跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发

跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发 跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的 设计开发 第 2 2 0o 6 5年 期跨临界CO汽车空调微通道气体冷却器的设计开发Vo1.26,No.4 Dec.2005 ,1!— 《糟40—?1{0 跨临界CO2汽车空调微通道气体冷却器的设计开发 邓建强姜培学石润富 《清华大学热能动力工程与热科学重点实验室北京100084) 李建明 (苏州三川换热器有限公司苏州215101) 摘要基于平均温差法,调用REFPROP7,0确定超临界c02剧烈变化的热物性,采用迭代 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对紧凑式微通道气 体冷却器进行设计.选用近期发表的两个超临界c管内换热计算关联式进行设计计算,结果表明二者对气体冷 却器的设计影响不大;c侧压降计算表明压降很小.文章阐述了有关试制工艺. 关键词热工学;气体冷却器;设计;微通道 DevelopmentofMicrochannelGasCoolerforTrans—criticalC02Automotive AirConditioning DengJianqiang?,JiangPeixue,ShiRunfuandLiJianming ? KeyLaboratoryforThermalScienceandPowerEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing, 100084,China AbstractAmodifieddesigncalculationprogramwasdevelopedforgascoolersusingthemea ntemperaturedifference method.Sincethevariablethermophysicalpropertiesofsupercriticalco,significantlyinflue ncetheconvectionheat transferintubes,thethermodynamicandtransportpropertiesofsupercriticalco,usedintheca lculationsweredeter— minedwithREFPROP7.0.Thetwomostrecentpublishedcorrelationsfor_n—tubecoolingwerealsousedinthepro— gram.Theresultsshownonotabledifferenceb^feenthetwocorrelations.Thein—tubepressuredroppredictedisal— soquitesmal1. Keywords~/rology;Gascooler;Design;Microchannel 1引言 1992年挪威的Lorentzen教授提出跨临界CO, 循环理论,并首先在汽车空调应用,受到了制冷领域 的普遍关注.之后,跨临界CO循环向制冷,热泵 的各个应用领域迅速扩展,Man—HoeKim在文献中 做了较详细的阐述?j:包括汽车空调,汽车热泵供 热,居室制冷与热泵供热,热泵热水器,特殊环境控 制设备,商用空调.在各项应用中,因CO对环境 无害,其跨临界循环系统性能接近R134a系统,全面 替换后能迅速缓解目前汽车空调系统泄漏氟利昂对 环境造成的巨大影响.跨临界c02汽车空调在欧 美,日本汽车业最早实现商业化生产,采用跨临界 c02循环的热泵热水器是继汽车空调之后,第二个 被商业化的产品. 国内近几年开展了相关的研究.上海交通大学 和上海易初通用机器有限公司在2000年就已开始 收稿日期:2004年I1月24日 对跨临界c02轿车空调立项研究;天津大学对跨 临界CO热泵系统进行了研究和样机试制_3;中国 船舶重工集团公司第七研究院第704研究所开展了 船用CO制冷系统研究. 为响应2008年北京绿色奥运的规划,清华大学 正在承担北京市科学技术委员会跨临界CO汽车 空调的研究项目, 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 在轻型客车中使用跨临界 CO汽车空调. 2紧凑式微通道气体冷却器简介 cO2在气体冷却器中压力可达10MPa以上,处 于超临界状态,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c02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.挪威J. Petterson首先设计出了适用于跨临界c02汽车空调 第26卷第4期 22O5年12月 制冷 JournalofR~qigeration Vo1.26,No.4 Dec.2006 的微通道换热器],其集流腔和换热扁管见图1,并 对传热特性做了对比研究.研究表明,从内外径 3.4mm/4.9mm减至2.0mnd3.2mm到后来发展的 0.79ram内径换热扁管,随着管径的减小,可有效增 加管内换热系数,同时相对增加空气侧的换热面积, 减轻换热器重量,提高换热器的传热系数. 表1为国外两例采用微通道气体冷却器的实验 数据.Yin使用的集流管与换热扁管结构尺寸如 图1结构,Y.Zhaon使用有1O个微孑L,内径为 1.Omm的换热扁管. 由于国内前几年不具备微通道气体冷却器的制 造能力,上海交大的汽车空调样机采用管片式结 构J.目前合作厂从工艺上解决了图1所示的双筒 集流管挤压成型加工问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,将对该类型微通道气体 冷却器的换热设计和试制情况进行阐述. 表1公开的微通道气体冷却器参数 参数Yin[]Y.Zl1ao[] 迎风面积(m2)O.1950.150 扁管长度(m)O.545O.43o 扁管数34(13,11,10)34(17,17) 翅片高度(哪)8.898.00 气冷器宽度(m)0.367O.348 空气侧表面积(fn2)5.23.0 测试换热量(kW)O.5,1O.53.74—8.61 测试压降(kPa)20,180 测试C()2流量(s)l9.6,56.317.939.6 f--O?430 .. ..l^,,h^165C YYY,1-"YY f} ?一8255_——-- C1n一 图1气体冷却器集流管和微通道换热扁管 3超临界c()2冷却状态的对流换热与压降计算关 联式 近年来随着对超临界c02换热研究的深入,提 一 52一 出了专门针对超临界CO2冷却条件下的换热系数 计算关联式. 3.1S.S.Pitlaeta1.(2002)关联式 s.s.Pitla[8等人在实验研究和数值模拟的基 础上提出了如下计算关联式: Nu= ()? 式中训,分别为对应壁面和流体温度 的热物性参数计算而来的努塞尔数.计算舰时, 其雷诺数中的速度取C0的进口速度,计算?u 时,其雷诺数计算取平均速度.上述两个努塞尔数 由Gnielinski计算关联式(2)分别计算. Nu= /8(Pr2/312.7?亏一1)+1.07,. 摩擦系数?为 芎=(0.79In(Re)一1.64)(3) 超临界CO2气体冷却器管内冷却换热的换热 系数 一. hkhIk(4) Pitla等人将关联式计算值和实验结果与数值模 拟结果做了比较[8].关联式计算值绝大部分在数值 模拟的?20%范围内,实测的平均换热系数在数值 模拟的?17%范围内.低于准临界点后和深入气态 区会超出此范围. 3.2SeokHoYooneta1.(2003)关联式 SeokHoYoon针对Baskoveta1.关联式n们(5)做 了修正,提出关联式(6): Nu:旦lfl(5)=I卫lII(5)C/P/J Nuw=1.38 叫苦jPW? Nu为对应壁面温度常物性假设下的局部努 塞尔数,由Petukhov关联式(7)计算: Nu= 1274//8(Pr2/3(7). 一 1+1.07 实验值与关联式计算值偏差在12.3%以内. SeokHoYoon指出除非对气体冷却器进行测 为此专 量,否则无法准确知道气体冷却器壁面温度,门为工程设计人员提出了第二个关联式(8),不再包 第誉嚣期跨临界CO:汽车空调微通道气体冷却器的设计开发Vo1.26.? 0.4Dec.20o5 含壁面的信息. Nu:口Re:f1(8)p 当Tb>:a=0.14,b=0.69,c=0.66,n=0 当Tb?r眦:a=0.013,b=1.0,c=一0.05,n=1.6 该关联式计算值与实验数据间平均偏差为 l2.7%. 3.3压降关联式 采用光滑管道内充分发展湍流单相流动压降关 联式(9)能准确预报流动压降 ?P=f(9) SeokHoYoon等[9的实验数据与关联式计算值 比较的平均偏差为4.9%. 4设计程序 设计程序在管内换热部分分别使用s.S.Pitla 关联式和SeokHoYoon工程设计关联式进行了设计 计算.假定气体冷却器cO2侧来回总共折3个流 程,每个流程共有n1,n2,n3根换热扁管,共有4个 节点,如图2所示,空气垂直吹过气体冷却器迎风 面. )? 节点'流程1节点2 图2气体冷却器结构示意简图 使用REFPROP7.0(ReferenceFluidThermody— namicandTransportProperties)计算超临界c02物性 参数,该软件由NIST(NationalInstituteofStandards andTechnology,U.S.DepartmentofCommerce)提供. 已知条件为空气侧和超临界c02侧进出口温 度,流量,气体冷却器总体结构(如图2结构,也可增 加流程数,扁管数,方法类似),目标换热量等.需要 计算总传热系数,气体冷却器尺寸(即确定换热扁管 长度). 程序框图如图3所示.气体冷却器各流程都可 看作为一次交叉流,两种流体各自都不混合,其温差 修正系数分别为0.9,0.87,0.85.因迭代时换热 扁管长度非连续性增加和人为控制收敛精度,导致 累积后节点4温度与设计参数有偏差. 图3设计计算程序简化框图 5算例和计算结果 对轻型客车空调用气体冷却器进行了设计,设 一 53— 第26卷第4期 2005年12月 制冷 JournalofRefrigel Vo1.26,No.4 Dec.2005 计参数见表2,计算结果见表3.为了减少样机试验 的冷媒泄漏机率,需尽量减少焊缝数,选取三个流程 换热扁管数分别为13,11,1O.根据系统的热力学优 化研究,设定co2进口压力为10MPa. 表2气体冷却器设计参数 设计换热量(kW)l1.5 换热扁管数34(13,11,10) cI)2进121压力(MPa)10 C02进口温度(oC)106 C()2出121温度(oC)39 空气进121温度(oC)35 空气迎面风速(m/s)4.5 肋片高度(mm)8 单根换热扁管带肋总外表面积0 . 22(rn2/ m) 表3气体冷却器设计计算结果 项目Pi?a关联式Yoon关联式 换热扁管长度(m)0.9250.847 气冷器宽度(m)0.3360.336 迎风面积(rn2)0.3l10.285 空气侧表面积()6.926.34 总平均传热系数(w/(m2K))150.63162.34 总压降(kPa)85.9878.32 第一流程传热系数(W/(m2K))137.71156.45 第二流程传热系数(w/(K))160.15167.90 第三流程传热系数(W/(rn2K))156.93163.89 节点2温度(oC)45.3544.94 节点3温度(oC)40.6740.46 节点4温度(出口)(oC)37.7137.67 比较对应两个关联式的计算结果,可以发现换 热扁管长度的计算结果(对应传热面积)偏离二者的 平均值约4.4%.由于两个关联式计算结果本身有 另外Pitla关联式处理数据过程中,计算出的 偏差, 壁面温度与原文实测壁温方法结果也有差距,因此, 二者之间的偏差是可以接受的. 6试制情况 气体冷却器试制用的双筒集流管和换热扁管分 别见图4与图5,双筒集流管等采用挤压成型.双 筒集流管和换热扁管为牌号3A21铝锰合金材料,在 所有铝合金材料中,3A21铝锰合金在空气,酸与自 来水中的抗腐蚀能力最好.焊缝的抗蚀性与基体金 属相同,在冷,热状态下合金的变形性能好,材料力 学性能见表4.表4中还对比了制造R134a冷凝 器换热扁管用铝材1050在常温下的力学性能.总 一 54一 装试制使用的加工手段见表5. 加工难点主要存在于两个方面,其一是集流管 扁管槽的加工.因为超临界c02用的扁管厚度很 小,只有1.65mm,槽孔侧面两边各留0.2mm钎料空 间,采用数控铣床,立铣出2.2mm的扁管槽孔.此 外,扁管槽孔内还要铣出宽1.0mm,深2mm的底槽, 这样可以给扁管中间的微通道孔供液,这道工序用 小的锯片铣完成. 第二个难点是扁管与集流管的焊接.如果采用 用于R134a空调系统平行流冷凝器的气体保护焊接 方式,会有助焊剂堵塞微通道孑L的担心,而采用真空 钎焊就不会发生这种现象.故试制过程采用真空钎 焊的方式,使用4004钎料. 图4双筒集流管 图5微通道换热扁管 表4铝合金3A21在不同温度力学性能 3A211O50参数 25?150oC常温 抗拉强度ob/MPal158076 屈服强度嘞:/MPa403528 伸长率6/%40.4739 注:处于退火状态的参数 第期跨临界co汽车空调微通道气体冷却器的设计开发Vo1.25,No.4 Dec.2005 表5零件加工与焊接 加工内容加工方式 集流管槽孔铣等机加工 集流管与扁管间真空钎焊 集流管与进,出口管间氩弧焊 集流管两端堵头氩弧焊 集流管内折流板真空钎焊 进出口管铜铝接头过渡,外端焊钢管 7结论 (1)设计加工了微通道气体冷却器.编制了设 计程序,考虑了关联式的换热系数与壁温耦合关系, 并直接调用REFPROP7.0程序.能便捷的修改参 数,为设计提供便利. (2)推荐选用近期发表的两种超临界cO2管内 换热系数进行设计计算.从计算结果 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,选用超 临界cO2冷却状态下的不同换热关联式对换热器 结构设计影响不明显. (3)由于超临界cO2粘度小,尽管微通道内径很 小,但其沿程流动阻力不大,尽管设计的气体冷却器 而整个换热器的压降仍仅约在lbar左右. 形状狭长, 参考文献 1Man—HoeKim,JesteinPettersen.ClarkWBullard.Funda- mentalprocessandsystemdesignissuesinC02vaporcompres- sionsystems.ProgressinEnergyandCombustionScience, 2004,30:119,174 2陈江平,穆景平,刘军朴等.二氧化碳跨临界汽车空调系 统开发.制冷,20o2(3):14—17 3管海清,马一太,杨俊兰等.集成管箱型管壳式换热器的 设计分析.压力容器,2003,20(9):17,21 4黎立新,季建刚,乐维健等.环保型c02跨临界制冷系 统.东南大学(自然科学版),2001,31(4):101,105 5JPettersen,AHafner,GSkaugeneta1.Developmentofeom- pactheatexchangersforCO:air—conditioningsystems.Inter- nationalJournalofRefrigeration,1998,21(3):180,193 6JianMinYin,ClarkWBullard,PredragSnmjak.R一744gas coolermodeldevelopmentandvalidation.InternationalJournal ofRefrigeration,2001,24:692,701 7YZhao,MMOhadi,RRadermacher.MierochannelHeatEx- changerswithCarbonDioxide(FinalReport).ARTI一21CR/ 10020一O1,UniversityofMaryland,CollegePark,2001 8SrinivasSPifla,EckhardAGroll,SatishRamadhyani.New correlationtopredicttheheattransfercoefficientduringin— tubecoolingofturbulentsupercritiealCO:.InternationalJournal ofRefrigeration,2002,25:887,895 9ScokHoYoon,JuHyokKim,YunWookHwangeta1.Heat transferandpressuredropcharacteristicsduringthein—tube processofcarbondioxideinthesupercrifiealre0n.Intema- tionalJournalofRefrigeration,2003.26:857,864 10BaskovVL,KuraevaIV,ProtopopovVS.Heattl'an~erwith theturbulentflowofaliquidatsupercrificalpressureintubes undercoolingconditions.HighTemperature(Englishtranslated fromTeplofmkaVysokikhTempemtur)1977,15(1):81,86 11石润富,姜培学,徐轶君.跨临界二氧化碳汽车空调系 统的有效能分析.第六届全国低温与制冷工程大会会 议 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 集,西安:西安交通大学出版社,2003,183,187 12王祝堂,田荣璋.铝合金及其加工手册.第2版.长沙: 中南大学出版社,20OO 中国制冷学会2005年制冷空调学术年会 暨第18次团体会员大会在昆明召开 中国制冷学会于2o05年11月28日至3O日在昆明召开了2o05年制冷空调学术 年会暨第 18次团体会员大会.大会就学会的改革及发展:低温工程,空调热泵,冷冻冷藏,制冷 设备等 领域的新产品,新技术及应用分专题进行了研讨,与会者达370余人,会议出版了论文集,共收 录论文165篇.会议期间.举行了首届中国制冷学会科学技术奖,首届中国制冷学会优秀论文 奖的颁奖仪式.为荣获2004年度中国制冷学会科学技术奖和2005年度中国制冷学会优秀论 文奖的获奖者颁发了奖励证书和奖金.