二氧化碳在换热管中的实验范文

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《建筑热能通风空调杂志》2014年第三期

1实验装置

1.1实验测试段测试段的形式为套管式换热管，该测试段主要由测试段外管、进出口稳定测试段和测试内管组成，其与热泵系统气冷器并联连接，为了实验和测试的方便，设计为可拆卸的换热管实验装置，如图1所示。内管为管径10mm，壁厚1.5mm的铜管。管内走二氧化碳，一端设有调节阀，控制二氧化碳流量，另一端设有压力和温度传感器，其中温度传感器直接测量管中流体的中心温度。左右两侧设有稳定段，分别与测试内管和实验台预留接口连接。测试段外管主要由一个主管和两个支管组成，内径均为35mm，壁厚3mm，材料为铜，管段总长为1m。外管和内管之间走水，上进上出，内管走二氧化碳。水侧的进出口分别设有温度传感器，直接测量水侧的中心温度。测试段内管设计为四种不同结构形式，如图2所示，分别为：1）单直管，长度1000mm。2）三直管，三角排列，直管圆心分别在边长为13mm的等边三角形顶点上，直管内径为10mm，长1000mm，三根直管两端焊接在一起，连接到内径10mm的连接段直管上。3）单螺旋管，螺旋线底面直径22mm，每圈高170mm，共6圈，螺旋管内径10mm，轴长1000mm。4）双螺旋管，由两根相同的单螺旋管组成，两螺旋管两端焊接在一起。

1.2辅助试验装置1）焓差计量室是为实验提供所需的环境和恒温水系统，并进行计量。2）跨临界二氧化碳热泵实验台则是提供超临界二氧化碳流体。跨临界二氧化碳热泵系统实验台主要包括压缩机、气冷器、蒸发器、节流阀和水箱。压缩机为活塞式，排量3.5m3/h，功率4kW；气冷器和蒸发器均为卧式壳管式换热器；水箱容积为350L。选取四种不同型式的测试管段内管安装于实验装置，通过调节焓差室恒温水系统，使供水温度和流量达到实验工况；调节电子膨胀阀的开度，使超临界二氧化碳达到实验工况所需压力。

1.3参数测量实验中所需要采集的数据为压力、温度、水流量和二氧化碳流量。选用铠装铂电阻进行温度的测量，测量精度为±0.3℃；采用HSK-S054型二氧化碳专用高压传感器测量压力，其测量范围为0~15MPa，测量误差±2.5％；采用容积式水流量计测量水流量。本实验的难点是二氧化碳流量的测量，采用了热量校核的方式计算二氧化碳流量，并编写了采集计算程序。实验中所测得的数据均通过安捷伦数据采集仪Agilent34970A进行采集，并与电脑连接，采用BenchlinkDataLoggerⅡ程序进行数据记录。

2结果分析

2.1实验工况表1、2分表为工况Ⅰ和工况Ⅱ记录。

2.2实验结果及分析

2.2.1单直管换热特性的影响因素分析图3给出了质量通量为300kg/(m2s)时，超临界二氧化碳在不同压力条件下局部换热系数随平均温度变化曲线。从图中可以看出，在不同压力条件下二氧化碳的局部换热系数均随温度的降低先升高后降低。在不同压力条件下，二氧化碳的局部换热系数对应的峰值也不同。当压力越接近临界压力时，其峰值越高，峰值对应的温度越接近临界温度。这与比热的变化非常相似，说明比热对换热有很大的影响。在远离准临界区的高温区，压力越大，二氧化碳的局部换热系数越大。图4显示了不同入口温度条件下二氧化碳局部换热系数随流体温度的变化曲线。从图中可以看出，二氧化碳的局部换热系数均随温度的降低先升高后降低，但在相同的流体温度条件下，入口温度对二氧化碳的局部换热系数影响不大，特别在临界温度附近局部换热系数几乎相同。这是由于较高的入口温度导致较高的出口温度和较大的换热量。虽然入口温度的提高使得换热量增加，但同时增加了流体与壁面的温差，两者的共同作用并没有增加局部换热系数和平均换热系数。在高温区，二氧化碳的局部换热系数在不同入口温度条件下稍有不同，这是由系统实验误差所致，不具普遍性。

2.2.2螺旋套管换热影响因素分析从图5可以看出，在相同进水温度下，螺旋套管出水温度随着压力的增加而升高，由于实验条件有限，在不同压力工况下CO2的进口温度并不稳定。在压力高的工况下CO2的进口温度也高，因此出水温度的提高可能是压力和温度共同作用的结果。但是可以通过局部的数据进行比较，比如双螺旋套管实验中，进水温度9℃下，CO2压力9MPa时CO2进口温度为109.5℃，而CO2压力为10MPa时CO2进口温度为108.6℃，两者差别不大，而CO2压力为10MPa时出水温度要比9MPa时要高出2℃，约15%，这可以说明在CO2压力较高时能够提升换热器的出水温度。从图6中可以看出，随着CO2压力的升高，螺旋套管的换热量均增加；随着进水温度的升高，螺旋套管换热量均减小，由于冷热流体间的换热温差减小，所以不同压力下的换热量差别逐渐减小。双螺旋套管的换热量高于单螺旋套管。

2.2.3四种不同形式套管换热管的影响因素分析由图7可知，在相同压力条件下，不同类型的换热管的换热系数均随进水温度的升高先降低后升高，而且单管的换热系数随进水温度的变化比多管明显。对于单管内管，在相同压力和进口温度的条件下，超临界状态下的二氧化碳在螺旋管内的换热系数高于单直管；对于多管内管，相同的压力和进水温度条件下，超临界条件下二氧化碳在双螺旋内的换热系数高于三直管，特别是在进水温度较高的情况下，这种情况更加明显。由图8可知，在相同压力条件下，不同类型内管的出水温度均随着进水温度的上升而上升，进出口温度几乎成线性关系。对于单管，相同的进水温度条件下，单螺旋管的出水温度高于单直管；对于多内管，相同的进水温度条件下，三直管和双螺旋的出水温度几乎相同。由图9可知，在相同压力条件下，二氧化碳在不同类型内管中的换热量均随着进水温度的上升而下降。对于多管内管，相同压力和进水温度条件下，二氧化碳在双螺旋管套管和三直管套管的换热量几乎相同，并且换热量随进水温度变化的趋势几乎一样；对于单管内管，在相同的进水温度条件下，二氧化碳在单螺旋管中的换热量远远高于单直管。

3结论

1）二氧化碳在超临界条件下的局部对流换热系数的峰值随着压力的不同而不同。压力越接近于临界压力，峰值越大，对应的温度越接近临界温度。2）不同的二氧化碳的入口温度在相同的体积温度条件下对其局部对流换热系数的影响不大，特别在临界温度附近，二氧化碳的换热系数几乎相同。3）单螺旋内管套管在出水温度、换热量、换热系数等各项换热性能指标都比单直管好，而螺旋管增加的管长和材料仅是直管的1.066倍。4）三直管和双螺旋管的比较，两者的换热性能系数十分接近，但是双螺旋内管所用材料只有三直管的71.05%。总的来说，螺旋管的换热性能比传统的直管要好。

作者：胡特特吕静杨大章豆君君任莹莹单位：上海理工大学环境与建筑学