3 平行流式微通道气体冷却器的结构示意图 气体冷却器集管的横截面通常是圆形 内径 略大于微通道管 在15 20mm左右 CO2系统 中的高压 有强烈的减小内径以节约材料和节约 空间的要求 所以设计 双入口 集管 可大大减小 集管质量 尺寸和换热器内部面积 从而减小爆炸 能量 丁国良教授等开发的圆管平行流换热器如图 4所示 5 圆管束是由一根或多根圆管并排组成 圆管直径在0 2 5mm范围内 圆管束的两端伸 入管间连接头内 并通过管间连接头固定在两端 集流管的方槽中 集流管由一根或数根圆管并排焊 接而成 一端封闭 一端开口 直径在15 30mm范 围内 这种结构和图3所示微通道结构的区别在 于 平行流换热器用的是焊接而成的圆管束 材料 选用铝 也可用铜及铜合金 微通道气体冷却器是 在扁管中挤压出小孔 由于需要良好的延展性和 较小的硬度 只能采用材料铝 1 圆管束 2 管间连接头 3 翅片 4 集流管 5 挡板 图4 圆管平行流换热器 Pettersen等开发的微通道气体冷却器 如图5 所示 4 11根微通道管管宽 核心深度 16 5mm 管径为0 79mm 为了避免集管两个并行入口之 间的相互影响 扁平管在集管上的插槽比需要的 深 这些开口能使制冷剂在传热管中心微通道内 自由进出 同时用塞子或插槽标尺隔离 使传热管 不能插入集管底部 Kim等 6 建立了 3个扁平微通道管并联的蒸 发器的有限体积模型 如图6所示 几何尺寸如表 1所示 其主要目标是精确地获得空气侧冷凝水 和倾斜角对折叠百叶翅片换热和流动性能的影 响 并在蒸发器样机上得到了验证 其模型可合 理 精确地预测实验数据 可被用于微通道蒸发器 的性能分析和设计 样机为2个扁平管并联的方 式 制冷剂侧为7流程 其流程布置如图7所示 模型为3个扁平管微通道并联型式 制冷剂侧为简 单的3流程 4 制 冷 与 空 调第10卷 a 集管横截面 b 微通道传热管 图5 平行流式微通道气体冷却器 a 定义的几何参数 b 百叶窗翅片横截面的几何参数 图6 微通道管百叶窗翅片示意图 图7 蒸发器样机制冷剂流程布置 表1 蒸发器模型的的几何尺寸 参数 孔直径 mm 每个扁平管 上的孔数 每排上的 扁平管数 扁平管 的总数 扁平管 长度 mm 扁平管 厚度 mm 扁平管管 间距 mm 每排的 宽度 mm 尺寸0 7916324176 41 6510 4472 6 3 24 2 参数 翅高 mm 翅间距 mm 扁平管的 宽度 mm 翅厚 mm 百叶窗 角度 mm 百叶窗 间距 mm 百叶窗 长度 mm 尺寸8 791 424 20 1271 77 16 Boewe等 1 采用的微通道管式 CO2内部换热 器如图8所示 比套管式换热器材料减少50 性能提高10 图8 Boewe等采用的微通道内部换热器示意图 韩吉田等 7 设计了如图 9所示的微通道内部 换热器 该内部换热器的内部芯长为1 156m 考 虑到换热器的散热损失和焊接余量 内部换热器 的设计长度选为1 2m 内部换热器采用3排结 构 中间靠弯管连接 内部换热器的整体尺寸为 400mm 44mm 30 5mm 在亚临界状态下使 用Petukhov关联式 超临界状态下使用Gnielinski 关联式 亚临界时用的是一般的公式 没有采用现 在讨论很多的亚临界状态公式中的任何一个 后 一个是超临界状态冷却时很多关联式中计算误差 较小的一个 计算得出微通道内部换热器的传热 面积密度比板翅式和套管式换热器的高得多 在 相同的换热量下可大幅减小换热器的尺寸 图9 韩吉田等设计的微通道内部换热器示意图 2 3 壳管式换热器 壳管式换热器一般用于大中型制冷装置 其 热媒为水或是盐水 对于CO2跨临界循环系统换 热器而言 管侧流动的是CO2工质 换热管的内侧 压力相对较高 而壳侧流动的是水 基本是常压 第2期王任远 等 跨临界CO2制冷系统中换热器结构的进展 5 管海清等 8 针对 CO2单位容积制冷量大 流 动和传热性能良好的特点 开发了一种新型 耐高 压 防泄漏的管壳式换热器 即集成管箱型管壳式 换热器 其主要组成部分有集成管箱 壳体 换热 管 折流板和紧固螺栓等 这种集成管箱型管壳式换热器 集成管箱既作 为换热器的端盖 又将管程流体的入口管段与各换 热管组成一体 并形成工质分配段 因此能够承受较 大的工质侧压力 并使工质具有良好的流动通道 流体流入集成管箱 经干管均匀流入支管即进入换 热管道 与壳管换热后汇集到干管出口流出 图10 所示为集成管箱型管壳式换热器的一种双管程形 式 与普通的管壳式换热器相比 集成管箱型管壳 式换热器没有单独的端盖或管板 耐压高且质量轻 结构简单 制造 安装和维护简便易行 可满足CO2 跨临界循环特性的特定要求 1 壳体 2 换热器 3 折流板 4 紧固螺栓 5 集成管箱 6 干管 图10 集成管箱型壳管式换热器的一种双管程形式 2 4 套管式换热器 套管式换热器一般用于CO2制冷系统的内部 换热器 在跨临界CO2制冷循环中使用的内部换 热器 一侧为压力达10MPa以上的超临界流体 另一侧为压力为4MPa的亚临界CO2过热流体 图11所示为美国ACRC公司采用的CO2汽车空 调内部换热器 9 为双铝管内肋片结构 图11 套管式内部换热器 2 5 板翅式换热器 板翅式换热器一般也用于CO2制冷系统的内 部换热器 图12所示为CO2板翅式内部换热器 的内部通道结构 9 为了增加强度 不采用普通意 义上的翅片 而是采用微小沟槽的结构 截面共6 层沟槽 其中第二 第五层为超临界侧流体换热通 道 长为1 5mm 宽为3mm的细线条矩形槽 其 他为亚临界侧流体换热通道 粗线条 为100mm 的6条平行的水平线 为层间隔板 图12 板翅式内部换热器的内部通道结构 微通道式 套管式及板翅式内部换热器传热 面积密度 为单侧隔板间流道体积内所包含的 传热总面积与该侧隔板间的容积之比 的比较如 表2所示 9 板翅式换热器与套管式相当 而微 通道式内部换热器的紧凑度则高出许多 表2 3种不同型式内部换热器的 值 型式超临界侧亚临界侧 套管式667969 板翅式840823 微通道式2 4241 763 传热面积密度 仅反映了换热器结构参数 而衡量换热器的传热参数更有实际意义 每侧的 换热系数仅为流动通道水力直径的函数 计算表 明 对应图12所示沟槽尺寸的板翅式换热器 在亚 临界侧的换热系数是图11所示套管式结构的2 倍 在超临界侧的换热系数是套管式结构的3倍 而微通道式内部换热器由于更小的水力直径而获 得更高的换热系数 但目前国内在微通道式换热 器的制造方面能力有限 3 结论 1 跨临界CO2循环系统换热器中压力可达 10MPa以上 常规尺寸的换热器设计因耐压需要 显得非常厚重 紧凑式换热器体现出高效轻便的 优点 由于CO2单位容积制冷量大 流动和传热 性能好 使得设计紧凑式换热器更加现实 由于 6 制 冷 与 空 调第10卷 换热器的质量和体积在空调系统中几乎占了一 半 因而开发研究性能优化的紧凑式换热器 对 发展CO2跨临界循环制冷技术至关重要 2 微通道蒸发器面临的挑战是两相流流动 均匀地分配到平行的各管路中 因此在设计集管 时应使