CO_2跨临界循环中气体冷却器的熵产分析

文章编号:1009-6825(2009)19-0177-02CO2跨临界循环中气体冷却器的熵产分析

收稿日期:2009-03-22作者简介:张利坤(1967-),女,工程师,河北省省直房地产服务中心,河北石家庄 050000王文红(1974-),女,河北工程技术学院硕士研究生,河北邯郸 056000肖静静(1984-),女,河北工程技术学院硕士研究生,河北邯郸 056000

张利坤 王文红 肖静静摘 要:指出CO2跨临界制冷循环中的放热设备是气体冷却器,CO2在整个放热中并无相变,其状态主要是超临界流体,针对超临界流体的特殊性质,用熵产分析研究气体冷却器的换热问题;在此基础上,提出了气体冷却器优化设计的原则与方法。关键词:CO2,跨临界循环,气体冷却器,熵产分析,换热优化中图分类号:TU831文献标识码:A

1 换热设备中的熵产生及其热优化CO2跨临界制冷循环的工作特点之一就是系统管路及设备的压损$p远小于其工作压力p,跨临界制冷热泵循环中换热器多采用逆流形式。而逆流换热器当$p/p和(1-E)比1小得多时,如果用传热单元数NTU=1/(1-E)来代替效能E,则熵产生数Ns可用St数和Re数表达为:Ns=D/(St#4L)(T2-T1)2/(T1T2)+4LRm2*f/(DCp)(1)其中,L为通道长度;D为通道直径;m*为无因次质量速度。对亚临界状态的许多工质而言,通道长度L或通道长径比L/D对式(1)右边两项的影响刚好相反,所以可导得使熵产生数最小的最佳长径比或最佳通道长度。当换热器在该最佳尺寸下运行时,换热器中传热和粘性引起熵产的总和为最小,也就意味着可用能损失最小。研究表明:换热器中的工质处于亚临界状态时,其每一侧的最小熵产生数只取决于无因次质量速度m*。因此,换热器通道中的流速是使熵产降低的最重要参数,减小该流速也就成了换热器优化的主要方向。包括对通道的几何尺寸、冷热流体流动的合理配置方式、通道中介质压力的分布等各方面内容的研究。上述结论是对换热器中介质为亚临界流体时,作了许多假设及简化后得出的。因此对CO2跨临界循环的两个主要换热设备来说,由于工质在蒸发器中处于亚临界状态,其优化方向应该与上述结果相同。但工质在气体冷却器中却是跨临界状态,超临界流体具有许多特性,其在放热过程的熵产生,必然存在着与常规制冷工质不同的变化规律,故有必要对CO2跨临界循环中的气体冷却器进行熵产分析。2 超临界循环气体冷却器的熵产分析2.1 气体冷却器的换热模型为简化问题,假设气体冷却器采用套管式逆流换热器,其中CO2制冷剂在内管流动,外部水在外管沿相反方向流动。CO2制冷剂在气体冷却器内以超临界流体形式存在,属强迫对流换热;水侧也是强迫对流换热,可通过对数平均温差法(LMTD)进行分析,图1显示了气体冷却器内的温度曲线。

气体冷却器的换热模型需要输入以下数据:换热器的换热量q,制冷剂的进口压力Pin,进口温度T2和出口温度T3,水的入口温度Tin和出口温度Tout。计算不同内管直径条件下所需的换热面积和熵产率。主要计算步骤有输入变量和参数、计算换热量及工质侧参数、求解整个换热器的熵产率和长度等三步。根据气体冷却器的换热模型,本文编制了相应的计算程序,并与实验结果进行了比较,吻合良好,表明可用作理论分析。2.2 气体冷却器的熵产分析2.2.1 管径对熵产率的影响

1)由图2可见,换热器的总熵产率随内管直径的增大而降低。

[2] 谈善金.青海省德令哈巴音河山前冲洪积平原供水水文地质勘探报告[R].2008.OninfluentialanalysisofproductionwaterintakeofindustrialprojectsonsituationofregionalwatersourcesHUGu-ishou WEIHa-ifeng YANGSh-ixinAbstract:Takingthesodaprojectwith1milliontonsofKunlunSodaAshCompanyinQinghaiasanexample,thepaperanalyzestheinflu-encesofthewaterintakeoftheindustrialprojectoftheregionalwatersourcesarethereductionofleakagevolumeofspring,thereductionoftheevaporationvolumeofundergroundwaterandthedropsoftheundergroundwaterlevel,emphasizesonstrengtheningtheinspectionofdownstreamlakesandecologicalenvironment,soastoreducetheinfluenceoftheindustrialwaterintakeontheregionalwaterresource.Keywords:watersource,undergroundwater,exploitation

#177# 第35卷第19期2009年7月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.35No.19Jul. 2009这是因为在给定的工况条件下,传热引起的熵产率随内管直径的变化很小,换热器的总熵产率主要受流动熵产率影响。因为由传热引起的熵产率随内管直径的增大而增加,由流动引起的熵产率随内管直径的增大而降低,因此换热器的总熵产率自然要随内管直径的增加而降低。2)由于内管直径与实际换热器尺寸成正比,所以就存在着气体冷却器的优化问题。在设计中,应充分考虑这两方面的关系,既不能为减少换热器尺寸而使换热器熵产率很大,也不可一味追求小熵产率而加大换热器尺寸,增加初投资。2.2.2 冷却水进口温度对熵产率的影响1)在一定管径条件下,当换热量、冷却水进出口温差不变时,换热器的熵产率随冷却水进口温度的增加而降低。这是因为在上述工况条件下,因流动引起的熵产率变化很小,换热器的总熵产率主要取决于因温差传热而引起的熵产率变化。传热温差随冷却水进口温度的增加而降低,相应的因温差传热引起的总熵产率也必然随之下降。2)换热器的总熵产率随冷却水进口温度的变化基本上呈线性关系,而且不同管径下的熵产率变化趋势基本一致。3)管径一定时,换热器管长随进口温度的增加而增加,小管径情况下变化幅度较小,而大管径条件下,变化幅度较大。因为进口温度增加,传热温差变小,相应的换热器面积增加,换热器管长增加,而较小管径时换热系数相对较大,所以其变化幅度小。4)冷却水进口温度一定时,换热器管长随管径的增加而增加。这是换热器换热系数随管径的变化和大换热面积随管径变化综合作用的结果。当冷却水进口温度较低时,换热器管长变化较小,当冷却水进口温度较高时,换热器管长变化较大,这是因为冷却水进口温度越高,换热系数随管径的变化越剧烈所致。5)从降低熵产率和减小换热器尺寸两方面综合考虑,气体冷却器工作时,采用小管径并提高冷却水进口温度是有利的。2.2.3 冷却水出口温度对熵产率的影响由计算结果可知冷却水出口温度改变时换热器熵产率的变化趋势与冷却水进口温度改变时的变化趋势正相反,而换热器管长的变化趋势基本相同,即:1)在一定管径条件下,当换热量、冷却水进口温度不变时,换热器的熵产率随冷却水出口温度的增加而增加,而且不同管径下的变化趋势基本一致。由此可知,在该条件下换热器的总熵产率中占主导地位的是因流动而引起的熵产率变化,冷却水出口温度增加,冷却水的流量减小,流动熵产率也减小。2)管径一定时,换热器管长随出口温度的增加而增加,小管径情况下变化幅度较小,而大管径条件下,变化幅度较大。这与不同冷却水进口温度对其的影响相同,原因自然也与前相似。即传热温差变小,相应的换热器面积增加,换热器管长增加,而较小管径时换热系数相对较大,所以其变化幅度小。3)冷却水出口温度一定时,换热器管长随管径的增加而增加。这与不同冷却水进口温度对其的影响也相同,原因为换热器换热系数随管径的变化和换热面积随管径变化综合作用的结果。当冷却水出口温度较低时,换热器管长变化较小,当冷却水出口温度较高时,换热器管长变化较大,这是因为冷却水出口温度越高,换热系数随管径的变化越剧烈所致。4)从降低熵产率和减小换热器尺寸两方面综合考虑,气体冷却器工作时,采用小管径并降低冷却水出口温度是有利的。2.2.4 CO2出口温度对熵产率的影响

假设换热量为5kW,冷却水的进口温度为30e,出口温度60e;CO2制冷剂的进口压力10MPa,进口温度为100e。对于不同的CO2制冷剂出口温度,计算不同内管直径Din下的熵产率及换热器的大小。由计算结果可知,该工况下,当管径一定时,换热器熵产率随CO2出口温度的增加而增加,换热器的管长随CO2

出口温度的增加,总体上也呈现出下降的趋势,但变化幅度不大,

局部则升高与降低交替。其原因是:CO2出口温度增加,换热温差加大,但CO2换热系数随其出口温度的增加而呈现出下降的趋势。超临界CO2流体流动与物性变化的特殊性呈现出与常规气体或液体非常不同的规律。从降低熵产率和减小换热器尺寸两方面综合考虑,气体冷却器工作时,采用小管径并降低CO2出口温度是有利的。同样的分析,要降低熵产率又要减小换热器尺寸,采用小管径并相应降低CO2出口温度、降低CO2进口压力是有利的。3 结语对CO2超临界制冷循环系统中的气体冷却器所进行的最小熵产分析表明,正是CO2超临界流体的特性所引起的流动与传热的复杂变化,使得它与常规流体的差异很大,呈现出明显不同的规律。气体冷却器的熵产依赖于运行工况和换热器的几何尺寸。通过以上分析,可得出以下结论:1)在相同的换热量下,内管直径越大,熵产率越小,但需要的管长却越大,相应需要的管材也越多。在设计中,应充分考虑这两方面的关系。2)从降低熵产率和减小换热器尺寸两方面综合考虑,气体冷却器工作时,采用小管径并相应增加冷却水进口温度、降低冷却水的出口温度、降低CO2进、出口温度及降低CO2进口压力是有利的。参考文献:[1] ADRIANBJAN,ENTROPYGENERATIONTHROUGHHEATANDFLUIDFLOW,AWiley-IntersclencePublication,1996.[2] 过增元.热流体学[M].北京:清华大学出版社,1993.[3] 熊大曦,李志信,过增元.换热器的效能与熵产分析[J].工程热物理学报,1997(18):1.[4] 王侃宏.CO2跨临界循环的理论分析和实验研究[D].天津:天津大学博士论文,2000.

EntropygenerationanalysisofgascoolerinCO2trans-criticalcycleZHANGL-ikun WANGWen-hong XIAOJing-jingAbstract:ThepaperpointsouttheheatreleaseequipmentintheCO2trans-criticalcycleisthegascooler,andtheCO2hasnophasechangeintheprocessofheatreleasing,itsmainstateisthesupercriticalfluid,aimingatthespecialcharacteristicsofthesupercriticalfluid,studiestheheatchangingproblemsthegascoolerbasedtheentropygenerationanalysis,onthisbasis,providestheprincipleandmethodofgascooleropt-imizationdesign.Keywords:CO2,trans-criticalcycle,gascooler,entropygenerationanalysis,heatchangingoptimization