R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 方, 范曉偉, 連之偉, 陳 潔, 付一珂

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

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R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 方, 范曉偉, 連之偉, 陳 潔, 付一珂

(中原工學(xué)院 能源與環(huán)境學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

為提高換熱效率，從傳熱和壓降的耦合角度出發(fā)，針對(duì)R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器建立了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論數(shù)學(xué)模型，分析了管徑、蒸發(fā)溫度對(duì)管長(zhǎng)優(yōu)化結(jié)果的影響，并對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器存在一最優(yōu)管長(zhǎng)，且最優(yōu)長(zhǎng)度隨管徑的增大而增加;隨著蒸發(fā)溫度的增大最優(yōu)管長(zhǎng)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，小管徑的蒸發(fā)器最優(yōu)管長(zhǎng)更短，結(jié)構(gòu)更為緊湊，制造成本更低，而換熱效率更高，同時(shí)制冷劑的流動(dòng)摩擦阻力也會(huì)更小。研究結(jié)果對(duì)空調(diào)、冰箱、熱泵系統(tǒng)的工質(zhì)選用及運(yùn)行工況的選擇具有借鑒作用。

R125/R600a； 蒸發(fā)器； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引 言

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的逐漸重視，制冷劑的研究也受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。20世紀(jì)90年代，HFCs制冷劑取得了良好的發(fā)展，HFCs制冷劑由于具有不可燃性，對(duì)臭氧層破壞系數(shù)為零等特點(diǎn)受到研究人員的青睞[1]。其中Rl34a作為Rl2的替代物已經(jīng)得到廣泛使用[1]，R245ca被認(rèn)為是Rl23和R11最理想的替代物之一[4]。另一方面，一些學(xué)者將目光重新轉(zhuǎn)移到R744、R290、R600、R600a等自然工質(zhì)上，尤其是碳?xì)漕?lèi)工質(zhì)HCs，這類(lèi)工質(zhì)效率高，能與原有系統(tǒng)很好地兼容，但突出缺點(diǎn)是易燃易爆。單一工質(zhì)的性能各有優(yōu)劣，很難滿(mǎn)足環(huán)保、安全、熱力學(xué)性能良好等多方面的要求，如果將不同純工質(zhì)按照不同比例混合，組合成的混合工質(zhì)一般可以克服單一工質(zhì)各自的缺點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。

隨著人們對(duì)提高能源利用效率意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)換熱器尤其是蒸發(fā)器的優(yōu)化也受到了學(xué)者們的重視。Granryd[5]基于熵產(chǎn)最小化確定了R22蒸發(fā)器的最優(yōu)壓降。Cavallini等[6]研究了R22以及其替代制冷劑的流動(dòng)沸騰換熱性能潛力，他們?cè)诜治鲋幸肓恕皯土P因子”概念，“懲罰因子”是一種可以用來(lái)作為替代壓降引起的損的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Cavallini等[7]采用懲罰因子研究了R1234yf等幾種制冷劑的冷凝換熱性能潛力。Ezeora等[8]基于熵產(chǎn)最小化確定了CO2蒸發(fā)器管長(zhǎng)、管徑、管容積的最優(yōu)組合。Singh等[9]采用熵產(chǎn)最小化方法并建立模型來(lái)優(yōu)化R134a空冷翅片管蒸發(fā)器。Domanksi等[10]建立了一個(gè)蒸發(fā)器模型，并采用6種制冷劑分別進(jìn)行計(jì)算，將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化后的蒸發(fā)器被放入一個(gè)完整的蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)仿真模型里，比較不同制冷劑系統(tǒng)的COP。

以往對(duì)于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究中，大多未考慮制冷劑的影響。實(shí)際上，制冷劑通過(guò)其熱力學(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)，也會(huì)影響蒸發(fā)器的傳熱和壓降性能。本文針對(duì)混合工質(zhì)熱泵系統(tǒng)中的套管式蒸發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化研究，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[11]優(yōu)選出的混合工質(zhì)R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器換熱性能的理論分析，嘗試基于傳熱和壓降的耦合作用，建立蒸發(fā)器優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真技術(shù)進(jìn)行模擬來(lái)分析理論數(shù)學(xué)模型可靠性，以期找到一個(gè)全新、簡(jiǎn)單合理的優(yōu)化方法，為企業(yè)彌補(bǔ)混合工質(zhì)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)方面的空缺，同時(shí)降低蒸發(fā)器制造成本，對(duì)蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 蒸發(fā)器模型

類(lèi)似于Cavallini[6]的冷凝器模型，圖1表示一個(gè)簡(jiǎn)單的由制冷劑溫度、冷卻介質(zhì)溫度、管壁溫度曲線構(gòu)成的逆流蒸發(fā)器模型。假設(shè)的傳熱過(guò)程為穩(wěn)態(tài)過(guò)程，制冷劑和冷卻介質(zhì)運(yùn)行工況可用平均屬性來(lái)表示。

圖1 蒸發(fā)器逆流換熱理想化溫度曲線

本文的重點(diǎn)是研究混合工質(zhì)對(duì)蒸發(fā)器傳熱性能的影響，以及基于傳熱和壓降耦合作用的方法在蒸發(fā)器優(yōu)化上的應(yīng)用。此外，本文只考慮光滑管，這種方法可以很輕松擴(kuò)展到強(qiáng)化管上。

2 性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和懲罰因子

類(lèi)似于Cavallini[6]的冷凝流動(dòng)，制冷劑的流動(dòng)沸騰傳熱性能潛力的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 (PEC)有制冷劑的2個(gè)溫差：ΔTsr(制冷劑壓力下降引起的飽和溫度降)和ΔTdr(流動(dòng)溫度差所表示)。

(1)

其中:q是熱流密度;α是制冷劑側(cè)的傳熱系數(shù);G是制冷劑質(zhì)量流量;Δh是傳熱過(guò)程中制冷劑的焓差。ΔTsr是相對(duì)于干度而言的，即

(2)

式中:Ts為蒸發(fā)溫度；x為干度。

此外單獨(dú)考慮這2個(gè)溫差，它們可以結(jié)合在一起，稱(chēng)之為總溫度懲罰因子(Total Temperature Penalization，TTP)[4]，

(3)

其中，1/2表示隨著傳熱驅(qū)動(dòng)勢(shì)，只有約一半制冷劑飽和溫度下降損失。

3 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于一個(gè)整體幾何形狀一定的蒸發(fā)器(如水冷卻式套管蒸發(fā)器)，假如管徑已知，對(duì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化也就轉(zhuǎn)變成對(duì)管長(zhǎng)的優(yōu)化?？梢宰魅缦录俣ǎ孩?蒸發(fā)器的熱負(fù)荷一定；② 冷卻介質(zhì)運(yùn)行狀態(tài)固定(即固定的mcm，冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度Tcmi，冷卻介質(zhì)出口溫度Tcmo)；③ 假定制冷劑通過(guò)的所有的回路都是等長(zhǎng)的；④ 進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑總質(zhì)量流量和總管長(zhǎng)為定值。

根據(jù)這些特定的限制，對(duì)于任何單個(gè)的回路，G正比于單個(gè)回路的L(即它與平行的回路數(shù)量成反比)。單個(gè)的回路越長(zhǎng)(即平行的回路數(shù)量越少)，G和α的平均值越高，因此必要的驅(qū)動(dòng)平均溫差ΔTdr越低。同時(shí)，單個(gè)的回路越長(zhǎng)，摩擦壓降Δpf越高(因?yàn)槁窂胶椭评鋭┝髁慷荚黾恿?，因此ΔTsr將更高。在這些設(shè)計(jì)限制下，必然存在單個(gè)回路的最佳長(zhǎng)度，這會(huì)產(chǎn)生最小的制冷劑入口飽和溫度Tsi(最終，對(duì)應(yīng)于最小的總損失)，這是這個(gè)特定優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)。此外，在設(shè)計(jì)實(shí)際的蒸發(fā)器時(shí)，回路長(zhǎng)度是逐步得到的，因此，最接近Lopt的實(shí)際長(zhǎng)度應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)最佳的換熱器。圖2描述了上述問(wèn)題，可以看出最優(yōu)管長(zhǎng)Lopt的取得與以下條件最為匹配：

(4)

在q=10 kW/m2，蒸發(fā)溫度Ts=5 ℃，蒸發(fā)器內(nèi)管管徑d=8 mm，制冷劑干度x取平均值0.5的工況下，對(duì)R125/R600a(10/90)混合工質(zhì)蒸發(fā)器管長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖3所示。

圖2 TTP與L的關(guān)系

圖3 R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器TTP與L的關(guān)系

對(duì)套管式蒸發(fā)器內(nèi)管內(nèi)徑d，我們按照8、10和12 mm分別進(jìn)行計(jì)算，其他參數(shù)保持不變，初步分析蒸發(fā)器內(nèi)管內(nèi)徑對(duì)其最優(yōu)管長(zhǎng)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器在不同管徑下TTP與L的關(guān)系

結(jié)果顯示，混合工質(zhì)蒸發(fā)器最優(yōu)長(zhǎng)度隨管徑的增大而增加。由此可見(jiàn)，小管徑的蒸發(fā)器最優(yōu)管長(zhǎng)更小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，制造成本更低，而換熱效率更高，制冷劑的流動(dòng)摩擦阻力也會(huì)更小。

根據(jù)《制冷和空調(diào)設(shè)備名義工況一般規(guī)定》[12]，蒸發(fā)溫度分為高溫、中溫、低溫Ⅰ和低溫Ⅱ 4種工況，本文分別考察了4種工況下，混合工質(zhì)蒸發(fā)器TTP與L的關(guān)系，如圖5所示。從圖中可以看出，R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器的最優(yōu)管長(zhǎng)隨著蒸發(fā)溫度的增大而增大。我們知道，R125/R600a是小溫度滑移工質(zhì)，說(shuō)明小溫度滑移工質(zhì)更適合低溫工況，這對(duì)空調(diào)、冰箱、熱泵系統(tǒng)選用工質(zhì)和工況時(shí)具有非常重要的實(shí)際意義。

圖5 蒸發(fā)溫度對(duì)R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器最優(yōu)管長(zhǎng)的影響

4 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)分析

基于Casson[13]模型以及上述建立的微元模型和數(shù)學(xué)模型，利用EES軟件對(duì)混合工質(zhì)蒸發(fā)器管長(zhǎng)優(yōu)化的仿真程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其中工質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)調(diào)用REFPROP9.0得到。仿真模型整體程序算法流程見(jiàn)圖6。圖中:hri為制冷劑進(jìn)口焓,J/g;hr0為制冷劑出口焓,J/g;q為熱流密度;Ler為蒸發(fā)器管長(zhǎng),m;Δpev為蒸發(fā)器壓降，kPa。

圖6 仿真模型程序算法流程圖

R125/R600a(10/90)混合工質(zhì)蒸發(fā)器仿真模擬結(jié)果和理論模型相對(duì)比，見(jiàn)圖7。其中q=10 kW/m2，d=8 mm，Ts=5 ℃。

從圖7可以看出：仿真模型計(jì)算結(jié)果與理論模型結(jié)果變化趨勢(shì)一致，TTP隨著管長(zhǎng)的增大先是減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)最小值后，其值開(kāi)始逐漸增大。最小TTP對(duì)應(yīng)的管長(zhǎng)即為最優(yōu)管長(zhǎng)，理論模型的最優(yōu)管長(zhǎng)，相對(duì)于仿真模型來(lái)說(shuō)，相對(duì)誤差為8.2%，在可允許范圍內(nèi)。另外，在管長(zhǎng)相等時(shí)，仿真模型計(jì)算出TTP的值要更高些。

圖7 蒸發(fā)器管長(zhǎng)優(yōu)化仿真模型和理論模型計(jì)算結(jié)果比較

蒸發(fā)器仿真模型結(jié)果證明，在優(yōu)化管長(zhǎng)方面，理論模型是一種簡(jiǎn)單而完善的準(zhǔn)則，可優(yōu)化混合工質(zhì)套管式蒸發(fā)器的熱性能。

5 結(jié) 論

基于傳熱和壓降的耦合作用,本文建立了混合工質(zhì)蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)混合工質(zhì)R125/R600a蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

(1) 在壓降和傳熱耦合作用下，R125/R600a混合工質(zhì)蒸發(fā)器存在一最優(yōu)管長(zhǎng)，且最優(yōu)長(zhǎng)度隨著管徑的增大而增加，隨著蒸發(fā)溫度的增大，最優(yōu)管長(zhǎng)也呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。研究結(jié)果對(duì)該類(lèi)混合工質(zhì)蒸發(fā)器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

(2) TTP隨著管長(zhǎng)的增大而減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)最小值后，其值開(kāi)始逐漸增大。最小TTP對(duì)應(yīng)的管長(zhǎng)即為最優(yōu)管長(zhǎng)，理論模型的最優(yōu)管長(zhǎng)，相對(duì)于仿真模型來(lái)說(shuō)，兩種結(jié)果趨勢(shì)一致，相對(duì)誤差為8.2%。另外，在管長(zhǎng)相等時(shí)，仿真模型計(jì)算出的總溫懲罰因子TTP的值要更高些。

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Evaporator Structure Optimization of R125/R600a Binary Refrigerant Blends

WANGFang,FANXiao-wei,LIANZhi-wei,CHENJie,FUYi-ke

(School of Energy and Environment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

In order to improve energy utilization efficiency, this paper attempts to establish a tube structure optimization model for R125/R600a based on the coupling of heat transfer and pressure drop. The effects of evaporating temperature, tube diameter on the optimal tube length have been analyzed, and the theoretical model is verified. The results show that, for the smaller tube diameter evaporator, the optimal tube length is smaller, the structure is more compact, the heat transfer efficiency is higher, the weight is lighter, and flow resistance of both the refrigerant side and the cooling medium side are smaller. The optimal tube length increases with the increasing of evaporating temperature. Considering the impact of evaporating temperature, the optimal tube length has important practical significance of condenser structural optimization in air conditioners, refrigerators and heat pump systems (in different operating conditions).

R125/R600a; evaporator; structure optimization

2015-12-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1504501); 河南省高校青年骨干教師項(xiàng)目(2014GGJS-089)資助

王 方(1976-)，男，河南南陽(yáng)人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：建筑能源新技術(shù)、熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)及LNG冷能利用技術(shù)。

Tel.:13838296191; E-mail:wfzzti@126.com

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1006-7167(2016)09-0020-04