摘要：换热器是制冷系统主要的传热部件,换热器的好坏直接影响系统的综合性能。从CO2的性质和跨临界系统的特点出发,介绍跨临界CO2制冷系统中换热器的结构型式的发展,指出发展微通道换热器是提高CO2制冷系统性能的必然。
CO2被认为是最接近实用化的自然工质,特别适合于制冷系统、汽车空调、船用空调和热泵等。目前正在研究的CO2制冷系统中,基本上都采用跨临界CO2制冷循环。跨临界CO2制冷系统具有优良的环保特性、良好的传热性质、较低的流动阻力及相当大的单位容积制冷量。但跨临界CO2制冷循环存在2个问题:一是若采用蒸气压缩循环,则系统的效率较低;二是系统运行压力较高,系统高压侧会超过10MPa,因而部分换热设备和管路存在安全性问题。国内外研究表明:采用合理的内部换热器的回热循环,使压缩机进口亚临界状态的CO2蒸气过热,节流前超临界状态CO2过冷,能提高跨临界CO2制冷循环系统效率,因此,采用CO2制冷剂必须依赖换热器结构的发展及性能的提高[1-2]。
1 跨临界CO2制冷系统
1. 1 CO2制冷剂的性质
常温下,CO2是一种无色无味的气体。其相对分子质量为44.01,临界压力为7.377 3MPa,临界温度为304.1K。CO2具有非常稳定的化学性质,既不可燃,也不助燃。CO2与水混合呈弱酸性,可腐蚀碳素钢等普通金属,但不腐蚀不锈钢和铜类金属。
CO2蒸发潜热较大,单位容积制冷量高,0℃时的单位容积制冷量为22 600kJ/m3,是R22的5.12倍,R12的8.25倍。CO2黏度较小,液体密度与气体密度的比值较小,使得在低压下两相流流动较为均匀,有利于节流后各回路间的工质均匀分配;较小的表面张力能够提高沸腾区的蒸发换热系数。其良好的输运和传热特性,可以显著减小压缩机和换热器的尺寸,使整个系统非常紧凑。
1. 2 跨临界CO2制冷循环的构成和特点
跨临界CO2制冷循环的概念是由前国际制冷学会主席Lorentzen教授首先提出的,该循环由压缩机、气体冷却器、内部回热器、节流阀、蒸发器和气液分离器等组成,如图1所示。系统工作时,低温低压CO2气体(f)在压缩机内升压至超临界状态(a)后进入气体冷却器,被冷却介质冷却,冷却后依然为超临界的流体(b)流入回热器,进一步冷却到状态c,随后被节流阀节流至亚临界两相流(d)进入蒸发器吸热(压力不变,干度增加),再流入气液分离器,气态的亚临界CO2(e)进入回热器吸收一部分从气体冷却器出来进入回热器的超临界CO2流体(b)的热量,低温、低压的CO2(f)再进入压缩机压缩。如此周而复始。
跨临界CO2制冷循环的主要特点:
1)冷却器出口温度tk>tc(临界温度),冷却压力pk>pc(临界压力),高压侧温度与压力相互独立,使CO2跨临界制冷系统多了一个自由度或可控参数。
2)跨临界循环气体冷却器出口气体直接节流后两相工质的干度较高,不利于制冷能力的提高,因此采用回热,利用从气液分离器出来的低温气体冷却气冷器出口工质,以降低节流后制冷剂的干度,可提高系统制冷效率,在极高的环境温度下还可避免冷量损失。
3)点e位于两相区或饱和蒸气线上,这不同于整个系统处于亚临界状态的单机蒸气压缩式制冷循环(点e位于饱和蒸气线上或过热蒸气区)。CO2高的临界压力和低的临界温度也为其作为制冷剂带来了许多难题。无论亚临界循环还是跨临界循环,CO2制冷系统的运行压力都将高于传统的制冷空调系统,这必然会给系统和部件设计带来许多新的要求。
2 CO2制冷系统中换热器结构
换热器的设计必须考虑到CO2物性特点和跨临界CO2制冷循环的特点。CO2制冷系统工作压力高,必须考虑换热器材料的承压能力。在CO2制冷系统缺少标准的情况下,普通的最小爆裂压力取系统最大承受压力的2.5~3倍,这要求CO2换热器管道具有较小的管内径。
CO2制冷系统中的换热器有多