R125/R600a混合工质蒸发器结构优化

王 方, 范晓伟, 连之伟, 陈 洁, 付一珂

(中原工学院 能源与环境学院， 河南 郑州 450007)



R125/R600a混合工质蒸发器结构优化

王 方, 范晓伟, 连之伟, 陈 洁, 付一珂

(中原工学院 能源与环境学院， 河南 郑州 450007)

为提高换热效率，从传热和压降的耦合角度出发，针对R125/R600a混合工质蒸发器建立了结构优化的理论数学模型，分析了管径、蒸发温度对管长优化结果的影响，并对理论模型进行验证。结果发现，R125/R600a混合工质蒸发器存在一最优管长，且最优长度随管径的增大而增加;随着蒸发温度的增大最优管长也呈现增大趋势。由此可见，小管径的蒸发器最优管长更短，结构更为紧凑，制造成本更低，而换热效率更高，同时制冷剂的流动摩擦阻力也会更小。研究结果对空调、冰箱、热泵系统的工质选用及运行工况的选择具有借鉴作用。

R125/R600a； 蒸发器； 结构优化

0 引 言

随着人们对环境保护问题的逐渐重视，制冷剂的研究也受到了学者们的广泛关注。20世纪90年代，HFCs制冷剂取得了良好的发展，HFCs制冷剂由于具有不可燃性，对臭氧层破坏系数为零等特点受到研究人员的青睐[1]。其中Rl34a作为Rl2的替代物已经得到广泛使用[1]，R245ca被认为是Rl23和R11最理想的替代物之一[4]。另一方面，一些学者将目光重新转移到R744、R290、R600、R600a等自然工质上，尤其是碳氢类工质HCs，这类工质效率高，能与原有系统很好地兼容，但突出缺点是易燃易爆。单一工质的性能各有优劣，很难满足环保、安全、热力学性能良好等多方面的要求，如果将不同纯工质按照不同比例混合，组合成的混合工质一般可以克服单一工质各自的缺点，达到优势互补的目的。

随着人们对提高能源利用效率意识的增强，对换热器尤其是蒸发器的优化也受到了学者们的重视。Granryd[5]基于熵产最小化确定了R22蒸发器的最优压降。Cavallini等[6]研究了R22以及其替代制冷剂的流动沸腾换热性能潜力，他们在分析中引入了“惩罚因子”概念，“惩罚因子”是一种可以用来作为替代压降引起的损的性能评价标准。Cavallini等[7]采用惩罚因子研究了R1234yf等几种制冷剂的冷凝换热性能潜力。Ezeora等[8]基于熵产最小化确定了CO2蒸发器管长、管径、管容积的最优组合。Singh等[9]采用熵产最小化方法并建立模型来优化R134a空冷翅片管蒸发器。Domanksi等[10]建立了一个蒸发器模型，并采用6种制冷剂分别进行计算，将结果进行对比分析，优化后的蒸发器被放入一个完整的蒸汽压缩制冷系统仿真模型里，比较不同制冷剂系统的COP。

以往对于蒸发器的结构优化的研究中，大多未考虑制冷剂的影响。实际上，制冷剂通过其热力学性质和输运性质，也会影响蒸发器的传热和压降性能。本文针对混合工质热泵系统中的套管式蒸发器进行优化研究，通过对文献[11]优选出的混合工质R125/R600a混合工质蒸发器换热性能的理论分析，尝试基于传热和压降的耦合作用，建立蒸发器优化数学模型，并通过仿真技术进行模拟来分析理论数学模型可靠性，以期找到一个全新、简单合理的优化方法，为企业弥补混合工质蒸发器设计方面的空缺，同时降低蒸发器制造成本，对蒸发器的设计优化提供理论指导。

1 蒸发器模型

类似于Cavallini[6]的冷凝器模型，图1表示一个简单的由制冷剂温度、冷却介质温度、管壁温度曲线构成的逆流蒸发器模型。假设的传热过程为稳态过程，制冷剂和冷却介质运行工况可用平均属性来表示。

图1 蒸发器逆流换热理想化温度曲线

本文的重点是研究混合工质对蒸发器传热性能的影响，以及基于传热和压降耦合作用的方法在蒸发器优化上的应用。此外，本文只考虑光滑管，这种方法可以很轻松扩展到强化管上。

2 性能评价准则和惩罚因子

类似于Cavallini[6]的冷凝流动，制冷剂的流动沸腾传热性能潜力的评价准则 (PEC)有制冷剂的2个温差：ΔTsr(制冷剂压力下降引起的饱和温度降)和ΔTdr(流动温度差所表示)。

(1)

其中:q是热流密度;α是制冷剂侧的传热系数;G是制冷剂质量流量;Δh是传热过程中制冷剂的焓差。ΔTsr是相对于干度而言的，即

(2)

式中:Ts为蒸发温度；x为干度。

此外单独考虑这2个温差，它们可以结合在一起，称之为总温度惩罚因子(Total Temperature Penalization，TTP)[4]，

(3)

其中，1/2表示随着传热驱动势，只有约一半制冷剂饱和温度下降损失。

3 蒸发器结构优化

对于一个整体几何形状一定的蒸发器(如水冷却式套管蒸发器)，假如管径已知，对蒸发器结构的优化也就转变成对管长的优化。可以作如下假定：① 蒸发器的热负荷一定；② 冷却介质运行状态固定(即固定的mcm，冷却介质进口温度Tcmi，冷却介质出口温度Tcmo)；③ 假定制冷剂通过的所有的回路都是等长的；④ 进入蒸发器的制冷剂总质量流量和总管长为定值。

根据这些特定的限制，对于任何单个的回路，G正比于单个回路的L(即它与平行的回路数量成反比)。单个的回路越长(即平行的回路数量越少)，G和α的平均值越高，因此必要的驱动平均温差ΔTdr越低。同时，单个的回路越长，摩擦压降Δpf越高(因为路径和制冷剂流量都增加了)，因此ΔTsr将更高。在这些设计限制下，必然存在单个回路的最佳长度，这会产生最小的制冷剂入口饱和温度Tsi(最终，对应于最小的总损失)，这是这个特定优化问题的目标。此外，在设计实际的蒸发器时，回路长度是逐步得到的，因此，最接近Lopt的实际长度应用来设计最佳的换热器。图2描述了上述问题，可以看出最优管长Lopt的取得与以下条件最为匹配：

(4)

在q=10 kW/m2，蒸发温度Ts=5 ℃，蒸发器内管管径d=8 mm，制冷剂干度x取平均值0.5的工况下，对R125/R600a(10/90)混合工质蒸发器管长进行优化，结果如图3所示。

图2 TTP与L的关系

图3 R125/R600a混合工质蒸发器TTP与L的关系

对套管式蒸发器内管内径d，我们按照8、10和12 mm分别进行计算，其他参数保持不变，初步分析蒸发器内管内径对其最优管长的影响，结果如图4所示。

图4 R125/R600a混合工质蒸发器在不同管径下TTP与L的关系

结果显示，混合工质蒸发器最优长度随管径的增大而增加。由此可见，小管径的蒸发器最优管长更小，结构更为紧凑，制造成本更低，而换热效率更高，制冷剂的流动摩擦阻力也会更小。

根据《制冷和空调设备名义工况一般规定》[12]，蒸发温度分为高温、中温、低温Ⅰ和低温Ⅱ 4种工况，本文分别考察了4种工况下，混合工质蒸发器TTP与L的关系，如图5所示。从图中可以看出，R125/R600a混合工质蒸发器的最优管长随着蒸发温度的增大而增大。我们知道，R125/R600a是小温度滑移工质，说明小温度滑移工质更适合低温工况，这对空调、冰箱、热泵系统选用工质和工况时具有非常重要的实际意义。

图5 蒸发温度对R125/R600a混合工质蒸发器最优管长的影响

4 蒸发器结构优化数据分析

基于Casson[13]模型以及上述建立的微元模型和数学模型，利用EES软件对混合工质蒸发器管长优化的仿真程序进行开发，其中工质的热力学参数调用REFPROP9.0得到。仿真模型整体程序算法流程见图6。图中:hri为制冷剂进口焓,J/g;hr0为制冷剂出口焓,J/g;q为热流密度;Ler为蒸发器管长,m;Δpev为蒸发器压降，kPa。

图6 仿真模型程序算法流程图

R125/R600a(10/90)混合工质蒸发器仿真模拟结果和理论模型相对比，见图7。其中q=10 kW/m2，d=8 mm，Ts=5 ℃。

从图7可以看出：仿真模型计算结果与理论模型结果变化趋势一致，TTP随着管长的增大先是减小，当到达一个最小值后，其值开始逐渐增大。最小TTP对应的管长即为最优管长，理论模型的最优管长，相对于仿真模型来说，相对误差为8.2%，在可允许范围内。另外，在管长相等时，仿真模型计算出TTP的值要更高些。

图7 蒸发器管长优化仿真模型和理论模型计算结果比较

蒸发器仿真模型结果证明，在优化管长方面，理论模型是一种简单而完善的准则，可优化混合工质套管式蒸发器的热性能。

5 结 论

基于传热和压降的耦合作用,本文建立了混合工质蒸发器结构优化的数学模型，并对混合工质R125/R600a蒸发器结构进行了计算分析，得到如下结论：

(1) 在压降和传热耦合作用下，R125/R600a混合工质蒸发器存在一最优管长，且最优长度随着管径的增大而增加，随着蒸发温度的增大，最优管长也呈现增大趋势。研究结果对该类混合工质蒸发器优化设计具有指导意义。

(2) TTP随着管长的增大而减小，当到达最小值后，其值开始逐渐增大。最小TTP对应的管长即为最优管长，理论模型的最优管长，相对于仿真模型来说，两种结果趋势一致，相对误差为8.2%。另外，在管长相等时，仿真模型计算出的总温惩罚因子TTP的值要更高些。

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Evaporator Structure Optimization of R125/R600a Binary Refrigerant Blends

WANGFang,FANXiao-wei,LIANZhi-wei,CHENJie,FUYi-ke

(School of Energy and Environment, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

In order to improve energy utilization efficiency, this paper attempts to establish a tube structure optimization model for R125/R600a based on the coupling of heat transfer and pressure drop. The effects of evaporating temperature, tube diameter on the optimal tube length have been analyzed, and the theoretical model is verified. The results show that, for the smaller tube diameter evaporator, the optimal tube length is smaller, the structure is more compact, the heat transfer efficiency is higher, the weight is lighter, and flow resistance of both the refrigerant side and the cooling medium side are smaller. The optimal tube length increases with the increasing of evaporating temperature. Considering the impact of evaporating temperature, the optimal tube length has important practical significance of condenser structural optimization in air conditioners, refrigerators and heat pump systems (in different operating conditions).

R125/R600a; evaporator; structure optimization

2015-12-31

国家自然科学基金项目(U1504501); 河南省高校青年骨干教师项目(2014GGJS-089)资助

王 方(1976-)，男，河南南阳人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：建筑能源新技术、热泵空调节能技术及LNG冷能利用技术。

Tel.:13838296191; E-mail:wfzzti@126.com

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1006-7167(2016)09-0020-04