二氧化碳翅片管式蒸发器模拟与分析

制冷剂侧两相段表面传热关联式 ,在临界干度 前参考文献[ 1 ] ,临界干度后参考文献[ 2 ]过热段表 面传热系数采用 Dittus2Boelter 关联式 。两相区摩 擦压降关联式参考文献 [ 3 ] ,过热区摩擦压降关联 式采用文献[ 4 ]给出的关联式 。 2 结果及分析
翅片管式蒸发器结构参数如下 : 蒸发器为 2 排 ,每排 10 根管 ,逆流布置 。每根管长 1 m ,管内 径 7. 53 mm ,壁厚 1 mm ,管间距 28 mm ,翅片间距 3 mm ,翅片厚度 0. 2 mm 。
ABSTRACT Using t he dist ributed parameter met hod , t he mat hematic model of t he fin2t ube heat exchanger using CO2 as working fluid is derived. The changes of t he temperat ure , pres2 sure and heat t ransfer on t he air and t he ref rigerant side are analyzed. And t he effect s of t he f rontal velocity and t he ref rigerant mass velocity on t he heat t ransfer and t he flow are also dis2 cussed. The result s show t hat t he higher f rontal velocity can improve t he heat t ransfer perfor2 mance , but increase t he pressure drop on t he ref rigerant side. And t he higher ref rigerant mass velocity also can enhance t he heat t ransfer , but increase t he pressure drop . This work is helpf ul to understand t he heat t ransfer and t he flow characteristics of CO2 in t he fin2t ube heat exchang2 er , and offers a t heoretical basis for t he optimization design of t he heat exchanger. KEY WORDS carbon dioxide ; fin2t ube heat exchanger ; heat t ransfer ; flow
Ξ 收稿日期 :2005208222 通讯作者 :李涛 , Email :3103014052 @163. com
· 2 8 · 制 冷 与 空 调 第 6 卷
数不随时间变化 ; ④ 空气在各点流动均匀 ; ⑤ 不 考虑管路间横向导热 ,热量传递只在制冷剂和空气 之间进行 ; ⑥不考虑润滑油和不凝性气体的影响 ; ⑦在任何流动截面上气液相的压力相等 。
1. 2 控制方程 基于以上假设 ,把蒸发器按照制冷剂分路数和
管路连接方式分成若干计算微元 ,并在图 1 所示的 微元段上建立制冷剂侧能量守恒 、动量守恒 、空气
图 1 翅片管微元划分图
侧能量守恒 、质量守恒和管壁两侧能量守恒方程 。
冷剂侧能量守恒方程为 :
MΔr hr
= ln( do/
π( Tpo - Tr)Δy di) / (2λt) + 1/ (αr di)
εr ( da - dpo ,sat) ] (δA p + δA fη)Δy
(3)
空气侧质量守恒方程为 :
- δM aΔ da = ε( da - dpo ,sat) (δA p + δA fη)Δy
(4)
其中 :ε=
αa
L e2/ 3 Cpa
( L e
= 0.
95)
。
管外壁温度方程为 :
Tpo
=
运行工况 :制冷剂进口温度 5. 5 ℃,干度 0. 1 , 制冷剂截面质量流量 400 kg/ ( m2·s) ;空气进口干 球温度 20 ℃,湿球温度 18 ℃,迎面风速 3 m/ s。
图 2 为制冷剂侧表面传热系数沿管长的变化 情况 。可以看出 ,临界干度以前 ,制冷剂侧表面传 热系数很大 ;临界干度以后 ,发生干涸 ,传热恶化 , 表面传热系数迅速下降 。同时 ,在相对管长为 0. 5 处 ,制冷剂进入第一排蒸发器 ,空气进口干球温度 迅速增大 ,使制冷剂侧热流密度快速升高 ,从而引 起表面传热系数的突然增大 。图 3 是微元段内显 热 、潜热换热量和制冷剂侧热流密度沿管长的分布 曲线 。由于显热换热量变化很小 ,热流密度的变化 主要受潜热换热的影响 。制冷剂 、管外壁 、进出口 空气温度变化情况如图 4 所示 ,由于翅片管式蒸发 器热阻主要集中在空气侧 ,因此管外壁温度更接近 于制冷剂温度 。图 5 给出了制冷剂侧压降梯度的 分布曲线 ,随着干度的增大压降梯度先增大 ,然后 迅速减小 。下面改变迎面风速和制冷剂截面质量 流量 ,详细分析两者对二氧化碳翅片管式蒸发器流 动和换热性能的影响 。
显得特别重要 。笔者建立翅片管式蒸发器的数学 模型 ,并在相应模拟程序的基础上讨论蒸发器中换 热和流动情况及风速 、制冷剂质量流量等因素对换 热器性能的影响 。 1 数学模型 1. 1 基本假设
对翅片管式蒸发器的数学模型做以下假设 : ① 在各制冷剂支路上分液均匀 ; ② 忽略制冷剂在管 内的周向和径向流动 ,假设制冷剂管内为轴向一维 流动 ; ③制冷剂侧和空气侧均处于稳态流动 ,各参
Tr < + [αa Ta +εr ( da - dpo ,sat) ] (δAp +δAfη) αa (δAp +δAfη) + <
(5) < =π/ [ln( do/ di) / (2λt) + 1/ (αr di) + Rc/ do ]
式中 M 为质量流量 , d 为空气含湿量 , di 为管内 径 , do 为管外径 ,λ为导热系数 ,α为表面传热系 数 , Rc 为接触热阻 , Cp 为定压比热容 , Gr 为制冷 剂截面质量流量 , X 为干度 ,β为空泡份额 ,ρ为密 度 , r 为水蒸气潜热 ,ε为湿空气传质系数 , A 为单 位管长换热面积 。下标 a 表示空气侧 ,r 表示制冷 剂侧 ,p 表示管部分 ,f 表示翅片部分 ,o 表示外侧 , sat 表示饱和状态 。
+
Rc/
do
(1) 制冷剂侧动量守恒方程为 :
d Pr dx
=-
d Pr dx F
dP dx a
(2)
其中 :
dP dx
a
=
d dx
Gr2
X2
βρv
+
(1 - X) 2 (1 - β)ρl
。
空气侧能量守恒方程为 :
δM a ( CpaΔ Ta + rΔ da) = [αa ( Ta - Tpo) +
摘 要 运用分布参数法建立采用 CO2 的翅片管式蒸发器的数学模型 ,分析制冷剂侧和空气侧温度 、压力 和换热的变化情况 。同时讨论迎面风速和制冷剂质量流量对蒸发器换热和流动性能的影响 ,结果表明提 高迎面风速可以增加换热效果 ,但增加的趋势趋于平缓 ,制冷剂侧压降则成近似线性增大 ;随着管内工质 流量的增大 ,蒸发器总换热量和制冷剂侧压降都成近似线性增大 。这些工作有助于进一步了解 CO2 在翅 片管式蒸发器中的换热和流动特性 ,并为换热器的优化设计和系统的匹配提供理论依据 。 关键词 二氧化碳 翅片管式蒸发器 换热 流动
The simulation and analysis of f in2tube heat exchanger using CO2 as working fluid
Li Tao Li Qiang Kan Jie Hao Liang Yuan Xiuling ( Xi’an Jiaotong U niversity)
大 ,蒸发器总换热量变大 ,但增大的幅度越来越小 , 制冷剂侧压降则成近似线性增大 。因此可以通过
图 5 制冷剂侧压降梯度变化
增大风扇功率来升高蒸发器的迎面风速 ,从而提高 蒸发器性能 。但风扇功率的增大会提高系统能耗 和制冷剂侧压降 。所以 ,综合来考虑 ,整个系统存 在一个最佳迎面风速 。
图 6 总换热量随迎面风速的变化
图 8 总换热量随制冷剂截面质量流量的变化
图 9 制冷剂侧压降随制冷剂截面质量流量的变化
3 结 论 采用分布参数法建立采用新制冷剂 CO2 的翅
片管式蒸发器的数学模型 ,分析制冷剂侧和空气侧 温度 、压力和换热的变化情况 ,并讨论迎面风速和制 冷剂质量流量对蒸发器换热和流动性能的影响 ,结 果表明提高迎面风速可以增加换热效果 ,但增加的 趋势趋于平缓 ,制冷剂侧压降则会近似线性增大 ;随 着管内工质流量的增大 ,蒸发器总换热量和制冷剂 侧压降都成近似线性增大 。这些工作有助于进一步 了解新型制冷剂 CO2 在翅片管式蒸发器中的换热 和流动特性 ,并为换热器的优化设计和系统的匹配 提供了理论依据 。
氟利昂工质的替代是环保中的重要问题 。近 年来 ,自然工质的使用正重新受到重视 ,其中对跨 临界二氧化碳制冷装置的研究正逐渐成为国内外 研究的热点 。目前的研究主要针对汽车空调 、热泵 热水器以及干燥器等的应用展开 ,但多数针对系 统 ,而很少针对部件的优化设计进行研究 。然而 , 要想提高整个跨临界 CO2 系统的性能 ,必须对各 部件进行优化设计 。蒸发器作为跨临界 CO2 系统 的一个重要部件 ,其传热性能的优劣对于整个系统 性能有着重大的影响 ,因此对换热器的优化设计就
第 6 期 李 涛等 :二氧化碳翅片管式蒸发器模拟与分析 · 29 ·
图 2 制冷剂侧表面传热系数变化
图 3 微元段内换热量和制冷剂侧热流密度变化
图 4 制冷剂 、管外壁 、进出口空气温度变化
2. 1 迎面风速对蒸发器流动和换热性能的影响 由图 6 和图 7 可以看出 ,随着迎面风速的增
图 7 制冷剂侧压降随迎面风速的变化
2. 2 制冷剂流量对蒸发器流动和换热性能的影响 由图 8 和图 9 可以看出 ,随着制冷剂流量的增
大 ,蒸发器总换热量和制冷剂侧压降都成近似线性 增大 。
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第 6 卷 第 6 期 2006年12月
R
制 冷 与
EFRIGERA TION AND
空
A IR
调
- CONDITION IN
G
27230
二氧化碳翅片管式蒸发器模拟与分析 Ξ
李 涛 李 强 阚 杰 郝 亮 袁秀玲
(西安交通大学)
参考文献
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