跨臨界CO2熱泵中蒸發器的數值模擬

豆君君 呂 靜 何哲彬 任瑩瑩 徐 峰

上海理工大學環境與建筑學院

跨臨界CO2熱泵中蒸發器的數值模擬

豆君君 呂 靜 何哲彬 任瑩瑩 徐 峰

上海理工大學環境與建筑學院

運用CFD數值模擬的方法，通過編寫自定義函數來設置氣液質量轉移源項、能量源項和管外壁溫度邊界條件，對簡化后的跨臨界CO2熱泵熱水器中蒸發器進行了數值模擬，得到了管內二氧化碳的溫度場、壓力場和氣液相分布。模擬結果表明：CO2流體在進入彎管前已出現干涸現象，但進入彎管后干涸現象消失，液相氣化速度變緩，出彎后重新恢復正常氣化過程；CO2在管上部的氣化速度要大于管下部，同時由于管壁換熱作用，管四周的氣化速度要大于管中心位置。

CO2跨臨界蒸發器數值模擬

0 引言

在節能減排和環保的大背景下，跨臨界CO2系統正受到越來越多研究者的重視。跨臨界CO2熱泵熱水器作為跨臨界CO2系統的一種應用，在一些國家已經開始商業化，但由于技術尚未成熟且投資較高，系統還未全面推廣[1]。蒸發器作為跨臨界CO2熱泵熱水器的重要部件，其內部包含湍流、沸騰換熱等復雜的流動與換熱過程。由于實驗設備和實驗條件的限制，很難通過實驗得出CO2蒸發器內的壓力、速度、溫度和氣液相等參數分布。

由于數值模擬能較準確地模擬出CO2蒸發器內的流動和換熱的細節，故對揭示CO2蒸發器內流動和換熱的規律具有實用價值。國內外學者對超臨界CO2換熱特性[2～4]和亞臨界CO2兩相沸騰換熱[5～7]做了數值模擬方面的研究也越來越多。為了能夠設計出高效的CO2蒸發器，有必要對CO2兩相流動和沸騰傳熱特點進行研究。用自定義函數對流動控制方程中氣液兩相的質量轉移和能量轉移源項進行了編程，通過對蒸發器模型的簡化和對邊界條件的合理設定，數值模擬了跨臨界CO2熱泵熱水器中蒸發器內CO2流動與兩相沸騰換熱的過程。

1 物理模型

1.1 模型的簡化

實驗研究的CO2蒸發器采用的是不銹鋼殼管式蒸發器，如圖1所示，CO2制冷劑在管內流動，為雙流程；冷凍水在管外流動，為單流程。蒸發器內的換熱管共有37根，累計全長為1.7m換熱管內徑為6mm，管壁厚為2mm。殼體內換熱管按正三角形排列，管間距為20mm，殼體上部的管數為22根，下部的管數為15根。換熱器殼體內徑為147mm，壁厚6mm，殼體內的管板厚30mm。蒸發器內折流板共設有19塊，每塊折流板厚5mm，折流板上、下缺口高度為30mm，缺口內管子數為4根。此結構的CO2蒸發器網格劃分很繁瑣，劃分出的網格過于龐大，故對其進行適當簡化，以便于數值模擬。

圖1 CO2蒸發器

簡化后的模型用來模擬CO2在原蒸發器單管中的流動沸騰換熱，模型如圖2所示。為了盡量與原CO2蒸發器單管內的CO2流動換熱相吻合，此模型的2根換熱管用圓弧的方式相連接來達到模擬CO2雙流程的流動方式，管內外直徑分別為6mm和10mm，直線段管長1.645m，尺寸與原蒸發器內單管的管徑與管長保持一致。由于模擬的重點為管內的CO2側，故忽略水測的流動和換熱，并假設外壁溫度沿管長為線性變化。

圖2 簡化后的CO2蒸發器單管模型

1.2 邊界條件的設置

在數值模擬的邊界條件方面，由于CO2蒸發器中CO2入口有15根換熱管，通過對蒸發器結構的優化，只對一根換熱管進行模擬，故模擬時CO2流量取實驗流量的1/15進行計算。以某一實驗工況為例，數值模擬的邊界條件設置如下：

1）CO2入口：采用速度入口邊界條件。入口速度v=0.2m/s；入口溫度Ti=276.42K；氣相體積分數α= 0.796，湍流強度I=0.06；水力直徑DH=0.003m。

2）CO2出口：采用壓力出口邊界條件。其中出口壓力Po=3797000Pa；氣相體積分數α=1。

3）換熱管外壁：采用壁面邊界條件。用用戶自定義函數設定壁面溫度從282.66K線性變化到285.65K。

2 模擬結果分析

2.1 氣液相分布模擬結果

圖3（a）和（b）為CO2蒸發器中一根單管沿管長CO2氣液相分布圖，圖中的不同顏色表示CO2流體中氣液相占混合物的體積分數。在圖3（a）和（b）中，兩相CO2流體從右下方流入，從右上方流出，藍色液相的比重逐漸減小，紅色氣相比重逐漸增多。模擬結果顯示入口的CO2氣相體積分數為0.796，出口為1，符合模擬前邊界條件的設置。從圖3（b）中還可以發現，在CO2流體進入彎管前，管的頂部的氣相體積分數已達到1，說明已經出現干涸現象，但CO2流體進入彎管段后，干涸區逐漸消失。這是由于原處于管中下部的液相，在離心力作用下，被甩到上部，與管上部的氣相混合。此外，彎管的外管壁并沒有設定溫度邊界，默認與外界絕熱，彎管中的液相并沒有大量吸收管壁的熱量，氣液轉換速度變緩。

圖3氣液相分布左、右視圖

圖4 （a）～（h）為入口處、離入口0.045m、0.845m、1.645m、離出口1.645m、0.845m、0.045m及出口處管內截面上的氣液分布圖。在圖4（a）中，入口截面的氣相體積分數為0.796；圖4（b）為0.045m截面處的氣液分布，管壁四周的液相經過沸騰換熱已開始轉變為氣相，管截面上部最高處的氣相體積分數為0.82；在CO2流體流過0.845m后，如圖4（c）所示管截面中心處的液相已發生氣化，管截面上部最高的氣相體積分數為0.97；在1.645m截面處，如圖4（d）所示管截面上部的氣相體積分數為1，已出現干涸；圖4（e）為CO2流體離出口1.645m處的截面，即流出彎管段的截面，由于在彎管段氣液轉換速度變緩以及離心力的作用，與圖4（d）相比彎管出口截面上氣相體積分數的變化梯度明顯變小；在離出口0.845m處，如圖4（f）所示管截面上部干涸區域擴大，管中心處的氣相體積分數也已達到0.98；在離出口0.045m處，如圖4（g）所示管內大部分區域已干涸；到了出口狀態，如圖4（h）所示管內CO2流體已全部氣化。從入口到出口這8張截面圖可以發現CO2流體在管內沸騰換熱過程中，由于重力作用，管上部的氣化速度要大于管下部；同時由于管壁換熱作用，管四周的氣化速度要大于管中心位置。

圖4 不同位置截面處氣液相分布圖

2.2 溫度場模擬結果

圖5為CO2蒸發器單管直管段外壁的溫度分布，從圖中可以看到，溫度的分布符合外壁溫度線性變化的邊界條件設置。圖6為在CO2蒸發器單管中間處截面的CO2溫度分布圖。從圖中可以看到，由于在沸騰換熱過程中熱量主要是以潛熱的形式表現出來，所以在汽液轉換過程中CO2流體的溫度沒有發生變化，但在接近出口處的管上部，由于CO2流體已完全氣化，氣態CO2繼續吸收管壁熱量，使得溫度有所上升。模擬結果顯示，CO2流體的入口溫度為276.4K，出口溫度為279.7K。

圖5 管外壁溫度分布圖

圖6 CO2溫度分布圖

3 結論

對簡化后的跨臨界CO2熱泵熱水器中的蒸發器模型，運用CFD進行了數值模擬，從模擬出的溫度和氣液分布中可得到以下結論：

1）CO2流體在進入彎管前在管上部已經出現干涸現象，但進入彎管后干涸現象消失。彎管的外管壁默認與外界絕熱，彎管中的液相并沒有大量吸收管壁的熱量，液相氣化速度變緩，出彎后重新恢復正常氣化過程。

2）CO2流體在管內沸騰換熱過程中，由于重力作用，管上部的氣化速度要大于管下部；同時由于管壁換熱作用，管四周的氣化速度要大于管中心位置。

3）CO2在管內沸騰換熱過程中溫度不變，在換熱管出口的前一小段CO2流體已全部氣化，隨后氣態CO2繼續吸收管壁熱量，使得溫度有所上升。

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Num e ric a l Sim u la tion o f the Evapo ra to r in Trans-c ritic a l CO2Hea t Pum p

DOU Jun-jun,LV Jing,HEZhe-bin,REN Ying-ying,XU Feng
Collegeof Environmentand Architecture Engineering,University of Shanghai forScienceand Technology

The simplified CO2evaporatorwas simulated through compiling UDF（User-Defined Function）to setmass transfer source team,energy source term and temperature boundary condition on outside wall of tube,by using the method of CFD.Temperature field,pressure field and phase distribution in CO2evaporatorwas revealed.The results of simulation showed that the dry-up phenomena appearsbefore CO2entering the curved partof the pipe and disappears in the curved part of the pipe.Furthermore,the speed of CO2gasification in the top of the pipe is faster than that in the bottom of the pipe.As the role of heat transfer in thewall of the pipe,the speed of CO2gasification around the pipe is also faster than thatin the centerof the pipe.

CO2,trans-critical,evaporator,simulation

1003-0344（2014）02-034-4

2013-4-15

豆君君（1987～），女，碩士研究生；上海市楊浦區軍工路516號上海理工大學城建樓407室（200093）；E-mail:suri_dou@163.com