低全球变暖潜能值制冷剂在喷射制冷系统板式换热器中的两相建模与性能评估

《Results in Engineering》：Two-phase modeling and performance evaluation of plate heat exchangers in ejector refrigeration systems with low-GWP refrigerants

本研究针对喷射制冷系统(ERS)中板式换热器(PHEs)的精确建模需求，开发了集成单相和两相流的分段数学模型，采用Muley和Amalfi经验关联式进行验证。研究评估了R134a、R152a、R600a及HFOs等低GWP制冷剂在不同板数下的热工水力性能，揭示了传热效率与压降的权衡关系，为低环境影响制冷系统的优化设计提供了重要依据。

　　

随着全球能源需求增长和环境问题日益突出，提高制冷空调系统的能效已成为紧迫任务。这些系统消耗了全球能源的显著份额，其性能优化对降低能耗和运行成本至关重要。在众多新兴解决方案中，采用可再生能源（尤其是太阳能）驱动的喷射制冷系统(ERS)展现出巨大潜力，既能降低运行成本，又可减少对传统化石燃料的依赖。在ERS中，换热器作为关键部件，用于热管理应用，包括制冷系统。板式换热器(PHEs)作为发生器、冷凝器和蒸发器，其性能直接影响整体系统效能。然而，尽管ERS和PHEs已被广泛研究，但大多数先前工作依赖于简化的换热器模型，往往忽略了两相流和相变现象的复杂性。特别是，在ERS应用中，制冷剂特性、流型转变和几何效应之间的耦合在PHEs中仍未得到充分探索，尤其是在使用低全球变暖潜能值(GWP)制冷剂时。

为了填补这一空白，本研究开发并验证了ERS中PHEs的分段两相模型，能够详细评估传统HFCs和新兴HFO制冷剂的热工水力权衡。该研究由Nguyen Van Vu等人完成，发表在《Results in Engineering》上。

研究人员采用Engineering Equation Solver (EES)开发了一维数学模型，将每个PHE离散为单相和两相段，使用Muley单相流和Amalfi相变过程的经验关联式以确保预测准确性。模型验证显示平均绝对百分比偏差低于15%。通过参数分析评估了板数对多种制冷剂（包括R134a、R152a、R600a、R1234yf、R1234ze(e)和R1233zd(e)）热工水力性能的影响。

关键技术方法包括：使用经验关联式（如Muley用于单相，Amalfi用于相变）进行热传递和压降计算；应用无量纲数（如Bond数(Bd)、Boiling数(Bo)和Weber数(We)）表征两相流；采用对数平均温差(LMTD)方法进行热分析；并基于几何参数（如板厚、波纹角度、水力直径）计算性能指标。

2.1. 热交换器模型假设

模型基于分段离散化、稳态条件、可忽略的热损失和恒定污垢阻力等假设，简化了控制方程同时保持预测精度。

2.2. 热交换器配置

研究考虑了U型和Z型单程流动布置，采用逆流配置和chevron型波纹板，以最大化热效能。使用不锈钢板，具体规格如表2所示。

2.3. 板式热交换器传热的数学模型

热交换器被分为液相、两相（蒸发或冷凝）区和气相区。表面增大因子(φ_pl)和水力直径(D_h)通过几何参数计算。单程配置下，通道数由板数决定。

2.3.1. 热传递分析方法

使用LMTD方法分别处理单相和两相区。单相传热采用Muley和Manglik关联式，两相传热采用Amalfi等人关联式，取决于Bond数区分微尺度和大尺度通道状态。总传热率由整体传热系数和LMTD定义。

2.3.2. 单相传热的相关性

层流和湍流状态下，Nusselt数和Fanning摩擦因子通过经验公式计算，考虑了波纹角度和流体性质。

2.3.3. 相变传热的Nusselt数相关性

使用等效Reynolds数解释相变过程中的流体性质变化。根据Bond数，微尺度和大尺度通道采用不同关联式预测Nusselt数。整体传热系数(U)结合了所有热阻。

2.4. 压降建模

总压降包括进出口端口损失和流道摩擦损失。使用Fanning摩擦因子(f)计算各区域压降，并应用Muley和Amalfi的摩擦因子关联式。

2.4.1. 端口压降

通过经验公式估算制冷剂侧端口压降，考虑端口直径和质量通量。

2.4.2. 通道压降

液相、两相和气相区的压降分别计算，总通道压降为三者之和。

2.4.3. 摩擦因子相关性

单相区使用Muley和Manglik关联式，两相区使用Amalfi等人关联式，考虑了波纹角度和表面增大因子。

2.5. 假设和边界条件

模型基于稳态操作、均匀流动分布、温度压力依赖的热物性、饱和条件、恒定污垢阻力等假设，忽略轴向热传导和辐射传热。

2.6. 评估和选择标准

性能通过热效能(ε)、整体传热系数(U)和比压降(ΔP/L)评估。板数在10到80之间，平衡热性能、水力损失和紧凑性。

3.1. 模型验证

模型验证显示与实验数据偏差在15%以内，确认了预测准确性。边界条件适应了太阳能驱动ERS的实际操作条件。

3.2. 各种制冷剂的传热性能

R1234yf、R1234ze(E)、R152a和R134a表现出优异的热效能。板数增加时，传热系数下降，效能改善减弱。R1233zd(E)性能最差。蒸发器中，R1234yf效能最高，但压降也最大。

3.3. PHEs中的压降

发生器压降随板数增加可忽略，蒸发器压降显著，影响ERS性能。R152a和R600a压降最低，R1234yf最高。板数约75时，热工水力性能达到平衡。

研究结论强调，没有单一制冷剂在所有方面均优，需权衡传热效率、压降和系统紧凑性。R1234yf虽热性能好，但高成本和可燃性需谨慎评估。增加板数可改善性能，但收益递减，建议通过增加每板有效传热面积优化。该模型为ERS应用中的制冷剂筛选和换热器尺寸设计提供了实用工具，突出了在环境可持续性和系统效率之间平衡的重要性。