（工程热物理专业论文）自然工质COlt2gt水平管外沸腾换热强化的研究.pdf

中文摘要 自然工质c 0 2 有着广阔的应用前景。本文以研究c 0 2 满液式蒸发器为目的， 研究了c 0 2 沸腾换热的强化及水一水热泵中采用满液式蒸发器的相关问题，并重 点实验研究c 0 2 在水平光滑铜管和机械加工表面强化管管外沸腾换热性能。 在充分调研了制冷剂沸腾换热的性能的基础上，对c 0 2 的沸腾换热性能做了 深入分析和研究。研究结果表明，c 0 2 沸腾传热符合一般物质沸腾传热的规律， 与其他常规工质相比，c 0 2 具有换热系数高、易干涸，受静液高度影响小等特点。 论文在水一水热泵实验台上对c 0 2 在水平光滑铜管和机械m - r 表面强化管 外池沸腾换热进行了研究。实验装置解决了较高压力下的密封、换热管温度测量 和可视化的技术难点，根据实验数据，拟合出一定压力和热流密度下，c 0 2 水一 水热泵中光管和实验用强化管表面平均沸腾换热系数的关联式，为满液式蒸发器 换热计算提供了必要的实验数据，具有重要工程价值。 当蒸发压力p = 3 2 m p a 时，在实验热流密度( 2 8 6 9 - 5 4 2 7 k w m 2 ) 范围内，实 验用强化管的强化倍率为2 0 2 - - - 2 2 4 。实验结果表明，现有商用强化管对c 0 2 管 外沸腾换热有较好的强化作用，可直接应用于c 0 2 系统满液式蒸发器。 论文对光管和内螺纹管在内压和外压作用下的强度进行了有限元分析，指出 对于内螺纹管，螺距对管强度影响不明显；在相同压力下，管受内压时最大等效 应力发生在内螺纹根部的管内壁处，比受外压作用更容易受到破坏，为满液式蒸 发器强化传热管的选择提供了依据。 论文对c 0 2 水一水热泵中使用满液式蒸发器进行了分析，并对c 0 2 用满液式 蒸发器提出了结构上的建议。 论文还对纳米气泡的现象进行了分析，提出在c 0 2 液态物质中，可能存在微 小的异相气泡。 关键词：c 0 2 跨临界循环；沸腾换热；满液式蒸发器；强化传热 a b s t r a c t n a t u r a lr e f r i g e r a n tc 0 2h a sab r o a dp e r s p e c t i v eo fa p p l i c a t i o n t h i st h e s i sa i m s t os t u d yf l o o d e de v a p o r a t o ru s e di nc 0 2r e f r i g e r a t i o ns y s t e mb yd i g g i n gi n t ot h e r e l e v a n tq u e s t i o n so fa d o p t i n gf l o o d e de v a p o r a t o ri nw a t e r - t o - w a t e rh e a tp u m ps y s t e m a n dt h ee n h a n c e m e n to fb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fc 0 2 a l s ot h i st h e s i se m p h a s i z e st h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o nb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fc 0 2o ns m o o t ha n df a b r i c a t e d h o r i z o n t a lc o p p e rt u b e s b a s e du p o nt h et h o r o u g hi n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho fb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro f r e f r i g e r a t i o np r e p a r a t i o n ，ad e e pa n a l y s i sa n ds t u d yo nb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fc 0 2 w a sp e r f o r m e d t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tt h eb o i l i n go fc o i sa c c o r d i n gw i t h t h er u l e so ft h a to fo r d i n a r ys u b s t a n c e s a n dc o m p a r i n gt oo t h e rg e n e r a lr e f r i g e r a n t s ， c 0 2h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，e a s yd r y o u tp h e n o m e n o n ， l e s si n f l u e n c e db yt h el i q u i dh e i g h t t h et h e s i ss t u d i e st h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fc 0 2o ns m o o t ha n df a b r i c a t e d h o r i z o n t a lc o p p e rt u b e so naw a t e r - t o - w a t e rh e a tp u m ps y s t e mt e s tp l a t f o r m t h e e x p e r i m e n t a ld e v i c es o l v e dt h et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so fs e a l a b i l i t y , t h em e a s u r e m e n t o f t e m p e r a t u r ea n dv i s u a l i z a t i o no fh e a tt r a n s f e ru n d e rr e l a t i v e l yh i g hp r e s s u r e t h i s t h e s i sp r o v i d e st h en e c e s s a r ye x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ec a l c u l a t i o no fh e a tt r a n s f e ri n f l o o d e de v a p o r a t o ra n dh a si m p o r t a n tp r o je c tv a l u e c o r r e l a t i o n sf o rt h ea v e r a g e b o i l i n gh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so f c 0 2o ns m o o t ha n df a b r i c a t e dh o r i z o n t a lt u b e si n w a t e r - t o w a t e rh e a tp u m pw i t hc e r t a i ne v a p o r a t i o np r e s s u r ea n dh e a tf l u xa r eo b t a i n e d f r o mt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee n h a n c e m e n tr a t i o so ff a b r i c a t e dt u b ea r e2 0 2 2 2 4 w i t h i nt h er a n g eo f e x p e r i m e n t a lh e a tf l u x ( 2 8 6 9 - 5 4 2 7 k w m 2 ) w h e nt h es a t u r a t i o np r e s s u r ei s3 2 m p a t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x i s t i n gc o m m e r c i a le n h a n c e dt u b e sh a v eg o o d s t r e n g t h e n i n ge f f e c tf o rt h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e ro fc 0 2 a n dt h u sc a nb ed i r e c t l y a p p l i e dt of l o o d e de v a p o r a t o ri nc 0 2s y s t e m t h et h e s i sp e r f o r m saf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ei n t e n s i t yo fs m o o t ht u b ea n d i n t e r n a l t h r e a dt u b eu n d e rb o t hi n t e r n a la n de x t e r n a lp r e s s u r e i tp o i n t so u tt h a tf o rt h e i n t e r n a l t h r e a dt u b e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h r e a d sh a sn os i g n i f i c a n ti m p a c to nt h e s t r e n g t ho ft h et u b e w h e nu n d e rt h es a m ep r e s s u r e ，t h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s s o c c u r sa tt h ei n n e rw a l lo ft h er o o to ft h ei n t e r n a l - t h r e a da st h et u b ei su n d e rh i g h i n t e r n a lp r e s s u r e i ti se a s i e rt ob ed a m a g e dt h a nu n d e rt h ei m p a c to fh i g he x t e r n a l p r e s s u r e t h i sr e s u l tp r o v i d e st h eg i s to fc h o o s i n ge n h a n c e dh e a tt r a n s f e rt u b e sf o r f l o o d e de v a p o r a t o r t h et h e s i sp e r f o r m sa na n a l y s i so fa d o p t i n gf l o o d e de v a p o r a t o ri nc 0 2 w a t e r - t o w a t e rh e a tp u m ps y s t e ma n db r i n g sf o r w a r dt h es t r u c t u r a ls u g g e s t i o n sf o r f l o o d e de v a p o r a t o ru s e di nc 0 2s y s t e m t h et h e s i sa l s oa n a l y z e st h ep h e n o m e n o no fn a n ob u b b l e sa n di n d i c a t e st h a tt h e t i n n yh e t e r o g e n e o u sb u b b l e sm i g h te x i s ti nl i q u i ds t a t eo fc 0 2 k e y w o r d s ：t r a n s c r i t i c a lc 0 2c y c l e ；b o i l i n gh e a tt r a n s f e r ；f l o o d e de v a p o r a t o r ； e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下迸行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞瀣太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：叶天震 签字蹶砂7 年月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名： 叶丢吸 签字日期：丑刁年 厂月厂f 日 翮签名：勿人 签字日期：二哆年月d 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在人类文明发展的漫长岁月中，人类长期受到能源、环境与发展之间矛盾的 困扰。特别是进入工业文明阶段后，各种环境污染如大气污染、水污染、土壤沙 漠化、酸雨等更随之加剧，给世界带来了巨大的灾难。随着建立循环经济、构建 和谐的节约型社会成为我国当前的发展目标，一个不可持续发展的社会不可能有 和谐，而环境保护是可持续发展的基础，也是当今中国亟需解决的问题。 1 1 1 能源、环境与可持续发展 1 1 1 1 世界能源结构及利用现状 现代化的社会是建筑在巨大的能源消费之上的。2 0 世纪以来，世界范围内的 能源消费量大幅度增长，如表1 1 所示。根据世界能源理事会预计，1 9 9 0 - 2 0 2 0 年世界能源需求将增加7 0 ，至1 j 2 0 2 0 年，全世界一次能源的需求量将达到1 3 7 4 9 亿吨石油1 2 j 。目前占全球能源消费总量3 5 的发展中国家，至1 j 2 0 2 0 年将消费全球 能源的5 0 ，至l j 2 1 0 0 年可能达至1 j 7 0 ，世界能源消费呈现迅速增长的态势【3 】。 表1 1世界能源消费增长状况 世界上常规能源的分布很不均匀，煤炭资源主要集中在俄罗斯、美国、中国、 澳大利亚、印度、德国、南非和波兰等1 0 个国家，石油和天然气资源，主要集中 在中东地区。 在2 0 世纪，世界能源的构成状况发生了很大的变化。图1 1 显示了1 9 0 0 年到 第一章绪论 2 0 2 0 年世界能源构成的状况及发展趋势预测1 3 。从图中可以看出，从1 9 0 0 年n 2 0 0 0 年的一百年间，煤炭的比例持续下降，由9 5 下降n 2 8 7 ，n 2 0 2 0 年， 其比例基本保持不变；石油在2 0 世纪5 0 年代左右取代煤炭成为最主要的一次能 源，到1 9 8 0 年后，其所占比例开始逐渐下降；天然气所占份额呈上升趋势，在2 0 0 0 年后所占比例基本维持不变；核能和可再生能源在未来所占的比例将逐步提高。 1 0 0 0 8 0 0 兰6 0 0 二d = 4 0 0 “ 妞 2 0 o o o ? 。 j | | i 队。j _ 二三裔 ： 二二_ 1 9 0 01 9 2 01 9 4 0 1 9 6 01 9 8 0 2 0 0 02 0 2 0 年份 注：a 1 9 0 0 年的石油所占百分数中包括天然气；b 2 0 1 0 、2 0 2 0 年数据为预测值。 图1 11 9 0 0 - - 2 0 2 0 年世界能源结构 化石燃料属不可再生能源，据估算，全球石油储量大约在2 0 5 0 年左右宣告枯 竭，天然气可维持开发5 7 - 6 5 年，煤炭也仅能供应z - - - 百年，铀的开采只可维持 到2 1 世纪3 0 年代中划5 l 。能源短缺对人类的发展造成了严重的威胁。煤炭相对石 油和天然气的储量要大，而且可开采的石油和天然气正在减少，因此如果燃料采 购者要想得到长期供应，并以低成本采购，煤炭将是唯一的选择。煤炭工业现在 正面临着巨大的环境压力的威胁，但在2 1 世纪的能源市场中，煤炭将继续扮演重 要角色【6 1 。 我国是一个能源大国，更是一个人口大国。从能源总量来看，我国水能资源 居世界第一，煤炭资源可开采储量居世界第三，是世界上资源丰富的国家之一。 但是从能源品种、地区分布以及人口等因素分析，我国又是一个能源资源贫国。 据2 0 0 0 年1 2 月3 0 日世界能源导报报道，我国煤炭可开采年限为5 4 8 1 年，石 油可开采年限为1 5 2 0 年，天然气可开采年限为2 8 5 8 年。随着经济的发展和人民 生活水平的不断提高，人均能源消耗量在逐年增加，人均常规能源相对不足，己 第一章绪论 成为我国经济、社会可持续发展的限制因素。 当前，我国在能源利用效率、产品能耗等方面，与世界先进国家相比，还 存在较大差距。首先，广义能源效率( 即能源经济效率一消耗单位能源所实现的 国内生产总值) 很低。据有关资料计算的广义能源效率，1 9 9 4 年，日本为6 6 2 3 美元吨标准煤，美国为2 2 1 7 美元吨标准煤，我国为5 3 6 美元吨标准煤，2 0 0 0 年我国为8 4 5 美元吨标准煤，只有上述国家的1 3 1 1 2 ；其次，单位产品能耗较 高，当前我国高耗能产品的能源单耗，比发达国家要高2 5 9 0 。因此，节约能 源，提高能源利用效率和效益，已成为解决我国能源问题的基本方针。 我国常规能源以煤炭为主的结构，决定了能源生产结构、能源消费结构以及 电源结构以煤炭为主的特点。煤炭与其他能源相比，效率低，污染大。2 0 0 0 年， 煤炭、石油、天然气和水电在我国一次能源消费结构中所占的比例分别为6 7 0 、 2 3 6 、2 5 和6 9 ，这与发达国家，煤炭在一次能源消费结构中仅占9 5 0 o 3 5 8 的比例有很大不同，不同的一次能源消费结构，对环境的影响也完全不同。 1 1 1 2 二氧化碳与温室效应 化石燃料的大量使用，带来了环境污染、温室气体排放量增加、全球气候 变暖、自然灾害等许多严重问题。政府间气候变化专业委员会( i p c c ) 在1 9 9 5 年发表的第二次评估报告中，确定了人类活动引起气候变化的事实，表明是人类 活动所释放的大量温室气体( 以c 0 2 为主) 直接造成了全球变暖【_ 7 1 。气候变暖本 身也会使海洋和土壤释放出二氧化碳。大气中二氧化碳浓度的增加，反过来又会 增加温度，使环境处于一种“呈正比反应”状态。i p c c 认为，如果不加抑制的话， 到2 1 0 0 年，大气中的二氧化碳浓度将升高到6 5 0 - - - 9 7 0 p p m 。其结果将导致 1 9 9 0 - - - 2 1 0 0 年间全球平均气温有可能升高1 4 5 8 哺1 。 根据联合国统计，2 0 世纪9 0 年代，全球每年因自然灾害造成的财产损失达 5 0 0 亿1 0 0 0 亿美元，其中因气象灾害造成的损失占9 0 以上。按照世界经济发 展的一般进程，到2 1 0 0 年，全球c 0 2 排放量将从目前的6 0 亿吨碳年增加到3 6 0 亿吨碳年w 。 以煤为主的能源资源和消费结构，决定了随着经济的增长，我国能源消费量 以及二氧化碳气体排放量将不可避免地还要增加。2 0 0 0 年，我国二氧化碳排放量 居世界第二，仅次于美国。预计在2 0 3 0 年左右，我国的二氧化碳排放总量有可能 超过美国，成为世界上第一排放大国，由温室效应造成的损失将占g d p 的4 7 0 6 0 或5 2 ，相应的全球损失平均值为1 4o 6 0 或1 9 1 。温室效应已经成为制约可 持续发展的重大问题，它所造成的的危害是无法估量的。 第一章绪论 1 1 1 3 可持续发展战略 可持续发展的思想源远流长，公元前2 世纪中国秦朝的田律清晰地体现 了可持续发展思想的雏形，这可能是中国乃至世界上最早的环境保护法律3 。 1 9 6 8 年，来自世界各国的几十位科学家、教育家和经济学家等学者聚会罗 马，成立了一个非正式的国际协会一罗马俱乐部。受俱乐部的委托，以麻省理工 学院丹尼斯米都斯( d e n n i sl m e a d o w s ) 为首的研究小组，针对长期流行于西 方的高增长理论进行了深刻反思，并于1 9 7 2 年提交了俱乐部成立后的第一份研 究报告增长的极限，深刻阐明了环境的重要性以及资源与人口之间的基本联 系，并指出：人口问题、粮食问题、资源问题和环境污染的生态平衡问题等，已 成为世界各国政府和人民亟待解决的重大问题扣。 1 9 7 2 年6 月联合国在斯德哥尔摩召开了“人类环境会议”，会议通过了人 类环境宣言，唤起了全世界对环境问题的注意。这次会议对人类环境来说是一 个里程碑，她宣告“人类共有一个地球，保护地球环境是人类的共同责任”。 1 9 8 3 年成立了世界环境与发展委员会( w e c d ) 。该组织于1 9 8 7 年发表了 我们共同的未来的报告，提出可持续发展是人类未来的发展之路，并将其定 义为“既满足当代人的需要，又对后代人满足其需要的能力不构成危害的发展” 1 3 1 。这份报告被公认为是对可持续发展最早的全面、完整的表述。 19 8 7 年9 月，2 4 个国家谈判签署了“蒙特利尔议定书”，对氟氯烃的生产和 使用，提出了限制和逐步不再使用的日程表，到1 9 9 0 年1 0 月已有6 4 个国家批 准了蒙特利尔议定书。同时，1 9 8 8 年1 1 月在德国汉堡召开的全球气候变化会议强 调指出：如果“温室效应”不被阻止，世界将在劫难逃。 1 9 9 2 年6 月3 日在巴西里约热内卢召开了里约会议，会议通过了里约选 言、2 l 世纪议程，并签署了气候变化框架条约等一系列重要文件。会后， 根据2 1 世纪议程，联合国成立了“可持续发展委员会”。会议提出的人类社会 可持续发展理念，得到了国际社会的广泛共识。 1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地区的代表在日本京都召开联合国气候变化 框架公约缔约方第三次会议，通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制 全球变暖的京都议定书。京都议定书规定，到2 0 1 0 年，所有发达国家排 放的二氧化碳等6 种温室气体的数量，要比1 9 9 0 年减少5 2 ，发展中国家没有 承担义务。该议定书已经于2 0 0 5 年2 月1 6 日正式生效。京都议定书规定减 排的6 种温室气体中，还包括常规制冷剂h f c s 。虽然大气中的二氧化碳是温室 气体的主要组成部分，h f c s 含量相对较少，但h f c s 全球变暖潜能值却远远高 于二氧化碳。 作为世界第一大的发展中国家，中国政府于1 9 9 8 年5 月2 9 日签署了京 第一章绪论 都议定书，负责任地承担起了在全球性环境问题中的重大责任，为人类社会的 可持续发展做出自己的贡献。但限n - - 氧化碳等温室气体排放，直接关系到我国 的能源生产和消费，对我国现有能源发展模式和消费模式提出了严峻挑战。 可持续发展的核心内容是社会经济的发展不能超越生态环境的承受能力，必 须实施保持生态系统良性循环的发展战略，包括经济建设和环境保护的协调发 展。能源是可持续发展的手段。新的能源系统将是以更有效地利用能源、扩大可 再生能源利用( 尤其是现代化生物质能、风能和太阳能发电) 和新代技术为基 础的【1 4 】。这为科研工作者施展聪明才智提供了机遇，也提出了挑战。 1 1 2 制冷剂的现状与发展趋势 1 1 2 1 常规制冷剂对环境的影响 常规制冷剂对环境的一个重要影响是破坏臭氧层。臭氧层吸收波长在0 3 2 9 m 以下的高能量紫外线，对地球的生态环境和大气环流有重要影响。由于氯氟碳化 合物( c f c s ) 的光解破坏和氯原子在平流层中间释放，消耗大量的臭氧从而导 致臭氧层浓度降低，造成紫外线辐射增强。 自从1 9 7 4 年r o w l a n d 和m o l i n a 提出卤代烃分解产生的氯导致臭氧层破坏以来 1 5 3 ，臭氧层的破坏引起了世界各国的关注。1 9 8 5 年3 月2 2 日于维也纳订立的保 护臭氧层维也纳公约，人们开始意识到臭氧层的变化对人类健康和环境可能造 成有害影响。1 9 8 7 年9 月1 6 日，2 4 个国家和欧共体联合签署了关于消耗臭氧层 物质的蒙特利尔议定书，用以限制臭氧破坏物的生产，并提出要全面禁止使用 c f c s 。1 9 9 3 年的哥本哈根修正案最终达成协议，对发达国家和发展中国家对c f c s 和h c f c s 的最后使用期限分别作了明文规定。之后，缔约方又于1 9 9 9 年在北京对 蒙特利尔议定书进行修改。 表1 2 显示了一些制冷剂对环境的影响状况，由表中可知，自然工质与人工 合成工质相比，对环境的影响要小的多。 1 1 2 2 制冷剂发展历史 制冷剂的发展经历了三个阶段。： 第一阶段，从18 3 0 年到1 9 3 0 年，主要采用n h 3 、c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 等作为制冷 剂。由于这些早期制冷剂多数是可燃或有毒，在当时的技术条件下，或效率低下， 事故经常发生，环保问题也无从谈起。 第二阶段，从1 9 3 0 年到1 9 9 0 年，主要使用c f c s 和h c f c s 。这类制冷剂由于 具有稳定、无毒、不燃以及高效等特点，逐步取代了应用1 0 0 年之久的早期制冷 第一章绪论 剂( n h 3 除外) ，在制冷空调系统中得到广泛地应用。尽管c f c s 与h c f c s 有很多 优点，但这些制冷剂由于具有破坏臭氧层和温室效应等危害，按京都议定书 和蒙特利尔议定书的减排要求，已逐步停止生产和使用，进入淘汰期。 表1 。2 制冷剂对环境的影响1 6 3 消耗臭氧潜能值全球变暖潜能值 制冷剂 ( o d p ) ( g w p ，1 0 0 年范围) r 1 1 14 0 0 0 c f c s 人 r 1 2l8 5 0 0 工r 2 2 o 0 5 5 1 7 0 0 厶 h c f c s r 1 4 1 b 0 1 16 3 0 口 成r 1 4 2 b0 0 6 52 0 0 0 工 r 1 3 4 a01 3 0 0 质h f c s r 4 0 7 c ( r 3 2 12 5 13 4 a ) o1 6 0 0 r 4 1 0 a ( r 3 2 1 2 5 ) o2 2 0 0 c a r b o nd i o x i d e ( r 7 4 4 ) 。o1 a m m o n i a ( r 7 17 )00 自然工质 i s o b u t a n e ( r 6 0 0 a ) o3 p r o p a n e ( r 2 9 0 ) 03 第三阶段，从1 9 9 0 年至今，进入了以h f c s 为主，同时积极发展自然工质的 时期。制冷剂替代已经成为近十多年来研究的热点，目前研究工作主要集中在两 个方面： ( 1 ) 应用h f c s 类物质替代c f c s 和h c f c s 。h f c s 类工质不含氯，如r 1 3 4 a 、 r 4 0 7 c 等，o d p 等于0 ，对臭氧层没有破坏，但g w p 值较高，仍会产生温室效应， 京都议定书明确指出g w p 值高的物质不能作为长期替代工质，所以也是将 被淘汰的工质。并且这些新化合物应用时间较短，以后是否会对人类和环境产生 难以克服的严重影响，目前还不得而知。现阶段使用的替代制冷剂的应用情况见 表1 3 之川。 ( 2 ) 使用自然工质，即部分早期制冷剂，包括h c s ( 碳氢化合物) 、c 0 2 、n h 3 和水等。自然工质参与自然界的生态循环，不会对生态系统造成大的危害，是解 决制冷剂影响环境问题的根本措施。 第一章绪论 表1 3 替代制冷剂现状 制冷用途原制冷剂制冷剂替代物 家用和楼宇空调系统 r 2 2 h f c 混合制冷剂 r - 1lr 1 2 3 ( 短期) ，r 2 4 5 c a 大型离心式冷水机组 r 1 2 ，r 5 0 0r - 1 3 4 a r 2 2r 1 3 4 a ，l 1 0 a ，r 4 1 0 b ，r 4 0 7 c r 1 2r - 1 3 4 a 低温冷冻冷藏机组和 r 5 0 2 ，r 2 2r 2 2 ( 过渡性) ，r 4 0 4 a ，r 5 0 7 冷库 n h 3n h 3 r - 1 3 4 a ，h c 及其混合物制冷剂，h c f c 混合 冰箱冷柜、汽车空调r 1 2 制冷剂 1 1 2 3 自然工质的应用现状 ( 1 ) 水( r 7 1 8 ) 水对环境无任何破坏作用，是一种理想的高温热泵工质，它具有以下特点【2 6 】： 成本极其低廉，化学性质十分稳定，液态或气态的泄漏不会造成任何安全问题， 汽化潜热大，循环的c o p 高，能实现制冷与蓄冰的有机结合。但其运行压力低， 单位容积制冷量小，压缩机的排量大，所需的压缩比也较常规制冷工质大很多。 由于适宜低压水蒸汽的制冷压缩机技术尚不完善，目前水作为制冷剂只在溴化锂 吸收式制冷机组中得到了应用。 ( 2 ) n h 3 ( r 7 1 7 ) 氨作为制冷剂，已经有1 3 0 年的历史了，至今仍是许多国家的大型工业系统 中的首选工质。氨主要应用于冷冻、冷藏、制冰及其它低温制冷设备。氨制冷剂 具有优良的热力特性，其单位容积制冷量较大，约为r 1 3 4 a 的2 倍：黏度较小， 相同流量和管径下，流动阻力约为r 1 3 4 a 的1 2 ；导热系数大，利于换热。同时， 氨价格低廉，易于获得。限制氨使用的主要原因是其有毒、可燃，并有强烈的刺 激性气味以及对铜材有腐蚀作用等。虽然有研究表明氨爆炸或中毒造成的死亡率 要远小于卤代烃悄然泄漏造成的死亡率嘲3 ，但近年来我国发生了几起氨泄漏事 故，致使了大量人员中毒，造成部分人员死亡，并造成环境污染，所以氨的危险 性不容忽视。 经过1 0 0 多年的改进，人们尽可能发挥氨制冷剂的长处，克服其缺点，其应 用范围也在进一步扩大眩引。 第一章绪论 ( 3 ) h c s ( 碳氢化合物) 欧洲国家最早把h c s 制冷剂投入到实际应用中，目前应用的主要有丙烷 ( r 2 9 0 ) 、丁烷( r 6 0 0 ) 、异丁烷( r 6 0 0 a ) 、丙稀( r 1 2 7 0 ) 和一些h c s 混合物。 h c s 是优秀的替代工质。以丙烷为例，其热力性能优良，接近于氨；压力损失比 氨大，但比卤代烃小得多；传热性能稍次于氨，但i z e c f c s 好的多。并且烷与所 有普通的机器材料和油都不发生作用，在实际运用中极少出现问题眩引。h c s 制 冷剂唯一的缺点是具有可燃性，在实际应用中应采取很好的防漏措施，或添加合 适的阻燃剂降低其可燃性。 在欧洲，h c s 角u 冷剂的应用几乎涵盖了所有的空调装置，包括窗式空调器、 分体式空调器、柜式空调器、热泵及冷水机组。在制冷方面，欧洲已经拥有1 0 0 0 万 台使用r 6 0 0 a 的冰箱，超过了所拥有冰箱总数的3 0 ，随着新的欧洲生态标准( 不 允许冰箱使用h f c s 制冷剂) 的制订，相信这个比例还会大幅度增加眩粥。 f 4 ) 二氧化碳( r 7 4 4 ) c 0 2 是一种无色透明气体，由一个碳原子和两个氧原子组成，在大气中的体 积浓度为0 0 3 7 。1 9 世纪末到2 0 世纪3 0 年代前，c 0 2 是一种使用极为普遍的 制冷剂，因其无毒、不燃，在民用和船用制冷等方面有着巨大的优势。由于当时 采用亚临界循环，临界温度较低，当环境温度稍高时，c 0 2 的制冷能力急剧下 表1 4 制冷剂热力特性比较 降，功耗增大，经济性受到严重影响。热力学性能更好的c f c s 的出现后，c 0 2 很 快为人们所抛弃。随着蒙特利尔议定书的签订，制冷剂替代工作曰益紧迫。 c 0 2 由于其o d p = 0 、g w p = i ，直接温室效应可以忽略不计，作为工质使用时， 并不产生额外的c 0 2 排放，它只是对工业排放的c 0 2 的再次使用；热力特性好( 见 表1 4 ) ，具有较小的压力比，价格低廉，有过成功用作制冷工质的历史背景等 原因，又一次成为全球范围内受重视的热点，并被誉为“2 1 世纪最具前景的制冷 第一章绪论 剂”。 1 2c 0 2 制冷研究现状 1 2 1c 0 2 跨临界循环的研究 c 0 2 的临界温度低( 3 1 1 ) ，接近环境温度，根据循环的外部条件，可实现 亚临界、跨临界和超临界三种循环。 ( 1 ) 亚临界循环 c 0 2 亚临界制冷循环的流程与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全一样，如图1 2 中循环过程1 2 3 4 1 所示。循环过程中压缩机的吸、排气压力都低于临界压力， 蒸发温度、冷凝温度也低于临界温度，循环的吸、放热过程都在亚临界条件下进 行，换热过程主要依靠潜热来完成。当环境温度较高时，制冷效率低下，有的情 况下甚至无法完成冷凝过程。所以目前c 0 2 的亚临界循环只出现在它与其他工质 一起组成的复叠式制冷系统中，例如在n h 3 c 0 2 复叠式压缩制冷系统，n h 3 为高 压级，c 0 2 为低压级。查世彤等人通过对n h 3 c 0 2 复叠式压缩制冷循环与r 1 3 r 2 2 和n h 3 小眦3 两种复叠式制冷循环的比较，发现在低温制冷条件下n h 3 c 0 2 复叠式 制冷循环有明显优势口们。 ( 2 ) 跨临界循环 1 9 9 3 年，l o r e n t z e n 提出采用c 0 2 跨临界循环制冷，并建造了一台汽车空调装 置口。目前对c 0 2 制冷的研究 大都是基于这种循环； 地p c 0 2 跨临界循环的循环过 程如图1 2 中1 2 ”3 ”4 ”1 所示。 压缩机的吸气压力低于临界压 力，蒸发温度也低于临界温度， 循环的吸热过程仍在亚临界条 件下进行，换热过程主要是依靠 潜热来完成。但是压缩机的排气 压力高于临界压力，工质的冷凝 h 图1 2c 0 2 跨临界循环切一向图 过程与在亚临界状态下完全不同，换热过程依靠显热来完成。该循环的一个主要 缺点是循环的c o p 较低，低于r 2 2 、r 1 3 4 a 等传统工质的循环效率。循环的c o p 主要受高压压力的影响，k a u f 3 23 采用图解法确定y c 0 2 制冷跨临界循环的最佳 高压压力。l i a o 等人口3 1 研究结果表明，最佳冷凝压力依赖于气体冷却器的出口 第一章绪论 温度、蒸发温度以及压缩机的性能，并通过模拟，给出了一个计算最佳冷凝压力 的关联式。 为提高c 0 2 制冷跨临界循环的效率，可以采用以下几种改进措施：1 ) 增加 回热器，采用回热循环，减小过热损失；2 ) 采用双级压缩系统；3 ) 用膨胀机代 替节流阀，减少节流损失。文献b 4 1 对c 0 2 匍 冷循环的基本形式进行了分析计算， 指出增加过冷度和回热度是c 0 2 制冷投入实践运行的重要手段。文献口朝的研究 结果表明，采用膨胀机代替节流阀，能显著提高系统效率。文献口引对6 种不同 的跨临界c 0 2 制冷循环进行了稳态仿真，结果表明，采用二级压缩并回收膨胀功 可以大大提高系统的性能；只采用两级压缩而不回收膨胀功，对系统的性能并没 有明显的改善。 天津大学近年来对c 0 2 膨胀机进行了研究，查世彤们在分析比较不同类型 膨胀机的特点和使用范围的基础上，开发了c 0 2 跨临界循环滚动活塞膨胀机，魏 东啪3 、李敏霞嘟1 对c 0 2 转子式膨胀机进行了研究开发，结果表明，利用膨胀 机回收膨胀功，是提高c 0 2 跨临界循环效率的根本途径，无论从经济角度还是技 术角度，用膨胀机代替节流阀都是可行的。 ( 3 ) 超临界循环 超临界循环与普通的蒸汽压缩式制冷循环完全不同，所有的循环都在临界点 以上，工质的循环过程没有相变，不能变为液态，实际上是气体循环。完全超临 界循环只在原子能发电时采用，制冷空调应用中不采用该循环口粥。 1 2 2c 0 2 制冷应用研究进展 目前，c 0 2 制冷主要应用于以下几个领域： ( 1 ) 汽车空调系统 汽车空调系统作为一种移动式空调具有与一般空调系统不同的特点：1 ) 制 冷速度快，制冷能力大；2 ) 结构紧凑；3 ) 极易造成制冷剂泄漏，且回收困难。 c 0 2 具有优良的热物理性质和环境友好性，用于汽车空调系统有明显的优势。 c 0 2 应用于汽车空调的研究是l o r e n t z e n 等人 发起的，他们从理论上论述 了c 0 2 用于汽车空调和热泵等领域的可能性，并建立了专门的实验台，对汽车空 调用c 0 2 作为制冷剂进行了实验研究，样机实验也得出较好的结果。 德国k a s s e l 大学的j k o h l e r 等人【4 0 】也开展了二氧化碳工质汽车空调和热泵的 应用研究，1 9 9 6 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。他们认为c 0 2 跨临界循环系统将是二十一世纪汽车空调中唯一可选的可靠系 统。美国空调和制冷中心( a c r c ) 【4 l 】建立了汽车空调实验台，对系统中回热器的 第一章绪论 特性及布置特点进行了研究，得到了较好的结果。 在我国，丁国良等人建立了跨临界二氧化碳汽车空调制冷装置的完整的数学 模型，通过对美国空调制冷中心的样机的模拟计算和实验比较，验证了仿真程序 具有较好的准确性 4 2 , 4 3 。陈江平等人枷研制了国内首台二氧化碳汽车空调系统， 样机冷量达到4 5 k w 。 ( 2 ) 热泵系统 二氧化碳跨临界循环中，气体冷却器工作于超临界工况下，存在一个相当大 温度滑移( 约8 0 - - - 1 0 0 0 c ) 的放热过程，对于热泵系统，这是二氧化碳与其他工质 亚临界循环等温冷凝过程相比所特有的优势。 n e k s a 4 5 , 4 6 3 、p e t t e r s o n 等人3 7 3 首先对二氧化碳热泵热水器的特性、循环系 统设计等进行了理论分析与实验研究，研究结果表明，二氧化碳跨临界循环水一 水热泵有较高的c o p ，并可以提供9 0 。c 的热水，与电加热器和天热气加热器相比， 能耗降低7 5 ，而且系统紧凑，在工业和民用两方面都具有相当大的发展潜力。 k a s s e l 大学的j k o h l e r 等人开展了c 0 2 跨临界热泵应用的理论研究与分析。 d r e s d e n 大学p h e y l 等人对c 0 2 跨临界循环热泵的热力学性能进行分析，对各种循 环方式的计算方法，系统部件的设计、选取和组装原则等方面展开研究与讨论， 并建立c 0 2 跨临界循环热泵试验台，对于不同装置中的计算和评价方法等进行分 析及研究，得到了一些有意义的结论h 们。e s s e n 大学的e l s c h m i d t 等人以商业洗 衣店中的干燥器为研究对象，分析和讨论了二氧化碳跨临界循环在热泵干燥方面 应用的可行性【47 1 。日本的m s a i k a w a 等人通过对于c 0 2 热泵( 尤其是c 0 2 热水供应 热泵) 性能的计算及相应循环特性的理论分析，得出c 0 2 热泵在热水供应时的性 能高于传统工质热泵的结论。1 9 9 6 年3 月，他们在y o k o s u k a 研究所建立了相应的 c 0 2 热泵实验台，对跨临界热泵的性能及c 0 2 在超临界条件下的传热及热力学特 性进行进一步研究。c 0 2 热泵式热水器在日本得到长足的发展【4 8 i 。 在我国，天津大学热能研究所于1 9 9 8 年建立起我国第一台二氧化碳跨临界热 泵循环实验台，对二氧化碳系统的结构参数、安全性和可靠性做了较全面的研究， 并在此基础上，开展了跨临界循环系统的理论分析和实验研究粥。马一太等人 b 圳运用当量温度概念对c 0 2 跨临界水一水热泵供热系统进行了研究，指出根据 实际情况选择气体冷却器的出口温度和压缩机的出口压力能提高系统的运行效 率，并对供热过程中采用能量梯级利用进行了研究。曾宪阳等人巧”从c 0 2 跨临 界循环的热力学特性分析入手，对c 0 2 热泵干燥系统系统进行评价和分析。西 安交通大学的徐洪涛等人b 引的实验分析也证明c 0 2 热泵型热水器能够达到较高 的c o p 值。 ( 2 ) 复叠式制冷系统 第一章绪论 由于c 0 2 临界温度低，要使c 0 2 作系统与普通工质的常规蒸气压缩循环一样 有效，只能让它和其它工质一起组成复叠式制冷系统。在复叠式制冷系统中， c 0 2 被用做低温级制冷剂，高温级制冷剂一般采用n h 3 、r 2 9 0 等。与其它低压工 质相比，即使处在低温，c 0 2 的粘度也非常小，传热性能良好，制冷能力相当 大。j p e t t e r s e n 和a j a k o b s e n t ，q 的研究表明，与n h 3 两级压缩系统相比，低温级 采用二氧化碳的系统，可实现- - 4 5 一5 0 c 的低温。k i m 等人引对分别使用 r 7 4 4 r 1 3 4 a 和r 7 4 4 2