5.空气源CO2热泵热水器的翅片管式蒸发器设计.docVIP

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5.空气源CO2热泵热水器的翅片管式蒸发器设计

空气源CO2热泵热水器的翅片管式蒸发器设计 刘业凤 鲍团卫 龚国栋 (上海理工大学能源与动力工程学院, 上海200093) 摘要:本文介绍了空气源CO2热泵热水器的蒸发器研究现状,分析了翅片管式蒸发器内的流动与换热特性及换热关联式,并根据工作压力进行了安全压力设计计算。最后给出了蒸发器的设计工况及结构,为以后进行此类蒸发器的设计提供参考。 关键词:二氧化碳热泵; 翅片管蒸发器; 二氧化碳换热关联式; 设计计算 The design of finned tube evaporator on CO2 heat pump water heater with air source Liu Yefeng,Bao Tuanwei , Gong Guodong (School of Energy Power Engineering of University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093)Abstract:This paper introduced the research state of evaporator of CO2 heat pump water heater with air source on present, analyzing the features of flow and heat transfer and heat transfer correlation in the finned tube evaporator. The safe pressure of the evaporator was designed and calculated. The evaporator’s design conditions and structure were given at last to provide reference for those who also design such evaporators in the future. KeyWords: CO2 heat pump; Finned tube evaporator; CO2 Heat transfer correlation; Design and calculation 作者简介:刘业凤 (1973-)女 博士 副教授 0 前言 近年来,国内外众多研究机构及大学都开发了CO2热泵热水器的样机,并进行了相应的实验研究。从已公开的文献资料中可知,国外进行研究的二氧化碳热泵热水器多以空气源为主,类型为翅片管式。日本的三洋、松下、大金等公司在本国市场上销售的家用跨临界二氧化碳热泵热水器采用的就是这种形式。目前的研究主要集中在气体冷却器上,关于蒸发器的研究则较少。由于加工条件及加工成本的限制,国内一些大学及研究机构开发的样机多以水源为热源,所用蒸发器为壳管式或套管式。但在冬季水温较低的情况下,蒸发器中的水在流量较小的情况下容易发生结冰,从而造成管路堵塞,使运行工况受到限制。西安交通大学的李涛[1]等人应用分布参数法建立了CO2 的翅片管式蒸发器的数学模型,分析了制冷剂侧和空气侧温度、压力和换热的变化情况。天津大学的马一太[2]等对CO2的流动沸腾过程进行了换热分析。范晓伟[3]等建立了套管式蒸发器的稳态分布参数模型,对其结构参数进行了敏感性分析,指出管内套多根管时,以管内套3根管的性能为最优。国外在这方面的研究主要集中在微通道蒸发器上,对管径在3mm以上的普通铜管则研究较少。 本文以所搭建的试验台为基础,介绍了以空气为热源的翅片管式跨临界二氧化碳蒸发器的设计方法,并给出了具体的计算思路及结果,为以后进行此类蒸发器的设计提供参考。 1 二氧化碳在蒸发器内流动与换热特性 在CO2热泵热水器的跨临界循环中,蒸发器的蒸发过程位于亚临界区,蒸发压力比传统制冷剂高、蒸汽密度较高,这些因素使二氧化碳在蒸发器内的传热与传统制冷剂有明显的区别。对二氧化碳来说,核态沸腾在沸腾换热中占有主要地位,这种换热特性压力损失较小,在条件相同的情况下二氧化碳沸腾换热系数是一些常用制冷剂的2倍或者更高,单位长度内可以获得很高的传热系数,从而有利于发展紧凑、高效式换热器。 图1:CO2理论循环P-V图 图2:CO2理论循环T-S图 二氧化碳在普通管道内的亚临界强迫对流换热主要包括强迫对流沸腾和核沸腾两种,换热机理和流动状态决定了各种参数对换热系数和压降的影响程度。影响沸腾换热系数的主要因素包括热流率、质量流率、蒸发温度和蒸汽干度[4],在质量流

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