超臨界二氧化碳套管換熱性能裝置研究*

王 迪

(上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200333)

0 引言

由于超臨界二氧化碳換熱器中，二氧化碳物性變化大，兩種流體的物性和熱力性質差異較大，換熱器的流動和換熱情況較復雜，因此超臨界二氧化碳換熱器的設計一直是研究領域內的熱點，其中對適用于超臨界二氧化碳的最佳換熱管形式是熱點中的重點，近些年來有許多學者進行了大量研究，研究了多種不同的換熱管，如三角管，方管，多孔介質等。在二氧化碳制冷或熱泵系統中，二氧化碳存在超臨界和亞臨界兩個過程，其中超臨界狀態的物性變化很大，換熱機理比較復雜，不能用一般換熱理論解釋換熱和流動的現象，在現有超臨界換熱器設計室往往參照一般換熱理論，從而換熱器的效率不高。通過對超臨界二氧化碳換熱管的研究就是為超臨界二氧化碳換熱器的設計提供理論基礎，有助于提升二氧化碳制冷和熱泵系統的整體性能，具有重要的學術意義和實用價值。

1 系統構架

本套管換熱器中，冷流體為水，熱流體為二氧化碳，在本裝置中包含4塊組成部分，如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳套管換熱性能構架圖

首先，主體是超臨界二氧化碳換熱管裝置，該裝置是針對本課題專門設計的，它可以安裝和拆卸多種換熱內管。其次，還有其他兩個裝置，它們分別是焓差計量室和跨臨界二氧化碳熱泵。其中，焓差計算室是為跨臨界二氧化碳熱泵和超臨界二氧化碳換熱管裝置提供穩定的各種工況的冷凍水系統，并進行計量。最后，本裝置的數據采集和記錄系統對以上三個裝置進行統一的數據采集和記錄，包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量計、數據采集儀和計算機等。

2 裝置基礎介紹

為了設計超臨界換熱管裝置，該裝置依托于現有的跨臨界二氧化碳熱泵和焓差計量器來完成。

2．1 跨臨界二氧化碳熱泵

跨臨界二氧化碳熱泵是本裝置的基礎，實現超臨界二氧化碳的制取和控制，該裝置主要有壓縮機、氣冷器、蒸發器、節流閥和水箱等構成。壓縮機為活塞式，排量3．5 m3/h，功率4 kW;氣冷器和蒸發器均為臥式殼管式換熱器;水箱容積為350 L。此外，裝置在氣冷器出口出安裝了套管式回熱器，在蒸發器出口安裝了氣液分離器，且節流閥采用了并聯的手動膨脹閥與電子膨脹閥。如圖2為跨臨界二氧化碳熱泵的原理圖。

圖2 跨臨界二氧化碳熱泵原理圖

2．2 焓差計量器

焓差計量器主要由兩大功能系統構成，一是獨立控制的室內外環境控制(空氣處理)系統，二是可控恒溫水系統。本裝置使用其中的可控恒溫水系統，為跨臨界二氧化碳熱泵提供相應工況的恒溫恒流水源。

3 超臨界二氧化碳套管換熱裝置

針對該裝置筆者專門設計了一套可拆卸的套管換熱管裝置，它由外管、進出口穩定段和段內管4部分組成。

在設計中，考慮裝置要具有以下幾個特點:

(1)耐壓性，在本裝置中二氧化碳流體為超臨界狀態，最高壓力達到10 MPa以上，但是為了獲得更好的換熱效果，仍然采用了耐壓性較差的銅管，因此本裝置的二氧化碳圓管壁厚選為1．5 mm，結果理論計算和實際經驗能夠滿足耐壓要求。

(2)可靈活裝配，因為本裝置室對集中不同內管的換熱管的換熱性能進行研究，如果每一種套管都是獨立的測量和換熱系統勢必造成浪費。所以綜合幾種套管換熱管的相同功能部分，筆者設計的裝置具備可裝配的功能。如圖3為超臨界二氧化碳換熱管裝置裝配圖，裝置共由穩定段內管，段外管和段內管三個模塊組成，內管流體為二氧化碳，內外管之間流體為水。裝配后，段內管套在段外管里，內管兩段與左右穩定段連接，穩定段內管和段內管用螺紋連接，并且在連接面上用四氟乙烯墊片進行密封。螺紋段外管水平兩端用橡膠塞密封，再用三爪卡口加固。橡皮塞塞在外管內，其中貫穿段內管。

圖3 超臨界二氧化碳換熱管裝置裝配圖

圖4 為裝置的段外管，總長為1 m，段外管可分為一個主管和兩個支管，其內徑均為35 mm，壁厚3 mm，材料為銅，其內走水，水上進上出，主管左右兩端為空，支管位于主管的兩端。水的進出口分別有溫度測點，其中溫度測點為鎧裝溫度傳感器，直接測量流體中心溫度。

圖4 測試裝置測試外管段示意圖

如圖5為穩定測量段示意圖，穩定段分為左右兩段，兩段結構和功能相同，內徑為10 mm，壁厚為1．5 mm，材料為銅，其內走二氧化碳。穩定段一端設有調節閥，控制二氧化碳流量，另一端為壓力和溫度測點，其中溫度測點為鎧裝溫度傳感器，直接測量流體中心溫度。穩定段兩段有螺紋連接件，分別與內管和裝置預留接口連接。

圖5 測試裝置穩定測量段示意圖

內管是都是由內直徑10 mm，壁厚1．5的銅圓管制成，本系統共設計了四種不同類型的內管，如圖6內管段示意圖所示，分別為:

(1)單直管，內徑為10 mm，長度1 000 mm。

(2)三直管，三角排列，橫截面上，直管圓心分別在邊長為13 mm的等邊三角形頂點上，直管內徑為10 mm，長1 000 mm，三根直管兩端焊接在一起，連接到內徑10 mm的連接段直管上。

(3)單螺旋管，螺旋線底面直徑22 mm，每圈高170 mm，共6圈，螺旋管內徑10 mm，軸長1 000 mm。

(4)雙螺旋管，有兩根相同的單螺旋管3組成，兩螺旋管兩端焊接在一起，連接到內徑10 mm的連接段上。

圖6 內管段示意圖

4 數據測量與采集

在本課題裝置中，跨臨界熱泵裝置和焓差室都具有原有的獨立的測量和采集系統，因此本節主要是介紹超臨界二氧化碳套管換熱裝置的測量和采集系統。在套管換熱裝置中，有三個參數的測量和采集，分別為溫度、壓力和流量。

4．1 溫度的測量

在本裝置中，溫度是最主要的參數，換熱效果的評價指標都是有冷熱流體的進出口溫度計算得出。在套管測試裝置四個溫度測點均采用了鎧裝鉑電阻，在鎧裝的表面有外螺紋，如圖7所示。在測量管道的溫度測量點焊接有內插管，直接深入到測量管中心，在內插管的內部有內螺紋，測量時，鎧裝鉑電阻旋入內插管內。鎧裝鉑電阻內鉑電阻類型為PT100，測量方式為三線制，測量精度為±0．3℃。三線制鉑電阻原理如圖8。

圖7 鎧裝三線制鉑電阻

圖8 三線制鉑電阻原理圖

圖8 中，鉑電阻有a、b、c三個接頭，測量儀表為鉑電阻提供恒流源并通過測量鉑電阻兩端電壓確定被測溫度。PT100在0℃時電阻R0為100Ω，α=0．00385，溫度和電阻近似成線性關系，如式(1):

4．2 壓力的測量

在超臨界狀態，壓力是獨立于溫度的參數，其對換熱具有獨立的影響，特別是在臨界點附近，二氧化碳的物性隨壓力的變化十分劇烈，因此在本裝置中，在二氧化碳的進出口設置了兩個壓力測點。壓力傳感器是采用了日本鷺宮的HSK-S054型二氧化碳專用高壓傳感器，如圖9所示。壓力傳感器測量壓力范圍0～15 MPa，測量誤差±2．5%，工作溫度-30 ℃至100℃，輸出信號0．5～4．5 V電壓，輸出電壓與壓力近似成線性關系，如圖 10 為壓力傳感器特性曲線所示。

圖9 二氧化碳專用壓力傳感器

圖10 壓力傳感器特性曲線

4．3 流量的測量

本裝置中需要測量的流量為水流量和二氧化碳流量。水流量計選用了最常用的容積式水流量計，沒有設置采集系統，采用人工讀取的方式。

圖11 二氧化碳流量校核程序前面板

在本裝置中的難點是二氧化碳流量的測量，一方面二氧化碳處于超臨界狀態，壓力最高達到10 MPa以上，溫度100℃以上，這對流量耐壓耐溫的流量很高;另一方面套管測試裝置是并聯在二氧化碳熱泵氣冷器上，套管內二氧化碳的流量很小，這對流量計的量程和精度要求很高。目前市場上還沒有能滿足這兩方面的流量計。也考慮過定制壓差式流量計，但因為耐高壓的差壓傳感器采購費用過于昂貴。最后采用了熱量校核的方式計算二氧化碳流量，并編寫了采集計算程序，如圖11為程序前面板。程序首先輸入水流量，然后采集水進出口溫度，二氧化碳進出口溫度和壓力，再通過熱平衡計算出二氧化碳流量。

4．4 數據采集

本裝置中使用的數據采集裝置是安捷倫數據采集儀Agilent34970A，如圖12所示。一個Agilent采集儀可以采集三個模塊。每個模塊上有22個通道，除去兩個保險絲通道，可采集20組參數。在本裝置中四個溫度傳感器是三線制，而Agilent不能設置三線制鉑電阻的通道，因此本裝置用四線制通道的設置方式來代替，這樣每個鉑電阻要使用2個通道，即四個觸點。本裝置的各模塊通道的設置可見圖13模塊通道設置表。本裝置的采集軟件采用的是安捷倫自帶的Benchlink Data Logger II。

圖12 Agilent數據采集儀及采集模塊

圖13 Agilent采集模塊通道設置表

5 裝置步驟與內容

5．1 裝置步驟

本次裝置可分為下面幾個步驟:

(1)傳感器標定

首先是對裝置中的溫度和壓力傳感器進行標定。溫度傳感器采用冰域法進行標定，壓力傳感器利用上海理工大學建筑環境與設備工程裝置室的活塞式壓力計進行標定。

(2)安裝套管測試裝置

本裝置在原有的跨臨界二氧化碳裝置上的基礎上進行了改裝。本裝置在原有氣體冷卻器的基礎上并聯上了套管換熱測試裝置，如圖14所示。在裝置中焓差室的恒溫水分成兩路，一路用于加熱蒸發器，另一路作為套管換熱裝置的水流，如圖14所示，這樣可以通過調整焓差室恒溫水參數來達到裝置所需的水流工況。氣冷器的冷卻水由保溫水箱提供。

圖14 裝置原理圖

(3)跨臨界二氧化碳熱泵裝置調試

這一過程包括抽真空、充氣、保壓、試運行等一系列步驟，這部分不是本文的重點，由于篇幅限制不多做介紹。

(4)裝置的運行

①打開裝置室總電源，開啟電腦，記錄日期時間，裝置人員及環境參數等。

②關閉恒溫水箱排水閥，打開進水閥，為恒溫水箱蓄水。

③打開焓差室恒溫水系統，設定供水溫度和流量，等待水流參數穩定。

④水箱蓄滿后關閉進水閥，打開水箱循環水泵，調節水泵變頻器是水流達到額定工況。

⑤打開數據采集軟件，開始記錄裝置數據，開啟壓縮機，觀察熱泵高低壓變化，手動控制電子膨脹閥控制器，調節電子膨脹閥開度，使超臨界二氧化碳達到工況所需壓力。待系統穩定后，記錄時間。電子膨脹閥開度分為480檔，在必要時可通過啟用普通手動閥輔助調節，若二氧化碳壓力仍不能達到工況要求，則可通過充注和排泄二氧化碳其他的方式調節。

⑥系統穩定運行一段時間后，保存裝置數據，關閉壓縮機，5～10 min后關閉水箱水泵和焓差室恒溫水系統。

⑦打開水箱排水閥排水，待排完水后關閉排水閥打開進水閥蓄水，換工況重復上訴步驟。

⑧完成各個工況后，關閉電腦，關閉裝置室電源。

5．2 裝置的運行工況

本裝置的運行工況如表1所列，分別對單直管、三直管、單螺旋、雙螺旋四種內管的套管進行裝置。筆者研究的超臨界二氧化碳套管換熱性能主要是用于跨臨界二氧化碳熱水器服務，因此本裝置的工況主要是參考國家標準GB/T 23137-2008《家用和類似用途熱泵熱水器》提供的熱泵熱水器的試驗工況，如進水溫度主要定為9℃、15℃、29℃三個溫度，水溫誤差控制在±0．5℃以內。此外考慮到壓力對超臨界流體換熱的特殊影響，本裝置還將測試壓力分為8 MPa、9 MPa、10 MPa三組工況，壓力波動范圍控制在±3%以內。

表1 裝置方案運行工況

6 結語

雖然跨臨界二氧化碳循環已經在局部地區得到應用，但是根據調查，二氧化碳熱泵和制冷設備還存在很多弊端或是不足，它們在發達國家能如此迅速推廣，更多是因為其對環境保護的巨大貢獻，就其本身的能效和安全性能，尤其是二氧化碳換熱特性方面，國際上還沒有一套權威和成熟的研究理論，二氧化碳的換熱效率也相對偏低。在我國，對二氧化碳制冷劑的研究還處于初級階段，研究的團隊不少，但是大多數都是對二氧化碳設備的整體研究，對二氧化碳換熱管的研究不多，因此本文的成果對該方面的研究具有比較重要的參考價值。

［1］ 楊 亮，丁國良，黃冬平，等．超臨界二氧化碳流動和換熱研究進展［J］．制冷學報，2003(2):51-56．

［2］ 楊 亮，丁國良，黃冬平，等．亞臨界二氧化碳換熱特性研究進展［J］．制冷學報，2003(4):28-34．

［3］ 徐軼君，姜培學．豎直細圓管中超臨界CO2對流換熱實驗研究［J］．工程熱物理學報，2004，25(增刊):87-90．

［4］ 張 宇，姜培學，石潤富，鄧建強．豎直圓管中超臨界壓力對流換熱實驗研究［J］．工程熱物理學報，2006，27(3):280-282．