CO2蒸发器的性能模拟与优化计算

　　0前言

　　蒸发器是CO2跨临界热泵系统中主要的换热设备之一，其换热和压降特性对整个系统效率的提高起着非常重要的作用.虽然CO2在蒸发器中的吸热过程发生在两相区，但是由于CO2的蒸发压力很高，大约为常规制冷剂蒸发压力的 7 ~ 10 倍，而且CO2的热物理性质较特殊，这就使得其沸腾换热特性不同于常规制冷剂.因此也就对CO2蒸发器在结构设计上提出了不同的要求.

　　近年来许多研究者对CO2蒸发换热特性进行了研究.Yoon 等人[1]开发了CO2流动沸腾换热模型，给出了计算压降的修正关联式.Thome和EI Hajal[2]建立了水平管内CO2流动沸腾换热的模型，与CO2换热数据比较吻合，还需要进一步研究中高干度区的换热系数[3].Huai 等人[4]研究了 CO2在多通道挤压铝管中的沸腾换热和压降特性.Ozawa等人[5]对CO2在管径为 1.0 ~3.0 mm内的流型和换热特征进行了实验和数值模拟研究.Yun和Kim[6]研究了CO2在管径为 2.0 mm和 0.98mm水平管内流动沸腾时发生干涸的临界干度.Choi等人[7]研究了CO2在微通道中的两相流动沸腾换热情况，并开发了沸腾换热关联式.吴晓敏等[8-9]对CO2在细径管内和多孔细径微肋管内的蒸发换热特性进行了研究，发现传统制冷剂的换热系数关联式不适用于CO2.关于CO2蒸发器性能模拟的研究方面，Kim 等人[10]开发了CO2汽车空调系统用微通道蒸发器模型，模拟结果与实验数据符合得很好.Derevich等人[11]建立了CO2蒸发器的数学模型，可用来计算沸腾中液体对流，液膜蒸发，液滴沉降以及分散流的流体动力学和传热传质过程.

　　为了对CO2跨临界水-水热泵系统进行模拟计算和优化设计，开发适合于CO2蒸发器的数学模型是非常有必要的.本文采用稳态集中参数法建立了CO2蒸发器模型，并与实验结果进行了比较，进而对其进行了优化计算.

　　1 CO2蒸发器模型建立

　　在 CO2跨临界水-水热泵实验系统中，蒸发器的结构型式为管壳式，流程布置为双管程单壳程，制冷剂在换热管内气化吸热，冷冻水在管外流动.换热管的外径为 14 mm，管壁厚度为 2 mm，管长为 1.2 m.

　　为了简化模型计算，CO2蒸发器模型建立采用稳态集中参数法[12]，做了如下假设：1)稳态运行;2)管子沿轴向不存在热传导;3)热损失忽略不计;4) CO2在管内沿轴向一维流动;5)冷冻水侧压降忽略不计;6)CO2和冷冻水的流量和温度均匀分布;7)蒸发器出口为饱和状态.

　　1.1传热计算

　　在不考虑热量损失情况下，CO2的蒸发吸热量与冷冻水的放热量相等，并且等于由传热方程计算的换热量.

　　1)冷冻水侧放热量

　　式中：ew为冷冻水的放热量，W;ew为冷冻水的流量，kg/s;ew, in和ew, out分别为冷冻水的进出口焓，J/kg;pew为冷冻水的比热，J/kg K;ew, in和ew, out分别为冷冻水的进出口温度，K.