（制冷及低温工程专业论文）超临界二氧化碳水平管内对流换热特性的实验研究.pdf

中 文 摘 要 摘要 从跨临界二氧化碳循环理论的提出到现在只有十几年的时间， 但其一直都是 国内外自 然工质研究的重点和热点。 许多理论和实验研究都表明 跨临界二氧化碳 制冷循环有广阔的前景， 同时也存在一些尚 需解决的问 题。 本文以 超临界二氧化 碳为研究对象， 对其在水平管内与水的逆流换热特性做了 研究。 主要研究内 容有 以下几个方面: 1 ，分析了影响超临界二氧化碳换热的主要因素，包括压力、质量流量、流体流 动方向、 管径和浮升力、 润滑油、 热流密度等参数的影响。 并对以上的影响因素 作了深入的分析， 认为影响超临界二氧化碳换热特性的主要因素可以归结为比热 和流动边界层内物性的变化。 2 .设计并研制了超临界二氧化碳换热特性实验台， 解决了高压下管内测温和密 封问题。 3 .对超临界二氧化碳在水平不锈钢管内冷却换热进行了实验研究，探讨了压 力、 入口温度、 质量通量密度和冷却水质量通量密度对换热性能特性和压降的影 目 向 。 通过实验研究， 得出了 超临界二氧化碳换热过程中换热量、平均换热系数、 局部换热系数和压降的特性和变化规律。 并利用实验数据对4 个考虑不同影响因 素的经验关联式进行了验证， 找出了适合本实验条件的关联式。 本文的研究为以 后对超临界二氧化碳的深入研究提供了理论依据。 关键词:自 然工质二氧化碳超临界对流换热压降 ab s t r a c t ab s t r a c t t h e i n t e r e s t in t h e t r a n s c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e c y c l e h a s g r e a t l y i n c r e a s e d a m o n g n a t u r a l r e f r i g e r a n t s i n t h e w o r l d s i n c e t h e a p p e a r a n c e o f i t . l o t s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e s h a v e p r o v e d t h a t t h e t r a n s c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e c y c l e h a s a w i d e l y f u t u r e , b u t a l s o h a v e s o m e d i ff i c u l t i e s t o c o n q u e r . t h i s s t u d y p r i n c i p a l ly p r o b e s i n t o t h e h e a t t r a n s f e r o f s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e fl o w i n g i n h o r i z o n t a l c i r c u l a r t u b e c o o l e d妙 w a t e r . t h e m a j o r a c c o m p l i s h m e n t s a r e s u m m a r i z e d a s f o l l o ws : 1 . t h e m a i n e ff e c t s t o s u p e r c r it i c a l c a r b o n d io x i d e h e a t t r a n s f e r a r e a n a l y z e d , in c l u d i n g p r e s s u r e , m a s s fl u x , fl o w d i r e c t io n , d i a m e t e r a n d b u o y a n c y , l u b r ic a t i n g o i l , h e a t fl u x e ff e c t f a c t o r s a n d s o o n . t h e d e e p e r a n a l y s i s o f e ff e c t f a c t o r s o f h e a t t r a n s f e r i s s u m m e d u p t h a t s p e c i f i c h e a t a n d t h e t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c a r b o n d i o x i d e i n b o u n d a ry l a y e r c a u s e d t h e d r a m a t i c a l l y c h a n g e o f h e a t t r a n s f e r . 2 . s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e e x p e r i m e n t a p p a r a t u s i s d e s i g n e d a n d b u i lt . t h e e n c a p s u l a t i o n p r o b l e m a n d m e a s u re m e n t o f t e m p e r a t u r e f o r h i g h p r e s s u r e a re s o l v e d . 3 . t h e e x p e r i m e n t a l o f s u p e r c r it ic a l c a r b o n d i o x i d e fl o w i n g i n h o r i z o n t a l c i r c u l a r t u b e c o o l e d b y w a t e r i s s t u d i e d . t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d l a w s o f h e a t t r a n s f e r r a t e , m e a n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t , l o c a l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t a n d p r e s s u r e d r o p o f s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d i o x i d e c o n v e c t i o n a r e c o n c l u d e d f r o m t h e e x p e r i m e n t s t u d y . e x p e r i m e n t a l r e s u lt s a r e c o m p a re d w i t h f o u r d i ff e r e n t c o r r e l a t io n s w h i c h c o n t a i n d i ff e r e n t e ff e c t f a c t o r s o f s u p e r c r i t i c a l c a r b o n d io x id e h e a t t r a n s f e r . f i n a l l y , t h e s u i t a b le c o r r e la t i o n i s r e c o m m e n d e d f o r t h i s p a p e r s e x p e r i m e n t a l c o n d i t io n s . k e y w o r d s : n a t u r a l r e f ri g e r a n t , c a r b o n d i o x i d e , s u p e r c r i t i c a l , c o n v e c t i o n h e a t t r a n s f e r , p r e s s u r e d r o p , c o r r e l a t i o n 1 1 第一章 绪 论 第一章绪 论 1 . 1 课题研究背景和意义 由于全球气温变暖、气候异常等环境问题日 益严重，环保和节能成为目 前 整个国际社会的一个重大而紧迫的课题。近几十年来，由于大量使用 c f c s 和 h c f c s 制冷工质，造成大气层臭氧空洞的危害，己 被人们广泛认识。 因此， 寻 找新的对环境无害的合适的工质，以及新工质的替代性能研究是目 前人们尤其 是制冷空调领域业内人士关注的一个热点。 早在1 9 世纪末2 0 世纪3 0 年代前，自 然工质c 0 2 在制冷系统，尤其是船 用 制 冷 系 统中 ， 得 到 广 泛的 应 用 0 1 8 5 0 年 美国 人a l e x a n d e r t w i n i n g 提出 在 蒸 汽压缩系统中 采用c 0 2 作为制冷剂， 并获英国 专利12 1 。 随 后， t h a d d e u s s c l o w e 在对军事气球用c 0 2 做实验过程中， 证实了c o : 作为制冷剂的可能性， 获得第 一次成功使用 c o : 应用于商业的机会，并于 1 8 6 7年获得英国专利;1 8 6 9年 t h a d d e u s s c l o w e 在美国密西西比里制造了一台 制冰机， 还设计了一种置于船 上的 机 器， 用 于 在 墨 西哥 港 运 送冷 冻肉 q 1 8 8 2 年c a r l v o n l i n d e 为 德国 埃森 的 f k r u p p 公司 设 计 和开 发了 采用c o : 作为 工 质的 制冷 机。1 8 8 4 年w r a y d t 设 计 了c 0 2 压缩制冰系统，并获得英国专利。同 年， 澳大利亚的j h a r r i s o n 设计了 一台 用于 制冷的 c 仇装置， 获得了 英国 专利 。1 8 8 6 年， 德国 工程 师 f r a n z w i n d h a u s e n 设计出了c 0 2 专用压缩机，从而使c 0 2 制冷系统得到广泛的应用， 尤其是在船舶上用于食品的冷冻3 1 a 1 9 世纪9 0 年代美国开始将c 0 2 应用于制 冷。 1 8 9 7 年k r o e s c h e l l b r o s 锅炉公司 在芝加哥成立了 分公司， 生产c 0 2 制冷压 缩机、冷凝器、水和盐水冷却器、高压 c 0 2 和冷藏系统的阀门及零件，称为 k r o e s c h e l l b r o s 制冰机械公司4 1 e c 0 2 用于空调机相对较晚。 1 9 1 9 年前后， c 0 2 制冷压缩机才被广泛应用在舒适性空调中。 例如1 9 1 9 年在剧院和百货商店的 空 调系统中得到应用; 1 9 2 0 年在教堂的空调系统中得到应用; 1 9 2 5 年用于空气调 节; 1 9 2 7 年在办公室的空调系统中得到使用; 1 9 3 0 年在住宅的空调系统中得到 使用; 后来又被用于各种商 业建 筑和公共设 施的空调制冷系统4 1 在2 0 世纪初，二氧化碳制冷系统获得了飞快的发展，到 1 9 3 0 年达到了很 辉煌的程度。 据统计1 9 3 0 年， 8 0 %的船舶采用c 0 2 制冷系统 ( 其余的2 0 % 为 氨制冷系统) s 7 。 但由 于c o : 的临界温度较低( 3 1 . 1 0 c ) ， 当 环境的 温度稍高时， 第一章 绪 论 第一章绪 论 1 . 1 课题研究背景和意义 由于全球气温变暖、气候异常等环境问题日 益严重，环保和节能成为目 前 整个国际社会的一个重大而紧迫的课题。近几十年来，由于大量使用 c f c s 和 h c f c s 制冷工质，造成大气层臭氧空洞的危害，己 被人们广泛认识。 因此， 寻 找新的对环境无害的合适的工质，以及新工质的替代性能研究是目 前人们尤其 是制冷空调领域业内人士关注的一个热点。 早在1 9 世纪末2 0 世纪3 0 年代前，自 然工质c 0 2 在制冷系统，尤其是船 用 制 冷 系 统中 ， 得 到 广 泛的 应 用 0 1 8 5 0 年 美国 人a l e x a n d e r t w i n i n g 提出 在 蒸 汽压缩系统中 采用c 0 2 作为制冷剂， 并获英国 专利12 1 。 随 后， t h a d d e u s s c l o w e 在对军事气球用c 0 2 做实验过程中， 证实了c o : 作为制冷剂的可能性， 获得第 一次成功使用 c o : 应用于商业的机会，并于 1 8 6 7年获得英国专利;1 8 6 9年 t h a d d e u s s c l o w e 在美国密西西比里制造了一台 制冰机， 还设计了一种置于船 上的 机 器， 用 于 在 墨 西哥 港 运 送冷 冻肉 q 1 8 8 2 年c a r l v o n l i n d e 为 德国 埃森 的 f k r u p p 公司 设 计 和开 发了 采用c o : 作为 工 质的 制冷 机。1 8 8 4 年w r a y d t 设 计 了c 0 2 压缩制冰系统，并获得英国专利。同 年， 澳大利亚的j h a r r i s o n 设计了 一台 用于 制冷的 c 仇装置， 获得了 英国 专利 。1 8 8 6 年， 德国 工程 师 f r a n z w i n d h a u s e n 设计出了c 0 2 专用压缩机，从而使c 0 2 制冷系统得到广泛的应用， 尤其是在船舶上用于食品的冷冻3 1 a 1 9 世纪9 0 年代美国开始将c 0 2 应用于制 冷。 1 8 9 7 年k r o e s c h e l l b r o s 锅炉公司 在芝加哥成立了 分公司， 生产c 0 2 制冷压 缩机、冷凝器、水和盐水冷却器、高压 c 0 2 和冷藏系统的阀门及零件，称为 k r o e s c h e l l b r o s 制冰机械公司4 1 e c 0 2 用于空调机相对较晚。 1 9 1 9 年前后， c 0 2 制冷压缩机才被广泛应用在舒适性空调中。 例如1 9 1 9 年在剧院和百货商店的 空 调系统中得到应用; 1 9 2 0 年在教堂的空调系统中得到应用; 1 9 2 5 年用于空气调 节; 1 9 2 7 年在办公室的空调系统中得到使用; 1 9 3 0 年在住宅的空调系统中得到 使用; 后来又被用于各种商 业建 筑和公共设 施的空调制冷系统4 1 在2 0 世纪初，二氧化碳制冷系统获得了飞快的发展，到 1 9 3 0 年达到了很 辉煌的程度。 据统计1 9 3 0 年， 8 0 %的船舶采用c 0 2 制冷系统 ( 其余的2 0 % 为 氨制冷系统) s 7 。 但由 于c o : 的临界温度较低( 3 1 . 1 0 c ) ， 当 环境的 温度稍高时， 第一章绪 论 循 环系 统 的 制 冷能 力 急 剧 下降 ， 功 耗 增 大， 系 统 性能 和 经 济 性很 差 6 1 7 1 2 0 世纪三四十年代， c f c s 和h c f c s 制冷剂出 现， 并由于它在系统性能和 经济性上的优势，以及经广泛测试后 “ 安全无毒性”的优点，迅速占领了大部 分 市场 b l9 1 。 但随 后的5 0 年的 使用， 足 够多 的 证 据却 表明 ， 所谓的“ 安 全 无 毒 性”是错误的:一方面，在一些特定的空间， 有人因c f c s 或h c f c s 而窒息死 亡， 其 他人还 受到其 分离 物的 毒害 1 0 1 ; 另 一 方 面， c f c s 和h c f c s 的 排 放 破坏 大气臭氧层，造成大气变暖，对全球环境有不利影响。1 9 8 7 年的 蒙特利尔议 定书 对c f c s 和h c f c s 制冷工质的全面禁用。 1 9 9 1 年6 月， 我国在修改的 蒙 特利尔议定书上签字， 成为缔约国 之一4 继c f c ， 和h c f c s 之后，人们又研发了h f c类工质。因为h f c类工质对 于臭氧层没有破坏力，成为替代c f c s 的重要工质， 如今r 1 3 4 a已 被大规模生 产与应用。 h f c s 虽然不破坏臭氧层， 但它们化学性稳定， 释放后能够积累， 这 最终导致明显的温室效应。虽然人们可以努力合成性能更佳的工质，但由于制 冷剂的使用量非常大，最终将不可避免地有相当部分泄漏到大气中去。任何大 量人工合成物质排放到自 然界中，都会对于环境造成影响，因此现在一种普遍 的观点是采用自 然工质。 上世纪9 0 年代初， 前国际制冷学会主席， 挪威的 l o r e n t z e n 大力提倡使用 自 然工质 解决日 益严重的 环境问 题 d p 1 2 1 ， 特别 是 对于c o : 的 研究 和推 广 做出 了 很大贡献;提出了跨临界二氧化碳理论;并试制了世界上第一台c 0 2 跨临界循 环轿 车空 调 系 统样机 3 9 1 2 1 。 从 此c q制 冷 装置的 研究与 应用又一 次成 为 全 球 重 视 的 热 点 13 c 0 2 作为制冷剂具有许多不可替代的优点: 1 )对环境友好。 c 0 2 是自 然界天然存在的 物质， 其对大气臭 氧层破坏的 潜能为零( o d p = 0 ) , 可以 从根本上解决对环境污染的问 题;其温室潜能极小 ( g wp =1 ) ，是r i 3 4 a 的和r 2 2 的千分之一。随着制冷空调设备数量的增加，对各种制冷工质的需要 量逐年上升，制冷工质泄漏的可能性和泄漏量也越来越大。所以，选择对人类 自 身生存环境无破坏作用的自 然工质c 0 2 是有利于环保和安全的。 2 )安全性好。 c o : 具有无毒、不可燃和无嗅的 特点，即使在高温下也不分解产生有害气 体。并且，因为c o : 是碳的最高氧化状态， 具有非常稳定的化学性质。 c o : 与 水混合时呈弱酸性，可腐蚀碳钢等普通金属，但不腐蚀不锈钢和铜类金属。当 输送的c o : 比 较干燥 ( 含水率小于8 p p m ) 时， 采用普通的 碳素钢即 可。 3 )来源广泛，价格低廉。 第一章绪 论 可直接由工业废气中提取，不增加环境负担。维护成本低，无需回收或再 生:操作与运行的费用也较低。 4 )单位容积制冷量大。 c 0 2 制冷机的工作压力较高，因此其压缩机吸气比容较小， 单位容积制冷量 大( 高 达 2 2 .6 m j / m 3 ) ， 约为 传统 制 冷 剂的 5 - 8 倍 1 4 1 。 同 时 c 0 2 优良 的 流 动 和 传热 特性， 可显著减小压缩机与系统的尺寸， 使整个系统非常紧凑， 而且运行维护也比 较简单， 具有良 好的经济性能。 5 )压l l 小。 虽然二氧化碳压缩机的排气压力大， 在l l mp a 甚至更高， 但吸气压力与常 规制冷循环相比大了很多，使得压比小， 压缩机的容积效率较高。 6 )环境性适应好。 跨临界二氧化碳循环的排热过程是在超临界工况下进行的， 使得整个放热过 程 没有 相 变 现象的 产生。 压缩机的 排 气 温 度较高 ( 可 达1 0 0 以 上 ) ， 并 且 放热 过程 为变温过程，有较大的温度滑移， 因此比较适合汽车空调这种恶劣的工作环境。 c 0 2 制冷机的研究在国内外日益广泛和深入，考虑到c 0 2 的临界温度接近环 境温度，为了提高其系统性能和经济性，可以实现三种循环:a )亚临界制冷循 环( s u b e r i t i c a l c y c l e ) ; b )跨临界 制冷循环( t r a n s c r i t i c a l c y c l e ) ; 。 ) 超临界循环 ( h y p e r c r it ic a l c y c l e ) 。 在研究的 c 0 2 汽车空调中， 基本上都是采用跨临界制冷循 环方式。 跨临界c 0 2 制冷机研制以及其性能的研究，在国内外都是一个新点和热 点。 美国、 德国、日本、 挪威、丹麦等国家的一些研究机构、高等院校和公司企 业， 对已经开发的汽车空调系统中的压缩机样机和各种热交换器进行了大量的理 论与实验研究。到目 前为止， 各种专用的c 0 2 压缩机已 经研制成功，为 适用不同 场合的要求，也正在对高效热交换器 ( 蒸发器、冷凝器和回热器) 、 泵、阀门以 及膨胀机构等进行研究和开发。国内的 研究目 前大多是资 料介绍和原理分析 1 s - 2 1 1 ， 采用实 验研究， 建立相应的实 验装置， 对c 0 2 制冷机零部件、 换热设 备进行 换热分析和可靠性分析的研究还很少。 1 .2 国内外研究状况 1 .2 . 1 国外研究状况 1 .2 . 1 . 1 单管的数值模拟和实验研究 美国国家标准技术研究所n i s t 对超临界c 0 2 在内径为1 0 .9 m m 的水平管内 流动的 换热进行了 实验研究2 2 1 。 实 验表明 换热系数随质量通量密度的 增加而增加， 第一章绪 论 可直接由工业废气中提取，不增加环境负担。维护成本低，无需回收或再 生:操作与运行的费用也较低。 4 )单位容积制冷量大。 c 0 2 制冷机的工作压力较高，因此其压缩机吸气比容较小， 单位容积制冷量 大( 高 达 2 2 .6 m j / m 3 ) ， 约为 传统 制 冷 剂的 5 - 8 倍 1 4 1 。 同 时 c 0 2 优良 的 流 动 和 传热 特性， 可显著减小压缩机与系统的尺寸， 使整个系统非常紧凑， 而且运行维护也比 较简单， 具有良 好的经济性能。 5 )压l l 小。 虽然二氧化碳压缩机的排气压力大， 在l l mp a 甚至更高， 但吸气压力与常 规制冷循环相比大了很多，使得压比小， 压缩机的容积效率较高。 6 )环境性适应好。 跨临界二氧化碳循环的排热过程是在超临界工况下进行的， 使得整个放热过 程 没有 相 变 现象的 产生。 压缩机的 排 气 温 度较高 ( 可 达1 0 0 以 上 ) ， 并 且 放热 过程 为变温过程，有较大的温度滑移， 因此比较适合汽车空调这种恶劣的工作环境。 c 0 2 制冷机的研究在国内外日益广泛和深入，考虑到c 0 2 的临界温度接近环 境温度，为了提高其系统性能和经济性，可以实现三种循环:a )亚临界制冷循 环( s u b e r i t i c a l c y c l e ) ; b )跨临界 制冷循环( t r a n s c r i t i c a l c y c l e ) ; 。 ) 超临界循环 ( h y p e r c r it ic a l c y c l e ) 。 在研究的 c 0 2 汽车空调中， 基本上都是采用跨临界制冷循 环方式。 跨临界c 0 2 制冷机研制以及其性能的研究，在国内外都是一个新点和热 点。 美国、 德国、日本、 挪威、丹麦等国家的一些研究机构、高等院校和公司企 业， 对已经开发的汽车空调系统中的压缩机样机和各种热交换器进行了大量的理 论与实验研究。到目 前为止， 各种专用的c 0 2 压缩机已 经研制成功，为 适用不同 场合的要求，也正在对高效热交换器 ( 蒸发器、冷凝器和回热器) 、 泵、阀门以 及膨胀机构等进行研究和开发。国内的 研究目 前大多是资 料介绍和原理分析 1 s - 2 1 1 ， 采用实 验研究， 建立相应的实 验装置， 对c 0 2 制冷机零部件、 换热设 备进行 换热分析和可靠性分析的研究还很少。 1 .2 国内外研究状况 1 .2 . 1 国外研究状况 1 .2 . 1 . 1 单管的数值模拟和实验研究 美国国家标准技术研究所n i s t 对超临界c 0 2 在内径为1 0 .9 m m 的水平管内 流动的 换热进行了 实验研究2 2 1 。 实 验表明 换热系数随质量通量密度的 增加而增加， 第一章绪 论 可直接由工业废气中提取，不增加环境负担。维护成本低，无需回收或再 生:操作与运行的费用也较低。 4 )单位容积制冷量大。 c 0 2 制冷机的工作压力较高，因此其压缩机吸气比容较小， 单位容积制冷量 大( 高 达 2 2 .6 m j / m 3 ) ， 约为 传统 制 冷 剂的 5 - 8 倍 1 4 1 。 同 时 c 0 2 优良 的 流 动 和 传热 特性， 可显著减小压缩机与系统的尺寸， 使整个系统非常紧凑， 而且运行维护也比 较简单， 具有良 好的经济性能。 5 )压l l 小。 虽然二氧化碳压缩机的排气压力大， 在l l mp a 甚至更高， 但吸气压力与常 规制冷循环相比大了很多，使得压比小， 压缩机的容积效率较高。 6 )环境性适应好。 跨临界二氧化碳循环的排热过程是在超临界工况下进行的， 使得整个放热过 程 没有 相 变 现象的 产生。 压缩机的 排 气 温 度较高 ( 可 达1 0 0 以 上 ) ， 并 且 放热 过程 为变温过程，有较大的温度滑移， 因此比较适合汽车空调这种恶劣的工作环境。 c 0 2 制冷机的研究在国内外日益广泛和深入，考虑到c 0 2 的临界温度接近环 境温度，为了提高其系统性能和经济性，可以实现三种循环:a )亚临界制冷循 环( s u b e r i t i c a l c y c l e ) ; b )跨临界 制冷循环( t r a n s c r i t i c a l c y c l e ) ; 。 ) 超临界循环 ( h y p e r c r it ic a l c y c l e ) 。 在研究的 c 0 2 汽车空调中， 基本上都是采用跨临界制冷循 环方式。 跨临界c 0 2 制冷机研制以及其性能的研究，在国内外都是一个新点和热 点。 美国、 德国、日本、 挪威、丹麦等国家的一些研究机构、高等院校和公司企 业， 对已经开发的汽车空调系统中的压缩机样机和各种热交换器进行了大量的理 论与实验研究。到目 前为止， 各种专用的c 0 2 压缩机已 经研制成功，为 适用不同 场合的要求，也正在对高效热交换器 ( 蒸发器、冷凝器和回热器) 、 泵、阀门以 及膨胀机构等进行研究和开发。国内的 研究目 前大多是资 料介绍和原理分析 1 s - 2 1 1 ， 采用实 验研究， 建立相应的实 验装置， 对c 0 2 制冷机零部件、 换热设 备进行 换热分析和可靠性分析的研究还很少。 1 .2 国内外研究状况 1 .2 . 1 国外研究状况 1 .2 . 1 . 1 单管的数值模拟和实验研究 美国国家标准技术研究所n i s t 对超临界c 0 2 在内径为1 0 .9 m m 的水平管内 流动的 换热进行了 实验研究2 2 1 。 实 验表明 换热系数随质量通量密度的 增加而增加， 第一章绪 论 但当 c 仇进出口 平均温度高 于 c o t 准临界温度时 ， 换热系 数会有所下降。 当 压力降 低时， 换热系数会增加。 在低压情况下， 如果热流密度增加换热系数会急剧减小。 超临界c 0 2 冷却换热系数比一般的关系式预测的值大， 也比超临界加热的情况下 换热系数大。在高质量通量密度、压力接近临界压力， 温度接近准临界温度时， 换热系数达到最大值。 s h i r a l k a r 和 g r i ff i t h在 超临界c o : 实 验中 发 现12 3 1 : 在较小管 径 ( 0 . 3 2 c m , 0 .6 4 c m )中不论向上流动或向 下流动都会产生温度曲 线的恶化，而在 s h i t s m a n 等人较大管径的实验中，发现仅在向上流动时才产生传热恶化。由于小管径时 雷诺数比较大，传热应该会增强，但壁温的异常现象，表明了在自 然对流影响 很小的小管中，还存在其它不受管子方向影响的因素导致传热的局部恶化。 s .m .l i a o 在对细管的 加热实 验中也发现了同 样的 现象2 4 1 日 本的m a s a fi u n i k a t s u ta 和h i r o m it u k i n p a r a 等研究了c 0 2 制冷循环中油污 染对蒸发换热性能的影响， 并对c 0 2 和r 1 3 4 a 两种工质在有油污染情况下的换 热和压降进行对比;通过实验研究了一直径为 4 .5 9 m m的不锈钢管内，有油污 染的c 0 2 工质的换热和流动特性，得到了一个换热和压降的经验关联式，通过 关 联式 计 算的 换热 量 和压降 的 误差 分别为2 0 % 和3 0 % 2 1 1 0 日 本本田 汽车公司和福冈 大学合作， 对水平细管内c o : 的 沸腾换热进行实 验 研究 2 6 1 。 他们建 立了 一 个c 伍热 泵实 验装置， 包括一 个 两 级 压 缩机、 一 个油 分离器、一个空气冷却器、三个膨胀阀和两个换热器等;以实验装置中一根内 径为3 m m 、长为2 . 1 8 5 m的水平光滑不锈钢管为研究对象， 对管内c 0 2 的沸腾 换热特性进行了实验研究， 得出管内c 0 2 沸腾换热系数与饱和温度有关的结论: 当饱和温度较高时， c o : 沸腾换热系数与干度成反比，而当饱和温度较低时， c 0 2 沸腾换热系数与干度成正比; 同时对油污染特性也进行了 研究， 发现当c 仇 工质中润滑油浓度超过l w t %时， 与不含油的情况相比， 换热系数将下降5 0 %a 英国的k w a n g - 1 1 c h o i 和a . s . p a m it r a n 等采用实 验研究的 方法， 预测了c 0 2 流 体管内 沸 腾换 热系 数 2 7 1 。 他 们 采用内 径分 别为1 .5 m m和3 .o m m ， 长度分别为 2 m和3 m的两根水平光滑细管，在不同质流量和热流量的情况下， 研究了c 仇 管内 沸腾换热系数; 并在资 料 2 8 中c h e n , j . c .提出 的关联式的 基础上， 利用实 验测试的9 7 3 个数据点， 得到了一个新的经验关联式; 经检测新关联式预测c 0 2 管内沸腾换热系数的误差缩小为 1 0 ,2 1 %，平均误差缩小为 一 4 . 7 0 %. 第一章绪 论 韩国的y c h e o l c h o i 等通过实验研究了 超临界系统中水平管内c 0 2 换热和 压降的 特性2 9 1 ， 并 采 用实 验数 据对己 有的 换 热经 验 关 联式 3 0 - 3 2 1 进 行了 讨 论和比 较。 s h in - y o u n g k a n g 3 3 1等 也 对 水 平 光 滑 管内c 0 2 蒸 发 换 热 特 性 进 行实 验 研究， 得出管内c 0 2 蒸发换热系数随热流量和进口 温度的增高而升高，但质量通量密 度不对管内c 0 2 蒸发换热系数产生影响等结论。 1 .2 . 1 .2换热器的数值模拟和实验研究 j i a n m i n y i n , c l a r k w . b u l l a r d e t a l . 3 4 1 对 汽车空 调气冷 器 在4 8 种运 行工 况 下进行了实验，并与他们建立的有限元法的数值模拟进行了对比，能够准确的 预测气冷器的制冷量和压降，误差在 2 %之内。实验所用的气冷器为 p e tt e r s e n 等人设计的微通道换热器，内径为0 .7 9 m m o j . p e tt e r s e n 3 5 对 他 们自 行设计的2 5 个 通 道 ( 内 径为。 .8 1 m m ) 的 紧 凑式蒸 发器进行两相流的实验研究，观察了两相流流型、换热系数和压降的特性;并 与核态沸腾、两相流、气化、气化后模型进行了比较。实验发现二氧化碳在管 内的两相流型主要是间歇流和环状流。当含气率较小或适中时，核态沸腾占主 要地位;换热系数随着热流和温度的增加而增加，但不受质量流量和含气率的 影响。当热流和温度很高时，蒸发对换热系数的影响非常显著 ( h随着 x的增 加迅速增加) 。 1 .2 . 1 . 3二氧化碳制冷系统的研究 二氧化碳制冷系统的研究主要表现在仿真研究和实验研究两方面。目前的 研究方法以后者为多。系统仿真是二十世纪末期发展起来的一项新兴技术。它 主要是通过建立系统模型、进行模型实验来研究系统特性。早期主要是物理仿 真，现在通常是指计算机仿真。 制冷空调系统的仿真是指:在对系统进行全面 分析的基础上，建立数学模型、运用计算机进行数值模拟，然后对系统进行优 化分析，从而预测系统性能、改进系统设计，并通过制冷系统的最优控制，达 到实际 制冷 系统 最 优 运行 3 6 1 。 制 冷 空 调系 统的 仿 真研究 随 计 算 机技术的 发 展获 得了飞速的进展，但到目 前，笔者查到的采用计算机仿真的方法对二氧化碳跨 临界制冷循环系统进行研究的 文献并不多。 德国的f r i e d r i c h k a u 护 7 1 建立了 二氧 化 碳 跨 临 界 循 环 汽 车 空 调 的 稳 态 研 究 ; d o u g l a s m . r o b in s o n 和e c k h a r d a . g r o l 3 8 1 开发了使用空气作为冷热源的军用整体式空调应用二氧化碳跨临界循环的仿真 模 型 ， 用以 替 代 先 前 的h c f c - 1 2 系 统 。 美 国m a ry l a n d 大 学 的、 n n h o h w a n g 3 9 1 建立了二氧化碳跨临界循环计算机仿真模型，利用模型可以 对制冷循环系统及 其热交换器进行优化。 第一章绪 论 1 .2 .2 国内研究状况 国内的 研究主要集中 在高校研究 单位， 如: 西安交 通大学2 5 1 、 中南大学2 6 1 天 津 大 学 2 7 - 2 8 1 、 上 海 交 通大 学 2 9 - 3 2 1清 华 大 学 等 单 位 对 于 跨临 界c o : 制 冷 系 统进行了多方面的研究。 1 9 9 8 年， 西安交 通大 学的 林高 平 博士 4 0 1 采 用编 程计 算的 研究方 法， 对理 想 的跨临界 c o : 制冷循环， 进行了理论分析和性能计算，揭示了该循环的一些特 点:对于一定的冷却器出口 温度，对应一个使系统性能系数最佳的冷却压力， 而且系统性能系数最佳时的冷却器出口 温度与冷却压力的对应关系，可以用一 个简单的代数式表示;提高蒸发温度可显著提高循环的性能系数:当冷却压力 较低时， 提高循环的吸气过热度，可显著地提高系统的性能系数;冷却器出口 温 度越高， 效果越明显， 当蒸发温度和冷却器出口 温度较高时， 减小回热器传热温 差，可有效地提高系统的单位容积制冷量和性能系数。这些结论，对于跨临界 c 0 2 制冷系统的运行操作具有重要的指导作用。 1 9 9 8 年，中南大学的廖胜明教授分析研究了跨临界二氧化碳循环的热力学 特征 及其应 用前景 1 , 2 0 0 0年， 采 用 数 值计算的 方 法 对超临 界 c 0 2 在 。 .6 - l o m m微细管道中的 换热特性进行了 模拟 研究4 2 1 ， 得到了 相应的 速度， 温度和 努塞尔数曲线。数值计算结果进一步表明，当入口r e 数大于 1 0 0 0 ，管径小于 1 时， 浮升力的影响可以 忽略。 在随后的实验中， 他们对超临界c 0 2 在细管 中 被 冷却 及加 热进行了 实 验 研究 2 4 4 3 4 4 1 ; 实 验 系 统图 见下图1 - 1 所 示。 流 体 分 别在在水平 ( 竖直)圆管中被等热流冷却和加热，实验分别测量了不同管径的 换热特性 ( 内径 0 .5 m m-2 . 1 6 m m ) ，得到实验段的平均换热系数。结果表明: 管径对n u 数影响很大， n u 随管径减小而显著下降，并且变化趋于平缓;即使 r e 数 很高( 达到1 0 1 ) , c 0 2 在水平 管中 受迫 对 流， 浮 升力的 影响 仍不能 忽略， 这与 其数值计算的 结果是完全不同 的。中 南大学的 沈裕浩教授4 5 也介绍了 跨临 界c 0 2 蒸汽压缩式制冷循环的工作原理及其特点以 及样机的部分实验结果，同 时对这种系统的部件工艺进行了讨论。 第一章绪 论 o r 4 r r l i a价李 ee r c07c . n 川牙 - 图1 - 1 二氧化碳实 验系统原理图 ( 冷却) 1 9 9 8 年至1 9 9 9 年间， 天津大学的 马一太教 授对c 0 2 跨临界 ( 逆) 循环的 热 力 学 特 征 进 行 研究 4 6 1 ， 并 采 用当 量 温 度 法， 对 带 膨 胀 机 的c 0 2 跨 临 界 循 环 及 其系统进行分析和研究4 7 1 ， 结果显示该循环具 有较高的 烧效率，并 指出 了 其在 技术上可行性。 2 0 0 1 年，对二氧化碳跨临界循环最优压力进行了研究，分析和 比较了跨临界循环最优压力的影响因素，并探讨了二氧化碳跨临界循环在热泵 和干 燥 等领域的 应用前景 4 8 1 4 9 3 . 2 0 0 4 年， 对临 界区 域附 近c o : 的 热 物 性 和传 热特性进行了 研究5 0 1 1 5 1 1 ， 指出 在超临界压力下c o : 的 物性参数在很小的 温度区 间内居 烈变化，只有密度是单调变化的，比热和导热系数在这个温度区间内分 别有一个很陡的 温度峰值。并且， 随着压力的 增加，其峰值逐渐减小;并得出 跨临界c 0 2 制冷循环的运行压力比 常规的蒸气压缩式系统大得多，使用微通道 热交换器能使系统更安全、紧凑和高效的结论。 2 0 0 2 年， 上海交通大学低温与制冷研究所的丁国良 教授等研究人员， 开展 了二氧化碳流体管内换热研究，通过实验研究方法，讨论了多种公开发表的超 临界流体在冷却工况下的换热关联式及单相压降关联式的准确性，同时指出了 现有 研究内 容的 不 足5 2 5 3 。 同 年， 丁国良 教 授 等 在考 虑了 二 氧 化 碳和空 气的 换 热特性的基础上，建立了跨临界二氧化碳制冷装置中微通道气体冷却器的分布 参数模型，并 通过实 验数据验证了 模型的正 确性5 4 1 。 但上海交通大学对二氧化 碳流体制冷的研究，主要集中在二氧化碳汽车空调的系统仿真和开发，主要的 研究 代表人员 是陈 芝 久教 授 5 5 5 6 1 和 丁国良 教 授 5 7 - 6 0 1 等。 清华大学对于二氧化碳流体制冷的研究也比较多。比如， 2 0 0 4 年，在国家 杰出 青年科学基金项目 资助下， 清华大学的徐轶君硕士等采用实验研究的方法， 分析了竖直细圆管中超临界c 0 2 入口 温度、流体流量、热流密度及浮升力等对 换 热 的 影 响 6 1 中国科学院对于二氧化碳流体制冷也有相关研究。 2 0 0 4 年， 在国家重点基 础研究发展规划项目 资助和国家自 然科学基金项目 资助下，中国科学院工程热 第一章绪 论 物理研究所的淮秀兰博士后进行了微通道内超临界c o : 的局部和平均传热与压 降 特性实 验研究6 2 1 。结果表明， 临界点附 近物性参数的剧烈变化使压降 增大， 但传热被大大强化;同时也发现，系统压力，质量流速及c 0 2 温度对流动与传 热特性有重要影响。并在大量实验数据基础上，得出了冷却条件下水平微通道 内 超临界c o : 强制对流换热关联式。 由此可以看出，对于跨临界c 0 2 流体换热的研究正在不断的深入和完善， 并且采用实验研究的方法， 考察跨临界c 0 2 流体管内换热特征是切实可行的。 但总的来说，其中有些问题仍需要进一步的 考察和探讨:对于超临界二氧化碳 换热的机理尚在探索和总结之中，至今仍没有形成一套系统的理论;对于二氧 化碳各物性参数对对流换热的影响程度没有确切的论述和理论依据。 1 . 3二氧化碳制冷技术的前景 目 前二氧化碳的应用主要集中在三个方面: 最急需替代制冷剂的应用场合， 如汽车空调; 另一方面利用二氧化碳循环特性， 如热泵热水器等; 第三个方面， 考虑二氧化碳的热物性和高比热容，适合用于复叠制冷低温级制冷剂。二氧化 碳还可在其它行业领域中应用， 例如船舶制冷系统中，食品冷藏中等等。它的 应用还有待进一步研发。 1 . 3 . 1 二氧化碳汽车空调 二氧化碳应用于汽车空调有许多优势: 一方面汽车空调， 制冷剂排放量大， 采用二氧化碳作为制冷剂具有完全环保的特点;另一方面，二氧化碳压比小， 因此压缩机效率高，同时，高压侧二氧化碳温度变化大，使进口 空气温度与气 冷器的排气温度可以 非常接近， 这样， 也减少了高压侧不可逆传热引 起的损失。 二氧化碳汽车空调是由 挪威s i n t e f 研究所的g . l o r e n t z e n 和j .p e tt e r s o n 等 人率先发起。 他们首先从理论上论证了二氧化碳用于汽车空调和热泵的可能性， 随后又建立了专门的实验台， 对汽车空调用二氧化碳作为制冷剂进行了实验研 究 ， 样 机 实 验 也 得 出 较 好 的 结 果 3 3 5 1 。 德国k a s s e l 大 学 的j . k o h le r 等 人 6 3 j也 开 展了二氧化碳工质汽车空调和热泵的应用研究。 1 9 %年8 月 ， 第一台公共汽车空 调样机在车上通过现场实验且运行良 好。这些研究结果都表明， 二氧化碳跨临 界循环用于车辆空调，不仅具有环境方面的优势，而且系统效率也具有提高的 潜力。 美国 空调 和制冷中 心 ( a c r c 6 0 1 也开 发了 二 氧 化 碳汽 车空 调 样机 ， 并与 r 1 3 4 a汽车空调装置作对比。 国际上几个著名的汽车公司对二氧化碳汽车空调的研究和应用作出了巨大