二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点分布

二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点分布 二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点 分布 第45卷第9期 2009年9月 机械工程 JOU『RNALOFMECHANICALENGINEERING vo1.45NO.9 Sep.2009 DoI:10.3901,JME.2009.09.307 二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点分布木 涂岱兴赵力2王建立2王晓东2 (1.天津大学环境科学与工程学院天津300072: 2.天津大学机械工程学院天津300072) 摘要:为了揭示二氧化碳逆循环气体冷却器中的传热窄点分布特征,探明二氧化碳和换热流体间温差的沿程变化规律,以及 如何防止传热窄点的产生进行相应的理论 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 .建立二氧化碳的冷却换热模型,明确冷却过程中传热窄点产生的条件,并利 用状态方程得到不同压力下二氧化碳温度与焓值的对应关系,分段计算焓随温度的变化率进而得到多种压力下发生传热窄点 现象的机率.根据换热器的最小传热温差,确定不同压力下进出气体冷却器的换热流体的物性参数和窄点分布规律.在气体 冷却过程中,传热窄点的位置随压力的增加而逐步向换热后程移动;换热流体在气体冷却器出口的温度随二氧化碳压力的升 高呈现先降低再升高的趋势.此外,还给出6种压力下避免发生传热窄点现象的换热流体温差控制范围,为合理选择二氧化 碳逆循环工况提供理论依据. 关键词:逆循环二氧化碳气体冷却器传热窄点 中图分类号:TB6 DistributionofHeatTransferPinch PointofGasCoolerinCO2Inverse-cycle TUDaixingZHAOLiWANGJianliWANGXiaodong (1.SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,TianjinUniversity,Tianjin300072; 2.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072) Abstract:InordertorevealdistributioncharactersofheattransferpinchpointofgascoolerinCO2inverse?cycle,andexplorethe changeruleoftemperaturedifferencebetweenCO2andheat-trans~rfluid,andhowtoavoidtheoccurrenceofpinchpointinside heatexchangers,correspondingtheoreticalanalysisarecarriedout.AcoolingmodelofCO2isbuilt,SOtheoccurrenceconditionof pinchpointisobtained,alsothesituationequationofCO2isusedtocomputesomerelationshipbetweentemperatureandenthalpy, gradientof(dH/dt)pandprobabilityofoccurringpinchpointunderdifferentpressures.Accordingtotheminimumtemperature differenceatpinchpointintheCO2gascooler,heat-订 ansfbrfluidparametersatinletandoutletofthecoolerandpositionofpinch pointareobtainedunderdifferentpressures.Duringthegascoolingprocess,thepositionofpinchpointmovesgraduallytobackof thecoolerwithpressureincreasing,atthesametime,temperatureofheattrans~rfluidsatoutletofthegascoolerreducesfirstlyand thenincreases.Increasinglimitoftemperatureheat-transferfluidinthegascoolerispresentedinordertoavoidpinchpointoccurring in6kindsofpressures.ThesemaybehelpfultorationallyselectingCO2inverse-cycleoperationinair-conditionerorheatpump units. Keywords:Inverse-cycleCO2GascoolerHeattrans~rpinchpoint 0前言 为解决制冷工质对于环境的破坏作用,国际上 ?新世纪优秀人才支持 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 资助项目(NCET一07—0609).20081023收到初 稿,20090630收到修改稿 提倡使用自然工质.CO2是一种安全的自然工质, 它的所有特性都为人熟知,目前国内外对跨临界 CO2循环进行了大量的理论和试验研究,逐步将该 工质用于热泵,汽车空调和家用空调中.由于跨临 界循环的放热过程处在超临界区,与传统制冷工质 的亚临界循环冷凝过程有很大差异,所以对CO2在 308机械工程第45卷第9期 这一过程的流动换热进行研究是CO2换热设备传热 研究的一个重要方向.有学者对超临界CO2在冷却 条件下的换热情况进行了研究,如PETTERSEN 等llJ研究了超临界CO2在微通道管(内径为0.79mm) 中被冷却时的换热和压降情况;DANG等[2]将数值 计算和试验结果进行了比较,并拟合出一个新的关 联式;LIAO等研究了CO2夹带少量润滑油(2%和 5%)对换热系数和压降的影响,结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明夹带油后 对换热系数的影响很大.此外,文献[1,3—4】也分别 从试验研究,数值计算等不同方面对超临界C02被 冷却时的换热特点及换热关联式进行了研究.文献 【5—6]表明,气体冷却器对于提高CO2跨临界循环系 统的性能起着很重要的作用.文献[7]从二氧化碳膨 胀机的角度提高循环效率. CO2的逆循环冷却过程是一个变温过程,有可 能利用这一特点逼近Lorenz循环,提高空调,热泵 系统的运行效率J.然而,要做到这一点必须实现 工质和换热流体的换热温差在换热器中的任意位置 保持相].一般情况下,换热流体为水或空气, 由于温度变化有限,可以忽略比热的变化,认为它 是常量,则温度变化量和焓变成线性关系.而CO2 逆循环冷却过程的温度变化却和焓差成非线性关 系.当水或空气在换热器中和工质进行换热时,忽 略换热器的漏热,认为任意微元段内两种流体的焓 变相等,从而推理得出两流体的换热温差不可能处 处相等,换热温差存在极值点,温差的变化也会造 成一定程度的可用能损失I?J. 通过建立简单的逆流换热模型,明确冷却过程 中传热窄点产生的条件,并利用状态方程得到不同 压力下二氧化碳温度与焓值的对应关系,再分段计 算焓随温度的变化率进而可以得到多种压力下发生 传热窄点现象的机率,为合理选择二氧化碳逆循环 工况提供理论依据. 1传热窄点发生的条件 以CO2的逆循环冷却过程为基础, 冷却过程中传热窄点出现的条件. 首先做出以下几点假设. 考察CO2 (1)假设C02和换热流体进行逆流换热, 于稳态传热过程. 元段内CO2释放的热量等于换热流体吸收的热量. CO2的冷却过程如图1所示,考虑任意微元段 1.2,根据能量平衡方程有 qm,r(d~/dx)=gm,fc口(df/)f(1) 式中‰——质量流量 —— 焓值 cD——换热流体的比定压热容 t——温度 —— 到换热器进口的距离 r——下标,CO2 f——下标,换热流体 qm,f(出/)f:qm(dH/dt)"(dt/dx)(2) 式中下标P表示定压过程 _— 《墨田 12 ? 《 lZ 图1co2的冷却过程 对于一个完美的蒸发换热温度匹配过程,工质 和换热流体间的传热温差应该处处相等,有 (dt/dx)f=(dt/dx) 代入式(2),可得 (dH/dt)p,…qr~fCpConstaIlt(3) qm, 由式(3)可知,要实现完美的温度匹配,工质的 焓值应随温度呈现线性变化,但CO2冷却过程不一 定能满足此条件,从而导致冷却过程中换热温差的 变化,并有可能形成传热窄点使得单位面积的换热 量降低. 下面分析产生传热窄点的条件. CO2逆循环冷却过程可出现图2所示的温度匹 配情况,图2所示即为出现传热窄点的情况.由经 典传热窄点理论可知窄点出现的条件为【6】 (dH/dt)p,r,in<<(ddp,L叫(4) 式中,下标in表示换热器进口,out表示换热器 出口. 且处又有 (At-/)=(gCpAt)f(5) 抽谛 考虑盼温度范围内略换所 4)化为热流体的物性参数变化 . ? 世 略气体冷却器内部的阻力,co2的压力(dH/d咖<AHr一 (dH/d.t(6) f维持不变. (4)忽略气体冷却器的漏热损失,认为任意微或 2009年9月涂岱兴等:二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点分布309 (dH/d抽<『,垒A 生 t, ] ) f,t . 丝 Atf) 1<(d‰t(7) 赠 图2换热器进程中的温度窄点 窄点的出现可使传热过程恶化,实际中更加关 心的是如何防止窄点的出现,由式(6)可知防止窄点 出现的条件为 等<(dH/dt)p:,in或(dH/d0p,(8) 式(8)也可表示为 ?>?'/(at-:/d0p,in或Atf<?rf/(dmat)p,r,out (9) 由式(9)可知,可通过调整换热流体在气体冷却 器中的进出口温差来防止传热窄点的出现.下面将 利用上述 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 ,对不同压力下的CO2跨临界冷却过 程进行理论分析,得到对应工况下传热窄点的位置 和换热流体的温度变化情况,以及避免出现传热窄 点的建议. 2多种压力下CO2冷却过程计算 应用REFPROP6.01对不同压力下的CO2逆循 环冷却过程的各种参数进行计算.首先设定CO2的 压力为5,6,7,8,9和10MPa,计算一10~90? 的范围内的各种物性参数;考虑换热流体的温度通 常在20?以下,所以选定气体冷却器的进口温度为 90?,出口温度为25.9?,再将冷却过程分为若干 微元段,分别计算每段内的(M4/At)p用以近似表示 当前微元内的(dHldt).,将冷却过程开始的第一微元 段内焓差随温度的变化量记作(dd江,冷却过程 结束的最后一微元段内的焓差随温度的变化量记作 (dHIdt)v舢,并将全部的蒸发过程焓差与滑移温度的 比值记作(An/At).根据式(7),若令At,=Atf,若 (dH/dt)p.in<(AH/At)<(dH/dt)p,out成立,则传热窄点 将发生.实际计算过程中,由于计算温度范围较宽, 低压时的状态未高于临界点,导致温焓对应关系出 现了高阶 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 (大于二阶),并存在一定程度的阶跃, 从而使得某些压力下式(7)不成立,但传热窄点仍发 生,计算结果见表1. 表16种压力下CO2的计算结果 图3给出了6种压力下的温焓对应关系,可以 清晰地发现该关系的非线性特征.图4是在图3基 础上给出了局部焓值变化率随温度的变化关系,很 明显在高于25.9?的范围内,压力为5,6MPa时 的温焓关系更接近线性,当压力高于6MPa后,温 焓的非线性特征随压力的增加而弱化. 1 童 缨 温度t/~C 图3不同冷却压力下的温焓对应曲线 图4不同压力下局部焓温变化率随温度的变化 3多种压力下CO2冷却过程分析 严格意义上,第2节计算的6种压力下CO2冷 却过程都满足传热窄点出现的条件,所以它们在冷 31O机械工程第45卷第9期 却器中和换热流体进行换热时,两流体间的温差将 随着换热进程的持续有所变化,而传热窄点应该出 现在换热进程中.根据常规换热器的传热窄点温差 为5?,可较方便地确定不同CO2压力下进出气体 冷却器的换热流体的温度,结果见表1. 以8MPa下CO2的冷却过程为例计算工质和水 温的变化情况,仍令Atr=Atf,并取工质和水的传 热窄点温差为5?.采用试算法给定换热流体在冷 却器一端的温度,并根据第4点假设进行分段计算, 直到CO2和换热流体问的最小温差恰好等于5?为 止,从而确定了换热流体进出冷却器的温度为 一 1.8?和62.3?,传热窄点出现在换热进程完成了 63%的位置,结果如图5d所示,很明显传热窄点现 赡 p' 赠 换热进程 (a) 换热进程 (d) O ' 魁 赠 p 赠 oo 90 80 7o 6O 50 40 3O 20 lO 象的确发生了.应用相同的计算方法,计算其他压 力下CO2和水温的变化情况,如图5所示均出现了 传热窄点.但由于压力不同,使得传热窄点出现的 位置有所变化,如图6所示,传热窄点的位置随压 力的增加而逐步向换热后程移动.根据这一规律, 可在气体冷却器相应的位置设置强化换热装置,提 高局部换热效率.此外,由于传热窄点的影响,使 得换热流体在气体冷却器出口的温度和CO2的压力 有紧密关联.换热流体的温度随压力的升高,呈现 先降低再升高的趋势,在7MPa附近出现一个极小 值,所以借助CO2逆循环供热的系统应尽量避开此 运行压力. 换热进程 (b) O 赠 p 赠 换熟进程 (c) 图56种冷却压力下CO2和换热流体的温度分布 压力p/MPa 图6传热窄点随冷却压力的变化 虽然图5中所示的6种工况有可能发生传热窄 点现象,而影响单位面积的换热效率,但仍然不能 避免有多种原因使实际的空调热泵系统中采用这些 换热进程 (c) 换热进程 (f) 工况.要避免在这些系统中出现传热窄点现象,由 第1节内容可知,只要调整?使其满足式(9)即可. 令 IAH,/(dH/dt)曲=Atlin~I {(10) I/(dH/dt)p'0ul:Atl~,? 则避免6种工况冷却时出现传热窄点现象的条件可 根据式(1O)计算,结果见表2. 对于采用COz逆循环的系统,要避免在当气体 冷却器中CO2压力为5MPa时出现传热窄点,只需使气体冷却器中换热流体的进出口温差大于 73.6?或小于47.0?即可. ?????柏加mO柏 ?鲫?如?如加m ?跚?如加如加m0 一 体一/LI=换{l/_1 一 —.....—......—.....L—.....——.....——....—......—.,...—.....—.一u??舳?鲫?如加 m0 ??踮???如如m0m 2009年9月涂岱兴等:二氧化碳逆循环中气体冷却器的传热窄点分布3l1 表26种压力下CO2逆循环避免传热窄点的计算结果 4结论 (1)CO2逆循环气体冷却过程由于焓值随温度 的非线性变化,可以导致气体冷却过程中工质和换 热流体之伺温差的非线性变化. (2)在CO2逆循环气体冷却过程中,传热窄点 的位置随压力的增加而逐步向换热后程移动;换热 流体在气体冷却器出口的温度随CO2压力的升高呈 现先降低再升高的趋势,极小值出现在7MPa左右. (3)通过控制气体冷却器中换热流体的进出口 温差可以减小上述6种工况的传热窄点现象发生的 机率. 上述研究方法和结论为研究不同压力下CO2逆 循环气体冷却时的传热窄点现象提供了参考,这些 还须通过试验研究加以验证. 参考文献 PETTERSENJ,RIEBERERR,LEISTERA.Heat [1】 transferandpressuredropcharacteristicsofsupereritical carbondioxideinmicro-channeltubesundercooling[C]~ PreliminaryProceedingsofthe4thIIR-GustavLorentzen ConferenceonNaturalWorkingFluids.June6-8,2000, Purdue.PurdueUniversity:WestLafayette,Ind.,2000: 99.106. [2】DANGChaobin,HIHARAEiji.Heattransfercoefficient ofsupereriticalcarbondioxide[C]//Preliminary Proceedingofthe5thIIR-GustavLorentzenConference onNaturalWorkingFluids.September11-13,2002, Guangzhou.SouthChinaUniversityofTechnology: Guangzhou,2002:100-107. [3】LIAOSM,ZHAOTS.Measurementsofheattransfer coefficientsfromsupereriticalcarbondioxideflowingin horizontMmini/microchannels[J].Transactionofthe ASMEJournalofHeatTransfer,2002,124(3):413-420. [4】PITLAS,GROLLA,RAMADHHYANIS.New correlationtopredicttheheattransfercoefficientduring in.tubecoolingofturbulentsupercriticalCO2[J]. InternationalJournalofRefrigeration,2002,25:887-895. [5】YINJianmin,BULLARDCW,HMJAKPS.R?744gas coolerdevelopmentandvalidation[J].International JournalofRefrigeration,2001,24:692?701. 【6】LIAOSM,ZHAOTS,JAKOBSENA.Acorrel~ion ofoptimalrejectionpressureintranseriticalcairndioxide cycles[J].AppliedThermalEngineering,2000,20: 831-834. [7】李敏霞,马一太,苏维诚,等.跨临界二氧化碳压缩膨 胀机的研究[J].机械工程,2005,41(10):153-158. LIMinxia,MAYitai,SUWeicheng,eta1.Studyon transcriticalcarbondioxideexperssor[J].ChineseJournal ofMechanicalEngineering,2005,41(10):153-158. 【8】赵力.一种非共沸循环工质与R22的性能对比实验[J]. 化工,2004,55(8):1237-1242. ZHAOLi.Comparisonofperformancebetween non—azeotropicmixtureworkingfluidsandR22[J]. JournalofChemicalIndustryandEngineering(China), 2004,55(8):1237-1242. 【9】赵力,张启,涂光各.一种新型制冷剂的热力学循环 特性分析[J].化工,2002,53(9):984-988. ZHAOLi,ZHANGQi,TUGuangbei.Experimental evaluationofnewfluidtobeusedinheatpumpandair conditioningsystem[J].JournalofChemicalIndustryand Engineering(China),2002,53(9):984-988. [10】ZHAOPC,ZHAOL,DINGGL,eta1.Temperature matchingmethodofselectingworkingfluidsfor geothermalheatpumps[J].AppliedThermalEngineering, 2003,23(2):179-195. VENKATARATHNAMG,MOKASHIG,MURTHYSS. Occurrenceofpinchpointsincondensersand evaporatorsforzeotropicrefrigerantmixtures[J]. InternationalJournalofRefrigeration,1996,19:361-368. 作者简介:涂岱兴,男,1975年出生,博士研究生.主要研究方向为高 温定向强热辐射环境下人体生理表现参数的试验与评价 E-mail:tudaixing@126.corn 赵力(通信作者),男,1972年出生,博士,教授,博士研究生导师.主 要研究方向为高温热泵系统性能. E—mail:jons@tju.cdu.cn