R125/R600a混合工质蒸发器结构优化研究

发布时间：2016-06-25 06:45

1.绪论 

1.1  课题研究背景及意义
能源是人类赖以生存和发展的根本因素，而能源并不是取之不尽用之不竭的，在漫长的人类发展进程中，既有能源数量随着消耗的增加不断在减少。我国是一个能源大国，其中水资源总量位居世界第一，煤炭资源可开采量位居世界第三，但由于我国人口众多，人均占有量非常低，不到世界平均水平的二分之一[1]。同时，我国经济发展长期粗放型的发展模式，造成了严重的能源浪费和环境污染，由于受到技术水平的限制以及人们观念的淡薄，我国能源利用率仅为33％左右，比世界一些发达国家低10％左右；粗放型的发展模式还带来了严重的环境污染和生态破坏，给我国人民的生命财产安全造成严重威胁。因此，节约能源、提高能源利用率成为我国保持可持续发展的关键措施。 随着国民经济的快速发展与人民生活水平的不断提高，暖通行业得到迅速发展，与人们日常生活越来越密切，与此同时也造成了能源消耗的不断上升。目前，我国的建筑运行能耗占能耗总量的 20~27%，其中以暖通空调所占比例最大。在我国北方地区，供暖所占能耗约为 56~58%,采暖、通风及空调所占能耗达到 60~70%[2]。由此而出现了电量、燃料供应紧张等一系列问题。在我国经济保持快速增长的同时，重要能源的紧缺正逐步成为制约我国经济发展的瓶颈，因此，开发和研制高性能、低能耗的制冷、热泵系统是该技术领域的重要课题之一，也是“可持续发展”国策的迫切要求。 另一方面，臭氧层的破坏和温室效应的日益加重，成为了一个全球共同面临的严峻问题。上世纪 70 年代，当时的英国科学家通过观测发现，在地球南极上空的大气层中，臭氧的含量开始逐渐减少，尤其是每年的 9-10 月减少更为明显。2011 年，国家卫星气象中心监测数据显示，在北极上空出现一个明显的臭氧低值区，在该区内臭氧总量是正常情况下的平均值的 50%左右。虽然还没有形成南极上空那样的臭氧洞，但由于北半球的人口密度远远高于南半球，臭氧低值区范围内紫外线对人类健康的影响比南极的臭氧空洞更为大。同时，政府气候变化委员会研究发现，过去的几十年里，气温逐步上升。按照这种趋势发展，预计从 1990 年到 2110 年，全球气温将会上升 1.4~5.8℃，全球气候变暖。 
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1.2 HFCs/HC 混合工质的研究概况
表 1.2[11]列出了几种具有代表性的 HFCs、HCs 制冷剂的主要性能参数，与传统工质 R22 相比，R600a、R290 等 HCs 类环保工质 ODP 值为 0，GWP 值也很低，不分解有害物质，大气寿命只有 0.019 和 0.041 年，说明 R600a、R290对环境的影响非常小，并且 HCs 工质还具有效率高、传热性能好、充灌量少、压缩机排气温度低、与矿物油能相互溶解等优点。欧盟是推广使用 HCs 最广的区域，尤其是在北欧和德国等国家，目前欧洲新生产的家用冰箱中，约 25%左右的使用 HCs 制冷剂[12-13]。许多欧洲国家的家用冰箱以 R600a 作制冷剂的甚至超过了 95%。目前在中国市场上，也有海尔、美的、TCL 等厂家出售的 R600a环保冰箱[14]。R290 因其提炼方便，价格低廉，且不需要缴纳专利费等优点广泛应用于石油、天然气中，并且表现出良好的性能。但同时 HCs 的易燃易爆性阻碍了它更广泛的推广使用，虽然它在家用冰箱、汽车空调等装置中充注量比较小，及时泄露也达不到燃烧的极限，但在一些大型空调装置中，充注量比较大，一旦泄露，将会造成安全事故，所以必须采取一定的安全措施。R125 作为 HFCs类工质的代表，不含氯离子，对臭氧层破坏系数为 0，也是一种能有效减少大气臭氧层破坏的优良替代品之一，但此类化合物温室效应（GWP）一般较高，只能作为过渡性替代工质。 
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2.混合工质蒸发器结构优化数学模型  

2.1  制冷剂蒸发性能评价准则和总温度惩罚因子 
从热力学的角度来看，传热系数越大，需要的传热驱动温差就越小，这样可以减小系统由传热带来的不可逆损失；但是，从传热学来看，当热负荷一定时，较小的传热温差需要较大的换热面积。这会引来两个问题：一是换热器结构尺寸会随着增加，从而增加了系统的制造成本；二是较大的换热面积往往会使制冷剂在流动过程中的摩擦压降增加，由摩擦压降带来的系统不可逆损失也会随之增加；也就是说，传热不可逆损失随着换热面积的增大而减小，压降不可逆损失恰恰相反，，因此，在热负荷一定的情况下，存在一个蒸发器最优换热面积，通过对传热和压降耦合作用的研究可以很好的解决这个问题。 
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2.2  传热系数和摩擦压降的计算
在已有的文献中已经有一些关于平滑管中的传热和压降的关联式。例如，Gungor[48]和  Wojtan [49]的模型提供了传热系数关联式，Friedel[50] 和 Moreno Quiben  等[51]理论研究了蒸发器水平管内两相区的压降。图2.3显示了 R22的压降处罚因子（sr?T ）的估量与换热系数（ɑ）的关系，图中数据由上文提到的换热系数和压降关联式得到，整个制冷剂性质的计算使用了 REFPROP  9.0。可以发现：采用 Gungor[48]模型的曲线是间断的（注：  流动变化曲线有急剧的变化)，其他相似的关联式也是这种情况。这不足为奇，因为 Gungor[48]关联式没有基于流程的变化，而 Wojtan et al.[49]模型考虑了流程的因素。图2.4表示在 Friedel[50]和 Moreno Quiben[51]压降关联式下，制冷剂 R236ea，R134a 和  R290的压降处罚因子（sr?T ）随换热系数（ɑ）的变化关系。可以看到两个压降关联式在环状流时  （在斜坡发生显著变化的曲线右侧部分)的结果类似，对于重力流（在斜坡发生显著变化的曲线左侧部分）结果差别较大。同样的，这是因为 Friedel[50]压降关系式不是基于流程  。因此，在本文接下来的部分，纯工质换热关系式将采用Wojtan  et  al.[49]模型，压降关联式由 Moreno Quiben[51]模型得到；对于混合工质传热系数关联式，本文将采用 T.Y.Choi 等[52]的传热模型，压降关联式根据文献[53]得到。 
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3.蒸发器结构优化结果分析 ........ 32 
3.1  建立蒸发器仿真模型 ........ 32 
3.1.1  微元模型 .... 32 
3.1.2  数学模型 .... 33 
3.1.3  换热系数和压降关联式 .... 34 
3.2  蒸发器仿真模型的程序流程 .... 36 
3.2.1  对混合工质蒸发器管长优化的仿真模型程序流程 .... 36 
3.2.2  对混合工质蒸发器热流密度优化的仿真模型程序流程 .... 39 
3.3  仿真计算结果与简单理论模型数据对照 ........ 41 
3.4  本章小结 ........ 44 
4.结论与展望 .... 45 
4.1  研究结论 ........ 45 
4.2  主要创新点 .... 46 
4.3  研究展望 ........ 46 

3.蒸发器结构优化结果分析 

为了分析本文第二章建立的基于传热和压降耦合的混合工质蒸发器结构优化的数学模型的合理性，接下来我们将利用计算机仿真技术，以蒸发器内部传热为理论依据，建立能准确并全面的反映蒸发器性能的数学模型，对蒸发器进行一个工作性能的预测和模拟。这种模拟的目的是，找出 R125/R600a 混合工质适用于优化热流密度时的最佳运行状态，并将这些结果与第二章简单的理论模型得到的结果进行比较，从而验证简单理论模型的可靠性。 

3.1  建立蒸发器仿真模型 

蒸发器仿真模型主要有动态集中参数模型[60],稳态分布参数模型[61]，稳态集中参数模型[62]。其中集中参数模型具有计算速度快，稳定性较好等特点，一般用于定性分析；分布参数模型计算精度高，并能准确和全面的反映对象的运行状态。本文采用稳态分布参数模型，模型中的蒸发器为套管式蒸发器，制冷剂在内管中流动，经历从两相状态到过热状态这两个过程，冷却介质水在管外与管壁进行强迫对流换热。水和制冷剂之间的传热过程可视为逆流换热。将蒸发器管沿轴向划分为若干个微元，将上一微元段的出口状态参数作为下一微元段的进口状态参数。划分的微元段数量越多，计算的精度越高，计算结果越准确，但在计算机计算速度的限制下，只要能满足工程精度的要求即可，一般我们将蒸发器划分为 500 个微元段。在整个换热过程中，制冷剂的焓值变化较大，所以我们对制冷剂焓差进行等分来划分微元。图 3.1 为制冷剂和水流经一基本微元段的过程。制冷剂在内管中流动，与外管内逆向流动的水换热后，温度、压力和干度将发生变化，质量流量保持不变，水的温度也将发生改变。

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结论

(1)研究了 R125/R600a 混合工质的蒸发换热过程，利用混合工质蒸发换热性能潜力评价标准 PEC，通过数据拟合，得出了惩罚因子 PF 与传热系数 α 之间的函数关系；由制冷剂和冷却介质在蒸发器内换热过程的理想温度曲线以及“总温惩罚因子 TTP”，比较了制冷剂在压降和传热这两个方面的能量损失情况。 
(2)建立了基于总温惩罚因子 TTP 最小化的蒸发器结构优化数学模型，并分析了管径、蒸发温度管长优化结果的影响。发现，混合工质蒸发器最优化长度随着管径的增大而增加，由此可见，小管径的蒸发器最优管长更小，结构更为紧凑，制造成本更低，而换热效率更高，制冷剂的流动摩擦阻力也会更小；混合工质蒸发器的最优管长随着蒸发温度的增大而增大；混合工质热流密度随着换热系数的增大先增减后减小，存在一个最优热流密度。 
(3)用 EES 等软件模拟 R125/R600a（10/90)混合工质套管式蒸发器的性能，并比较仿真结果与简单理论模型数据的吻合程度，分析了简单理论模型的可靠性和可用性。结果表明，关仿真模型计算结果与理论模型结果变化趋势一致，总温惩罚因子 TTP 随着管长的增大先是减小，当到达一个最小值后，其值开始逐渐增大。最小总温惩罚因子 TTP 对应的管长即为最优管长，理论模型的最优管长，相对于仿真模型来说，相对误差为 8.2%，是在可允许范围内。
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参考文献(略)

本文编号：61246