超临界CO2在套管内流动换热特性的实验研究

　　1992年,前国际制冷学会主席、挪威工业大学的Lorentzen和Pettersen提出了CO₂跨临界循环理论,并试制了世界上第一台轿车空调系统样机^[1-2],由此引发了研究CO₂的新一轮热潮。CO₂作为一种无毒、不燃、安全、经济、资源丰富的自然制冷剂,不会产生温室效应,不会破坏臭氧层,被广泛应用于汽车和列车空调、热泵、户式空调以及二级压缩系统等^[3-6]。随着跨临界CO₂系统的提出和研究的深入,超临界CO₂气体冷却器中的流动换热特性研究显得非常重要,因为这是提高整机制冷系统COP的主要因素。

　　超临界流体与亚临界流体的特性有较大的不同,特别是在临界点附近,工质本身的物理性质有剧烈的变化,这使得超临界CO₂与通常的亚临界流体在传热与流动特性方面有较大的不同。为了能够更好地设计与优化跨临界CO2制冷系统,有必要对超临界流体在冷却工况下的传热与流动特性进行研究。

　　笔者对超临界CO₂在套管内流动换热特性进行实验研究,探讨CO₂入口压力、质量流量和冷却水流量等参数的变化对换热特性和压降的影响,为气体冷却器的设计提供实验依据。

　　1 实验装置与测试方法

　　实验台如图1所示。CO₂循环系统主要由冷凝储罐、计量泵、稳压罐、预热器、预冷器、缓冲器、汇流排、CO₂高压气瓶和旁通支路阀门等组成。其工作原理为:高压气瓶中的CO₂经汇流排流入冷凝储罐冷却后变为液态,通过计量泵加压流入稳压罐,再流入预热器加热升温后到达实验测试段,进行热交换冷却后再回到汇流排。实验用套管的内管规格为Φ6mmX1.1mm,长为4000mm,材质为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。CO₂在管内流动;外管为Φ16mmx1mm的紫铜管,环隙中的水和CO₂流动方向相反。实验段前后分别预留了300mm的流动稳定段。为了减少实验测试段与外界的热交换,套管外用厚度为9mm的橡塑套管保温,如图2所示。

　　每段套管都按一定间距安装铜-康铜热电偶测量管外壁温,共计11个。在实验段进出口分别布置2个铠装热电偶,用于测量管内CO₂的进出口温度。在入水管和出水管上分别布置了2个铜-康铜热电偶来测量进出口水温。在套管实验段入口安装了高精度的压力变送器和差压变送器,以便精确测量实验测试段的压力和压降。所有实验数据使用1台由Agilent公司生产的34070A数据采集系统和开关单元。实验方法采用热平衡法,CO₂侧和水侧的换热平衡误差小于10%。

　　2 实验结果分析

　　针对影响超临界CO₂在套管内的流动特性的因素,在实验过程中主要改变CO₂入口压力、质量流量和冷却水流量等参数,测试换热性能和压降损失,由此分析各项参数对换热特性和压降的影响。