| 随着环境保护意识的不断加强，制冷剂的替代问题越来越受到关注，自然工质制冷剂引起了研究者的重视。CO2以其ODP为0，GWP值为1的独特优点成为目研究和利用多的自然工质，跨临界热泵系统是其重要的应用。CO2热泵系统气体冷却器（以下简称“气冷器”）包括套管式气冷器、管壳式气冷器、微通道气冷器等多种形式。 由于套管式气冷器加工方便、成本较低，很多研究者在研究系统性能时多采用套管式气冷器。目套管式气冷器有很多种型式：常规的套管、大管内套多根小管、一体式套管等。研究方向主要集中在如何提高换热性能进而提高系统性能上，包括管内径和外径、不同盘旋方式等。P. Neks等和C. Baek等均研究了采用常规同轴套管式气冷器的CO2热泵热水器，主要研究了气冷器的运行参数对系统性能的影响。J. Sarkar等利用模拟的方法研究了同轴套管式气冷器，结果表明，在排气压力下，气冷器与蒸发器的面积比在1.6~1.9时系统COP。挪威SINTEF能源研究部设计了一种三段逆流气冷器，结构如图7所示，能够更好地与跨临界CO2流体冷却过程的温度滑移相匹配，机组获得较高的COP。吕静等利用Fluent软件对直管、矩形螺旋和圆形螺旋3种套管式气冷器进行了对比研究，结果表明，矩形螺旋管内的单位压降换热量，综合性能。上海理工大学利用模拟和试验研究了CO2热泵热水器用套管式气冷器的设计参数对系统性能的影响。 
管壳式气冷器在CO2制冷系统中的应用较多，但是由于其体积较大，偏离家用热泵热水器的紧凑型要求。因此，在热泵热水器的应用上存在一些困难，目对其研究较少。G. R. Zakeri等制造了示范性工业用CO2热泵热水器，将管壳式换热器用于蒸发器。C. Zilio等设计了4种管型的管壳式气冷器（光滑管、内部开槽管、波纹管、内部开槽的波纹管，如图8所示），并进行了试验和模拟分析，结果表明，在10 MPa压力下，进水流量对换热量的影响程度降低，其中光滑管和内部开槽的波纹管的换热量相对较高，且差别不大；在接近临界压力范围内，外波纹管能够改善换热性能。谌盈盈等设计了一种全逆流管壳式气冷器（如图9所示，每个壳中有4根管，制冷剂沿管程流动，水沿壳程流动），并利用分段模拟法进行了仿真分析。 B. M. Fronk等设计研究了一种交叉流板式微通道气冷器，用试验方法研究了5个水流通道和7个水流通道的换热器在不同进水流量和进水温度下的换热及压降特性，研究表明，微通道气冷器要优于套管式气冷器。C. Goodman等在Brian试验系统的基础上增加了微通道回热器，并对系统性能进行了模拟和试验分析。李蒙等对CO2热泵热水器的微通道气冷器（基于扁管而设计，扁管内开有11个直径为0.79 mm的微孔）进行模拟研究，分析了微通道内CO2和水侧的流动和换热性能。 2.5 管壳式蒸发器 管壳式蒸发器分为干式蒸发器和满液式蒸发器。干式蒸发器的理论研究和技术较成熟，其结构如图10所示，两相制冷剂在换热管内保持流动并不断汽化吸热，载冷剂走壳程经过放热过程实现冷却。干式蒸发器的主要优势在于：①制冷剂利用率较高，所需制冷剂充注量相比满液式蒸发器可降低2/3；②回油稳定方便，换热管内制冷剂的流速较高，润滑油可随气态制冷剂返回压缩机，基本不需要回油系统；③换热管不易发生冻结，随着大量载冷剂在换热管外流动和冲击，可减少换热管冻结胀裂的情况发生。 满液式蒸发器结构如图11所示，管程为载冷剂、壳程为制冷剂，制冷剂液体从蒸发器壳体下侧流入，经沸腾蒸发后的制冷剂蒸气从壳体上侧排出，通过对流传热吸收载冷剂的热量并降低其温度。蒸发器的底部应设置矩形分液板，以液相制冷剂在壳体内均匀分布和流动；壳程制冷剂沸腾时蒸气会夹带大量液滴，应将气液分离器设于蒸发器上部出口位置，避免压缩机吸气带液的情况发生。满液式蒸发器的特点是蒸发管浸没在制冷剂中，其内外表面均为液体润湿，故对流传热系数较大、传热性能优良，此外还有整体结构简单、体积紧凑、造价低、管程污垢易于清洗等优点。 管壳式换热器是以管束壁面作为传热面的间壁式换热器。由公式Q=kAΔTm可知，可以通过增大传热面积（A）、平均传热温差（ΔTm）和提高传热系数（k）3种途径实现强化换热。在实际应用中，换热器的传热面积与传热温差往往有所制约，提高传热系数k成为强化传热技术研究的重点。管壳式换热器的强化传热方式根据研究对象分为管程强化和壳程强化2个方面。 目管壳式换热器的强化传热技术已较为成熟，主要通过增大传热面积和提高传热系数强化传热。管程强化传热的主要方向是通过调整换热管形状增大传热面积和管内流体湍流强度，典型的有螺旋槽管、螺旋扁管、波纹管、翅片管和管内插物等。 换热器壳程内的管束支撑结构可影响流体的流型和流速，因此壳程强化传热的主要途径是改变壳程支管间的支撑物结构，缩小壳程流体的流动死区，进而充分利用传热面积和提高换热效率。传统的单弓形折流板会在壳体内形成Z字形流道，导致流动和传热死区的产生，具有传热系数低、压降大、抗振能力差等缺点。常用支撑结构有螺旋折流板、双弓形折流板、折流杆和折流片等。为了增强传热效果，通过在壳程安装密封装置改进管壳式换热器，试验结果表明，改进后的换热器壳侧传热系数增大了18.2%~25.5%，传热系数增大了15.6%~19.7%，效率增大了12.9%~14.1%。安装密封器后，压力损失增大了44.6%~48.8%，但与换热量的增幅相比，所需泵功率的增量可以忽略不计。Dong C.等比较了管壳式换热器采用三段式螺旋挡板与传统分段式挡板的差异，结果表明，所提出的三段式螺旋挡板的传热性能和综合性能评价指标优于分段式挡板。 2.6 氨制冷板式换热器 氨作为制冷剂已被使用达100多年，其ODP为零，GWP也为零，标准沸腾温度低，在冷凝器和蒸发器中的压力适中，单位容积制冷量大，并且其热导率大，蒸发潜热也大，节流损失小，能溶解于水，价格低。但是，氨作为制冷剂，其绝热指数较高，具有一定的毒性、可燃性和易爆性，并且对锌、铜、铜合金有腐蚀作用等，这些限制了它的使用。 氨冷凝器和蒸发器都采用钢管、钢片，其体积大、质量大，而且氨的充注量大，在使用中具有一定的危险性。近年来，制冷空调行业为发挥氨的优点和减小其危害性做了大量的研究和开发工作。 氨制冷系统通常采用蛇管式蒸发器、螺旋管式蒸发器、直立管式蒸发器和满液式管壳式蒸发器等。但当系统需要大量的冷水时，采用上述传统的氨蒸发器制取冷水需要占用很大的容器和空间，造成浪费。采用板式换热器可以有效提高换热效率、减少热损失，在相同压力损失情况下，其传热系数比列管式换热器高3~5倍，同时结构紧凑，避免列管腐蚀，且占地面积为列管式换热器的三分。沈异夫介绍了半激光焊式板式换热器的构造和特点，并着重讲述了如何将半激光焊式板式换热器应用于氨制冷系统及应注意的问题：根据冰水的成分选用不同的板材，设计管道时要考虑流体对管道的冲击，要设置低位排污处，要考虑吹污过程对设备的损伤。Z. Ayub等介绍了各种波纹板换热器在不同饱和度下的二氧化碳冷凝和氨蒸发的研究，并总结了其经验关联式。 原创作者：江苏良一冷却设备有限公司 |
技术支持：阿仪网， 总访问量：608293
