（工程热物理专业论文）co2热泵热水器气体冷却器的理论模拟与实验研究.pdf

摘要 本文以c 0 2 热泵热水器气体冷却器为研究对象，对气体冷却器的换热过程 进行了计算模拟、可视化研究和换热器对比实验研究。 首先通过理论分析，研究了c 0 2 跨临界循环系统的c o p 和：用效率随不l 司参 数的变化情况。比较了彳i 同蒸发温度、高压压力、过热度、气体冷却器出口温度 下，各参数对系统性能和压缩机出口温度的影响。提高蒸发温度，选取合适的高 压压力，提高过热度，降低气体冷却器出u 温度都有助于提高系统性能或压缩机 出口温度。 通过分布参数法建立了气体冷却器的换热模型，并对不同流量及管数情况下 的换热过程进行了模拟。比较了工质流量、工质管管径及管数对换热性能优劣的 影响。增加质量流量、采用合适的管数以及管径、提高水侧换热系数可以改善冷 却水出口温度，但可能会增加换热器的压降。 对气体冷却器加工安装了l 哥透明的石英玻璃，一方面通过采用i 岳速摄影的方 法，观察了工质为气液两相状态时的气体冷却器内部的紊流过程。另一方面通过 在润滑油中添加荧光物质的方法，观察了不同温度和压力下润滑油在工质中的存 在形式及流动过程。发现随着系统运行温度的增加，润滑油由开始在壁面上不均 匀分布的油滴状态逐渐转化为均匀分布的油膜状态。 设计加工了工质管管数为4 的气体冷却器，并同之前的工质管管数为3 的换 热器性能进行了对比。在相同的入口参数下，新气体冷却器的冷却水出口温度、 c o p 、换热量和换热系数均有所增加，同时压降也有不同程度的增加。 关键词：热泵热水器，气体冷却器，分布参数模型，可视化 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h eg a sc o o l e ro fc 0 2h e a tp u m pw a t e rh e a t e ri s t h eo b j e c tt od i s c u s s t h ec o m p u t i n gs im u l a t i o n ，v i s u a l i z a t i o na n de x p e r i me n t a l m e a s u r e m e n to ft h eg a sc o o l e rh a v eb e e nc a r r i e do u t t h ep e r f o r ma n c e so fs y s t e m sw e r ec o i n p a r e da td i f f e r e n te v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n do u t l e tt e r np e r a t u r eo ft h eg a sco o l e rb yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s0 1 1c o pa n de x e r g ye f f i c i e n c yo fc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l es y s t e m i ti sf o u n d e d t h a tt h ec o o l i n g 、7 a t e rt e m p e r a t eo u t l e tc a nb ei n c r e a s e db yi n c r e a s i n gt h ee v a p o r a t i o n t e m p e r a t u r eo rd e g r e eo fs u p e r h e a t ，e v e nb ya d o p t i n gt h es u i t a b l eh i g hp r e s s u r e b a s e do nd i s t r i b u t e d p a r a me t e rm e t h o d ，t h ehe a tt r a n s f e r3 1 1o d e lo fg a sc o o l e ri s e s t a b l i s h e d t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e sso f t heg a sc o o l e ri ss i m u l a t e da tv a r i o u sma s s f l o wr a t ea n dt u b en u m b e r t h ei n f l u e n c e so fc o 2n la s sf l o wr a t e s ，t h et u b ei n n e r d i a m e t e ra n dt u b en u m b e ra r ca n a l y z e d i ti sf o u n d e dt h a tt h ec o o l i n gw a t e rt e m p e r a t e o u t l e tc a nbei n c r e a se db yi n c r e a si n gma s sf l u xo fc o2o ri n c r e a s i n gh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to fc o o l i n gw a t e rs i d e ，e v e nb ya d o p t i n gt h es u i t a b l ei n n e rt u b en u m b e ra n d p r o p e rt u b ei n n e rd i a m e t e rb u tb yt h ep a y o fi n c r e a s eo fp r e s s u r ed r o p t h eh i g ht r a n s p a r e ntqu a r t zsi g h tg l as si si n s t a l l e do nt h eg a sc o o l e rt h e t u r b u l e n tf l o wo fc o2i n s i d et h ei n n e rt u b ea tt w op h a s es t a t ei so b s e r v edb yu s i n gt h e h i g hs p e e dp h o t o g r a p h ye q u i p m e n t m e a n wh i l e ，t h es t a t ea n df l o wp r o c e s so f l u b r i c a n ti nr e f r i g e r a n ta td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp r es s u r ei so b s e r v e dt h r o u g ht h e w a y o f a d d i n gf l u o r e s c e i ni nl u b r i c a n t w i t ht heri s i n go fi n l e tt e r np e r a t u r ei ng a s c o o l e r , t h el u b r i c a t i n go i l0 1 1t h es u r f a c eo ft h et u b ec h a n g e sf r o md r o p l e t st ot h ef i l m t h eg a sc o o l e rw i t hf o u ri n n e rt u b esi sd e s i g n e da n dma n u f a c t u r e d ，a n d c o m p a r e dw i t ht h eg a sc o o l e r w i t ht h r e er e f r i g e r a n tt u b e s i ti sc o nc l u d e dt h a ta tt h e s a m es u c t i o np a r a me t e r , t h ep e r f o rm a 3 1 c eo fn e wg a sc o o l e ri n c l u d i n go u t l e t t e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r ，c o p ，h e a tc a p a c i t ya n dh e a tt r a n s f e rc o e ff i c i e n t i n c r e a s e d ，a n ds od o e st h ep r e s s u r ed r o p k e yw o rd s ：h e a t p u mpw a te rh e a t e r ，g a sc o o l e r ，d i s t r i b u t e d p a r a me t e r m e t h o d ，v i s u a l i z a t i o n 第章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 工业革命以来，生产力得到迅速发展，生活水平稳步提高，人们改造自然的 水平不断增加。但是，随着社会生产力发展的同时，世界人口不断增加，据世界 经济发展数据库统计，截止到2 0 0 9 年世界人口已接近6 8 亿。为了满足庞大的人 口需求，只能开采更多的能源来维持社会的刁i 断发展。人口的飞速膨胀与能源的 发展限度之间产生了尖锐的矛盾，并由此产生了各种各样的恶劣自然灾害。据统 计，在过去的1 0 0 年中全球j i 广均地面温度已增加o 3 0 6 。c ：极低和北半球高纬 度地区气温升高了3 5 。c ，冰川大面积融化，海平面上升，一些岛国和沿海地区 面临消失的危险，气候的变化也严重影响着生物的多样性。 近年来，科学界研究结果表明，造成全球气候变化的主要原因是向人气中所 排放的二氧化碳及各种甲烷、氧化亚氮等温室气体【2 】。自t 业革命以来，大气层 里二氧化碳浓度几乎增加了1 3 ，目前正以0 4 的年增长率上升。面对女此严峻 的形势，联合国环境保护机构以及各个国家都出台了相关政策，以应对当前的气 候变化。 一些氟氯昂类制冷剂的排放还严重损坏了大气中的臭氧层。臭氧层位于距离 地球表面2 5 3 0 公里的平流层内，阻挡着大约9 9 对人类有害的紫外线照射。但 是，近年来，南极上空出现了严重的臭氧层 空洞，如图1 1 所示。这种现象的出现已经严 重影响了人们正常的生产和生活。如果任由 其发展的话，以后带来的后果更是不堪设想。 1 9 7 4 年，美国加利福尼亚大学的罗兰和莫莱 特教授研究了臭氧层消耗的原理。并指出臭 氧层消耗的罪魁祸首是近年来一些制冷设备 中的制冷剂。由于一些人工合成制冷剂中含 有氯原子，这些氯原子会逐步消耗臭氧层， 并且自身不会消失。这些c f c 和h c f c 类制 冷剂不仅能够破坏大气中的臭氧层，通常还 具有很高的温室效应潜能值。 臭氧层的存在可以吸收大气中特定波长 图1 - 11 9 81 ，1 9 8 7 ，1 9 9 3 ，1 9 9 9 年的南极 臭氧层图谱 第+ 章绪论 的紫外线防止其直接照射到地面。臭氧层的消耗导致该波长紫外线直接照射到地 面，从而加剧各种皮肤癌和传染性疾病。有数据研究表明呻】，若臭氧层浓度每 下降l ，则非恶皮肤瘤的发病率就增加2 6 ，全球皮肤癌患者的发病率就增加 4 6 ，白内障患者的发病率增加0 2 0 6 。长期暴漏于紫外线的辐射下，会 导致d n a 变异、免疫能力下降等等。 1 1 1 国际社会应对气候变化的措施 随着世界各同对气候变化问题关注程度的加深，目前欧美一些同家正掀起一 场以高能效、低排放为核心的“新工业革命”，这是由于联合国环境与发展人会 通过的联合同气候变化框架公约要求发达同家率先采取行动应对气候变化及 其不利影响，随后通过的一系列重要文件如京都议定书、巴厘岛路线图、 蒙特利尔议定书等为应对气候变化提供了法律依据、明确措施以及减排目标 ( 表1 1 ) 。 表l 。l 周际 i ：会应埘气候变化重要里科碑 年份丰要事件 1 9 8 5 年 1 9 8 7 年 1 9 8 8 矩 1 9 9 0 笠 1 9 9 2 正 1 9 9 7 年 2 0 0 2 年 2 0 0 7 , t - 2 0 0 9 证 保护臭氧层维也纳公约，采取措施保护臭氧层免受人类活动破坏，j 二 1 9 8 8 年9 月2 2 同牛效，中周1 9 8 9 年9 月l l 同力入该公约。 在加拿人蒙特利尔签署了蒙特利尔议定书，该公约白1 9 8 9 年1 月l 目 牛效。 联合国环境规划署和世界气象组织成立政府问气候变化专门委员会 ( i p c c ) ： 联合h 启动了气候公约谈判的进程。 气候公约往纽约通过并存巴西_ 平约热内卢召开的地球峰会卜供各国签 署，1 9 9 4 年开始生效， 在r 奉京都彳 开了公约第三次缔约会议通过了京都议定书，为发达田 家规定了具有法定约束力的减排日标。 在印度新德里召开了公约第八次缔约方会议，通过了气候变化与可持续 发展德里部长级宣言。 在印尼巴厘岛召开了公约笫十三次缔约方会议，通过了巴厘岛路线图， 为2 0 1 2 年后应划气候变化圈家制度安排指明了方向。 在丹麦片都哥本哈根召开联合困气候变化大会，形成了不具法律约束力的 哥本哈根协议。 2 第章绪论 气候变化掀起了以高能效、低排放为核心的新技术革命，促进了人类生产方 式、消费方式的改变，形成以低能耗、低污染为基础的发展模式，即追求所谓的 “低碳经济”时代。低碳经济是碳生产力( 单位碳排放的经济产出) 达到一定水 平的经济形态。这就要求改变当前的能源消费方式以及居民生活习惯。 发达国家对应对气候变化、推动低碳经济有着重要的作用，各个国家都制定 了不同的阶段性日标，如表1 2 所示。 表l - 2 主要国家和地区的节能减排日标 国家和地区节能同标 美田 同奉 欧咀 英围 法困 德围 建筑部门：2 0 1 5 年能源消耗比2 0 0 5 年降低2 0 上、l k 部分：t 、f l 位产品能耗在2 0 0 7 2 0 1 6 年问每年降低2 0 5 到2 0 3 0 年j 1 1 位g d p 能耗比目前至少降低3 0 ；要求熏点用能i 位每年减 少l 能源消费 2 0 2 0 年能源消费在1 9 9 0 年基础i ：降低2 0 ，温室气体排放量减少2 0 剑2 0 2 0 年，实现可再生能源占能源消耗的2 0 至42 0 2 0 年，家庭能源使心效率提高2 0 、工商企业提高3 0 、交通行业 提高2 6 、制造j i k 提高2 5 在2 0 1 2 年以前，汽车c 0 2 排放标准比2 0 0 4 年下降2 0 ，达到1 3 0 9 k m 到2 0 2 0 年，c 0 2 排放量在1 9 9 0 年水平上消减2 6 一3 2 ，到2 0 5 0 年消减 6 0 2 0 15 年前每年节能2 ，2 0 1 5 - 2 0 3 0 年每年节能2 5 从现在到2 0 2 0 年，单位g d p 能耗每年降低3 1 1 2 c 0 2 制冷剂的发展历史 最早出现的第一代制冷剂以c 0 2 、s o ：、n h 3 等为代表【5 - 6 j ，除了c 0 2 以外其 它都或多或少带有一定的毒性或可燃性。因此c 0 2 在民用和船用制冷中广泛使 用。美国人a l e x a n d e rt w i n i n g 最早在18 5 0 年将c 0 2 作为制冷剂应用于蒸汽压缩 系统i | l ，并申请了英国专利【j 。 c 0 2 制冷曾经达到了辉煌的程度。到1 9 3 0 年，8 0 的船舶都采用c 0 2 制冷 机。但此时的c 0 2 制冷系统存在明显的缺点。由于c 0 2 的临界温度低，临界乐 第章绪论 力高。一般c 0 2 作为制冷剂的循环都是亚临界循环，效率相对比较低。 1 9 2 9 年，美国通用公司合成r 1 2 以后，随后相继又出现了r l l 、r 2 2 等氟 利昂类制冷剂。标志着第二代制冷剂的到来，这类制冷剂一上台就以安全、热稳 定性好、适宜的压力和较高的制冷效率而迅速取代了c 0 2 。最后一艘使用c 0 2 制冷剂的船只在1 9 5 0 年停f f ：工作。 第二代制冷剂中的氯原子可以与大气中的臭氧发牛反应，消耗臭氧并且自身 不会淌减。随着第二代制冷剂的广泛应用，南极上空出现了严重的臭氧层空洞， 并引起了人们的广泛关注。在随后的蒙特利尔议定书及京都议定书卜明 确规定了将该类制冷剂逐步淘汰出去。包括c f c 类物质以及h c f c 类物质。 c f c 类物质由于破坏臭氧层而不得不被逐渐淘汰掉。新一代的制冷剂必须 对臭氧层没有破坏。h f c 类物质凶其吖i 含有臭氧层破坏物质，而被认为是替代 c f c 和h c f c 类制冷剂的重要物质。但是，h f c 类化学性质稳定，释放后容易 积累，具有很强的温室效应，这类物质最终将彳i 可避免的泄漏到自然中去。换句 话说，任何合成的物质，都将不同程度的对自然环境带来一定的消极影响。制冷 剂的替代任务，最终将落到自然工质的身上。 c 0 2 足地球生物圈的组成物质之一，它无毒、无臭、无污染、不爆、不燃、 无腐蚀，破坏臭氧层潜能值o d p = 0 ，温室效应潜能值g w p = i 。除了对环境方面 的友好以外，本身还具有作为制冷剂的优良物理性质。如：c 0 2 容积制冷能力人， 较高的容移 制冷能力能够使压缩机进一步小型化；粘度比较低，即使在相对较低 的流速下也能形成湍流流动，有很好的传热性能：采用c 0 2 作为制冷剂的跨临 界循环其握比比较低，绝热效率相对比较高。但是，c 0 2 的临界温度比较低，仅 为3 1 1 ，故。般采，| 二hc 0 2 为制冷剂的制冷或热泵循环都为跨临界循环。同时 c 0 2 的临界压力比较高，采用跨临界循环时系统内的承受压力比较大。因此，对 压缩机、换热器等部件的耐压性要求比较高。 前国际制冷学会主席g u s t a vl o r e n t z e n 副首次提出了c 0 2 跨临界循环理论， 并指m 其将会在制冷和热泵领域发挥不可替代的作用。c 0 2 作为一种环境友好工 质，因为其良好的热力学特性而被人们所重新重视。c 0 2 作为制冷剂的再次复兴 绝不是之前的简单重复。在新时代的条件卜又有了白己不同的特点【9 。0 j ：( 1 ) 当 今时代环保意识不断增强，各种人工合成物质包括c f c 、h c f c 、h f c 类等不仅 成本高，而且从本质 二来说都会对环境带来一定的危害，最终都是要不断退出历 史舞台的。( 2 ) 采用跨临界循环可以从本质上改变循环效率低的缺点，对于跨临 界循环的高压( 8 m p a ) 来说，当今材料加工业的发展对于承受如此高的压力并 不是问题。并且超临界状态下c o ：流体的密度比较大，所以管径比较细，小管 径的换热器更有利于耐i 亩压。( 3 ) 普通工质的压缩机技术发展已经比较成熟，从 第章绪论 原理上来晓c 0 2 专用压缩机与普通工质的没有任何区别，完全可以借鉴普通工 质压缩机的技术来发展研究出高效的c 0 2 专用压缩机。( 4 ) 由于c 0 2 制冷剂本 身的性质，使得循环节流损失严重，如果采用膨胀机代替节流阀，增加同热器或 者采用双级压缩，可使循环效率大大提高，甚至超过常规工质。综上所述，c o ， 作为制冷剂的再次复兴，是科学技术发展到较高水平上的再发展，自然工质已经 站在了较高的起点上，相信不久的将米，c o ：应用一定会更广泛。 1 2 c 0 2 热泵热水器的发展 1 2 1 热水器的发展历史 在世界大多数家庭的能量需求中，约有l 4 1 3 来源丁对热水的需求。特别 是欧美一些发达国家，人们对冷、热水的需求比例是l ：9 ，由此看来，庞人的热 水需求必然要消耗大量的能量，采用什么形式加热才能达到最佳的节能效果引起 了人们的广泛关注，热水器的发展火致经历了四代的更替 1 1 。 第一代燃气热水器采用管道煤气进行加热的方法把热量传递到冷水中从而 获得热水，但是这种燃气热水器不仅费用昂贵，而且有很人的危险性，同时会给 环境带米一定的污染。 第二代电热水器，采，_ j 电源加热的方式制取热水。如果家庭热水全部由电热 水器来提供的话，其功率大，运行成本较高，并且具有较高的危险性， 第三代太阳能热水器，太阳能热水器的正常运行受天气影响比较大。当制取 热水温度较高，或者天气不好的时候需要采用电辅助加热的方式进行加热。同时 太阳能热水器必须在室外安装太阳能集热板，气地空间大。 第四代热泵热水器。通过逆卡诺循环，在压缩机的作用下把热量从低温介质 传递到高温水中。热泵热水器的效率随环境温度变化效率不断变化，止常情况。卜 其c o p 口j 达到4 以上，也就是说| j j 以用一份的电能产生4 份的热能，其运行成 本较低。 常规工质由_ 丁热力! 学性质的限制，热水器出水温度一般在4 0 5 0 左右，很 难满足人们饮用水健康卫生的需求，尤其是当外界环境温度较低时，系统效率下 降，热水出水温度吏难达到较高的水j l t 。相对于普通工质，c 0 2 系统效率随环境 温度的变化更为敏感，在相同的环境温度下，低温时c 0 2 系统效率要高于普通 工质的热泵热水器，因此，c o z 热泵热水器在温度较低的寒冷地区表现出了更大 的优势。 笫章绪论 1 2 2 c 0 2 热泵热水器的研究 1 9 9 6 年，挪威s i n t e f 研究所建成了世界上第。台的热泵热水系统试验台 原型机【l2 | ，如图1 2 所示。该样机设计供热量为5 0 k w ，工作最古1 w j 压力为l5 m p a 。 当出水温度达到6 0 的时候也能使c o p 保持在4 以上，如图i 3 所示。这主要 是由于c 0 2 热泵热水器高效压缩机以及换热器良好的换热特性。同时该样机可 使出口水温达到9 0 而无任何运行问题。将热水出口温度从6 0 提高到8 0 时， 其c o p 下降比较小( 蒸发温度为0 ，c o p 从4 3 下降到3 6 ) 。 图1 2s 1 n t e f 实验室热泵热水器样机 ，| 一一 i h o r 、a t 叫t e n q ) e ：a r ：u = 6 0 ：( e 、n 1 ) ( - , mr h i gt e n 耻e r a t t u e ：c 图i 一3 水入口温度为1 0 系统c o p 随蒸发 温度的变化情况 在第一台热泵样机的基础上，欧盟( e u ) 在1 9 9 6 年1 9 9 8 年举办了一项合 作性项日，以c 0 2 为工质的高能效环境友好热泵系统示范项日“c o h e p s ”，由挪 威科技工业研究院、挪威科技大学、德国的汉诺威大学、艾森大学和比利时的鲁 汶大学组成。分别从吖i 同的方面研究c 0 2 热泉的应用，包括商业热泵、家庭热 泵、热泵干燥等等。 热泵热水器在日本得到了很大的发展。1 9 9 8 年9 月由东京电力公司和日本 电研院以及电装公司的m s a i k a w a ，k h a s h i m o t o 等川j 合作开始进行c 0 2 热泵 热水器的基础理论研究，通过性能计算及循环的理论分析得出其性能高于传统工 质热泵的结论。1 9 9 9 年，建立了c 0 2 热泵热水器样机试验台。额定供热功率为 4 5 k w ，采用直流变频电动机驱动的半封闭涡旋式压缩机。膨胀阀采用分成4 0 0 级开度的针阀，可以方便进行开度控制。样机试验结果表明：取东京晚上平均温 度值为例，自来水能够从8 3 加热到6 5 。c 。其c o p 随膨胀阀开度的增大而增 大，增大到一定程度以后趋于常数，约为2 7 。此后又对样机先后进行了两次改 进，使其即使在外界零下2 0 时都能够保证9 0 。c 的出水。最终于2 0 0 2 年将自己 的产品推向了市场。 同本大金公司也在2 0 0 2 年推出了采用摆动转子式压缩机的c 0 2 热泵热水器 【1 4 。可生产从6 5 到9 0 的热水，制热量为4 5 k w 。在室外温度1 6 。c ，入水温 薰一”p营盈毒诉出阳喽嘎彩 第章绪论 度1 7 。c ，山水6 5 。c 时，c o p 达到3 7 2 。i 司年松下也推山了自己的热泵热水器。 由于在日本c 0 2 热泵热水器的优良生态环保性能而获得了“e c oc u t e ”的称 号。在日本的一些寒冷地区，环境温度比较低，传统工质的热泵热水器或空气源 热泵热水器能效和出水温度相对都比较低。日本向来比较重视传统工质对气候变 化所带来的不利影响。政府对采用c 0 2 作为工质的热泵热水器进行补贴，为其 产品的推广带米便利。据日本热泵蓄热中心( h p t c j ) 2 0 0 7 年研究报告表明， 在r 本i o i j , jc 0 2 淌减是由热泵技术带来的，其中c 0 2 热泵热水器占到了2 。 c o z 热泵热水器从2 0 0 1 年投放市场以来，销量每年都逐步一t 一j i 。即使在经济危 机比较严重的2 0 0 0 年，其销售量也超过了5 l 万台。到目前为止，日本巾场上已 经有超过十六个品牌的c 0 2 热泵热水测1 5 】。 1 3 超临界c 0 2 换热的研究进展 在准临界区，与普通工质的单相强制对流换热过程相比，超临界c o ：流体 的传热特殊性主要表现为超临界c 0 2 在冷却换热过程中跨越临界区。凶此，研 究跨临界换热过程的微观机理，寻求提高换热效率的换热器结构和形式是多年来 一直努力的目标。 1 3 1 c 0 2 跨临界循环换热的研究 到目前为止，很多对超临界流体放热过程的机理和影响凶素进行了研究。魏 东l l6 j 对管壳式气体冷却器一i i 的跨临界c 0 2 冷却换热过程进行了研究，并根据实 验结果得出了在一定实验条件下的含油超临界c 0 2 冷却换热的换热关联式。 o l s o n 【l7 j 用丈验的方法测量了不同质量流速、热流密度和冷却水流量下相应的 c 0 2 换热系数，比较了加热和冷却条件下的c 0 2 换热系数，同时将实验结果与常 用的几个紊流换热关联式进行了比较。 文献i t s 对内径为7 7 3 m m 管径铜管中的超临界c 0 2 冷却过程的换热情况进行 了实验研究。结果表明，随着冷却过程的进行，c 0 2 侧换热系数先增加再减小， 在准临界温度附近达到最人值，并且压力越高，换热系数所对应的峰值越低，相 应的流体温度也越低，如图1 4 所示。他们将实验结果与现有的换热关联式进行 了比较，发现计算值都比实验值偏小。最后他们自己拟合出了一个适合于c 0 2 微通道换热的实验关联式，使得计算与实验值误差保持在2 0 以内。 第章绪论 t - t 7 i - 二，+ 一，- 一_ 。_ j i a i 。 c 00 0 ：0：。：4 、? ，、l t e m p e r a t ur e ( ：c ) 图1 4 一i 同压力下换热系数随温度的变化 d a n g 和h i h a r a 1 9 对比了从1 1 1 1 1 1 1 到6 1 1 1 1 1 1 四种不同内径的水平管内的c 0 2 在 不同质量流量、压力和热流密度情况下的换热系数，结果表明换热系数随温度的 变化情况与文献 1 8 类似。并将实验数据与儿个常用的换热关联式进行了对比， 最后根据实验数据得出了修正后的g n i e l i n s k i 换热关联式。 h o o 和t a e 2 0 j 对c 0 2 在螺旋套管换热器中的换热特性进行了实验研究。结果 表明，c 0 2 侧压降随着高压的增加而下降，随着质量流量的增加而增加。相应的 换热系数随着高压的增加而减小，随着质量流量的增加而增加。 李志辉和姜培学【2 1 对小管径垂直网管内的c 0 2 分别为向k , h 向卜流动的换 热情况进行了实验研究。在压力为7 8 9 5 m p a ，进口温度为2 5 4 0 ，分别将无 浮牛力影响和浮生力影响较大情况卜与已有的换热关联式计算结果进行了对比， 计算值与实验值误差比较人。并根据已有的实验数据重新拟合出了新的换热关联 式。 1 3 2 含油超临界c 0 2 冷却换热的研究 在c 0 2 跨临界循环制冷系统中，需要在j 玉缩机中加入适量的润滑油米保证 其正常工作。虽然在系统中有油分离器，但是仍不口j 避免的会有部分润滑油随着 制冷剂气体进入到整个循环之中。少量的润滑油, r i n d 冷剂构成了整个循环的工作 流体。润滑油的存在对换热器的换热性能产生了较大的影响。般来说，在换热 器中由于油膜的存在会降低换热性能，同时会增加气体冷却器中的压降，造成一 定的不可逆损失。 目前在跨临界c 0 2 制冷系统中常选用的润滑油有如下儿种【2 2 ：聚乙烃基乙 二醇油p a g ( p o l y a l k y l e n eg l y c 0 1 ) ；脂类油p o e ( p o l y o le s t e r ) ；聚乙烯醚类润涓 油p v e ( p o l y v i n y l e t h e r ) ：烷基苯类润滑油a b ( a l k y lb e n z e n e ) ；聚烯类润滑油 第章绪论 p a o ( p o l y 。a l p h ao l e f i n ) 。 d a n g 对含有p a g 润滑油的超临界c 0 2 的冷却换热系数及压降进行了可视化 研究【23 i ，内管从l m m 到6 r a m 。润滑油含量从0 5 。压力从8 一i o m p a ，含有润 滑油的换热器换热系数下降，压降增加，如图1 5 和l 一6 。这种恶化是由于沿着 内管形成的富油边界层。换热系数的最大减少量大约为7 5 ，发生在准临界温度 附近。f r 是只在某一个吲定区问内随着含油量的增加，换热系数不断下降。当超 过这个区间之后含油量对其换热的影响便不再改变。在d a n g 的另一篇文献【2 1 】 中，可视化观察到了许多油滴的存在。随着温度的增加，油滴的范围和数量不断 减小，油膜变得越来越清晰。 ：c三。二j：jj i ： 1 a j 0 j 图1 5 不同油浓度下的换热系数变化情况图1 。6 不同油浓度卜的j 玉降变化情况 z i n g g e r l i 和g r o l l 2 5 1 采用精确测量的方法，得出了不同润滑油含量对c 0 2 冷 却过程的换热系数和压降的影响。实验数据表明，当润滑油含量为2 时，换热 系数下降l5 左右；润滑油含量为5 时，换热系数下降2 5 左右。润滑油含量 为2 时的压降小于润渭油含量为5 的压降。 1 4 c 0 2 气体冷却器的发展 由于c 0 2 本身临界压力低的特点，一般用于跨临界制冷循环中的气体冷却 器承受j 玉力在i o m p a 定右，大大高于普通工质冷凝器的1 二作压力( 3 - 4 m p a ) ，因 此c 0 2 气体冷却器一般采用耐高压的小管径设计，对于气体冷却器的密封要求 比较高。另一方面，c 0 2 在气体冷却器中为显热放热，整个放热过程中都有一定 的温度滑移。c 0 2 的比热很大，温度下降相对比较平缓，可以同水侧保持较小的 换热温差，两者的温度匹配性较好。 c 0 2 气体冷却器的结构形式多种多样，有管壳式、套管式、板式、翅片式等 等，但大体上按照冷却方式的不同分为两种。一种是用于汽车空调、家用空调等 u v v !：v ! u i v ，i二，iiii loc0一 t4，、一1l 一、j=，ji一：i：e十-，j；li一三 第章绪论 领域的空气冷却式气体冷却器，另一种是用于热泵热水器等领域的水冷式气体冷 却器。 1 9 9 0 年到1 9 9 1 年期间，挪威的l o r e n t z e n g 和p e t t e r s e n j 【2 6 】研究出了第一台 用于c 0 2 作为制冷剂的汽车空调气体冷却器样机。该气体冷却器为内外径为 3 4 4 9 m m 的铝制管翅式换热器，示意图如图1 7 所示。由于存在热短路的问题， 同时没有考虑最小爆裂压力，又提出了第二代c 0 2 管翅式气体冷却器模型。该 模型采用了内外径为2 0 3 2 m m 的换热管，但是小管径的换热管存在机械胀管的 问题，且小直径管了内径胀管加工困难、成本高，管予数和弯头都比较多，继而 又提出了如图1 8 的平行流微通道换热器【2 7 。这种换热器的传热管插入积液管上 的插槽内。通过在积液管内插入隔板可以达到增加换热器流程的目的。同时传热 管上布置翅片，使得制冷剂与空气之间的换热面积增大了。 恒筘 图1 7 第一代c 0 2 汽车空调气体冷却器图1 8 微通道平行流气体冷却器截面图 国内某高校开发的圆管平行流换热器如图1 - 9 所示【2 引，圆形管束由并排的 多根圆管组成，直径在0 2 5 m m 范围内。集流管同样可由多根圆管并排焊接而 成，一端封闭，另一端开口，直径在1 5 3 0 m m 之间。这种换热器不受管材必须 是铝的限制。 图1 9 网管平行流换热器 第一章绪论 对于空气冷却式气体冷却器，近年来又提出了两种设计理念。分别是多管程 单列交叉流式和单管程多列逆流式【2 9 1 ，如图1 1 0 和1 1l 所示。两利- 的性能有所 不同，单管程逆流式换热器的最大优点是最后一列的制冷剂也能接触到冷空气， 有效地降低了工质侧出口问题，提高了换热器的性能，因而其应用相对比较广泛。 r e f r i g e r a n ti n ! e t 二_ 1 3 妣 4 3 o7 s 7 j 一j ? 二一二一一i ：二刈誓i 了一：t o ：h 矗 i 一 1 托老j 二二。t _ ；二二一二j 一 二二一 一一 螂l j 睁啼 o 0 6 酹 微通道管截面图 ￥ r e f r i g e r a n te x f f 图1 1 0 多管程单列交叉流式气体冷却器图1 1 l单管程多列逆流式气体冷却器 水冷式气体冷却器的换热系数相对较高，一般用于热泵热水器上。日本的 c 0 2 热泵热水器因具有良好的节能性以及能效高为其赢得了“e c oc u t e ”的称号。 我国在1 9 9 7 年也推出了首台二氧化碳热泵热水器，并且正式运行，在温度极低 的情况下仍能保持较高的c o p 。图1 1 2 为日本家用热泵热水器的气体冷却器发 展历程 3 0 - 3 2 j 。图( a ) 是套管式气体冷却器，由于制冷剂侧工作压力很高，内管 有可能发生爆裂，同时引起外管发生二次爆裂，有一定的安全隐患。图( b ) 是 两种不同的外绕式气体冷却器，图( c ) 虽然也是外绕式，但采用螺旋弯管的形 式增加了接触面积，也增加了流体的扰动，换热性能有所提高，图( d ) 是微通 道式换热器，换热管径比较小，耐高压。从日本热水器气体冷却器的发展趋势来 看，换热形式不断朝着微通道，小体积的方向发展。 ( a ) 套管式 ( b ) 外绕式 ( c ) 外绕式( d ) 微通道式 图1 1 2c 0 2 热泵热水器中中常用的气体冷却器形式 竺 删 一 、 叫酚 r二二=：7州u 聊 一 鬻一 第章绪论 1 5 本课题研究的内容和意义 1 5 1 研究内容 本文首先通过理论分析，研究了c 0 2 跨1 1 1 i 界循环系统的c o p 和火用效碑i 随不 同参数的变化情况。然后通过分布参数法建立了气体冷却器的换热模型，并对不 同流量及管数情况下的换热过程进行了模拟。之后进行了水平螺旋管气体冷却器 的可视化实验，设计加工了工质侧管数为4 的气体冷却器，并同之前的换热器的 性能进行了对比分析。主要内容包括以下几点： ( 1 ) c o7 跨临界循环系统的理论分析。主要是比较了不同蒸发温度、高压压 力、过热度、气体冷却器出口温度和气体冷却器压降对系统性能和压缩机出口温 度的影响。 ( 2 ) 基丁分布参数模型的c 0 2 气体冷却器的模拟。通过理论分析，选取了 合适的换热关联式，建立了气体冷却器的换热模型。比较了工质流量、工质管管 径及管数对换热性能优劣的影响。 ( 3 ) c 0 2 气体冷却器的可视化研究。通过对气体冷却器加工安装高透明石 英玻璃，一方面通过采用高速摄影的方法，观察了t 质为气液两柏状态时的气体 冷却器内部的紊流过程。另一方面通过在润滑油中添加荧光物质的方法，观察了 不同温度和j 玉力下润滑油在工质中的存在形式及流动过程。 ( 4 ) 新型气体冷却器的加工。设计加工了工质管为4 根的气体冷却器，并 i 司之前的工质管为3 根时的换热过程进行了对比。 1 5 2 研究意义 本文主要针对( 7 0 2 跨临界循环气体冷却器进行了理论分析和实验研究，旨 在研究气体冷却器内部的换热过程，开发性能高效的换热器，加快自然工质c 0 2 在制冷空调领域的开发应用，努力提高其跨临界循环的性能系数，从而替代各种 对环境危害比较大的制冷剂。对解决全球气候变暖和臭氧层破坏问题具有一定的 现实意义。 第：章c 0 2 热泵热水器口i t 刊j 。田p , - ”fl 衍j t 的理沦分忻 第二章c 0 ：热泵热水器跨临界循环的理论分析 c 0 2 的临界温度比较低( 3 0 4 2 1 k ) ，利用c 0 2 作为制冷剂的热泵热水器要想 把热水加热到较高的温度，压缩机必须将其压缩到临界压力之上，冈此c 0 2 放 热过程主要是在超过i | 1 i 界压力区域内放热。c 0 2n g l l l ；i 界压力又比较大( 7 3 8 m p a ) ， 因此系统的高压一般在7 1 2 m p a 之间。压缩机的排气压力在临界点压力之，卜- ， 吸气压力在| | ；界点压力之下，因此将c 0 2 蒸汽压缩式逆循环称为是跨临界循环。 2 1 c 0 2 跨临界循环的特点 c 0 2 跨临界理想循环的原理图和t - s 图如图2 1 和2 2 。其中i 2 为压缩机中 的等熵压缩过程，2 3 为气体冷却器中的定压放热过程，3 4 为节流阀中的等焓 降压过程，4 1 为蒸发器中的定压吸热过程。 气体冷却器 节流 蒸发器 2 s 图2 1 c 0 2 跨临界循环原理图图2 - 2c 0 2 跨临界循环t - s 图 与传统工质的亚临界循环不同，c 0 2 跨临界循环由于其较低的临界温度( 3 1 1 ) ，较高的临界压力( 7 3 8 m p a ) ，使得c 0 2 的放热过程是在超临界区，换热为 自己本身的显热，具有较人的温度滑移。该区域内c 0 2 可以保持较高的定压比 热，同时因为该放热过程跨越c 0 2 的准临界区域，因此物性随着温度的变化影 响较大。气体冷却器中c 0 2 的温度滑移与水温的温度变化白j + 以很好的匹配，因 此可以保持较高的换热系数，这也是c 0 2 跨临界循环本身特有的一个优点之一。 同时，该循环的蒸发压力( 3 m p a 左右) 和冷凝压力( 8 m p a 左右) 都较高，但 压比较低，因此可以使压缩机保持较高的压缩性能。 第。：章c o ：热泵热水器跨临界衢环的耻沦分析 2 2 循环性能评价指标一c o p 与火用效率 系统优劣的评价有两种方法，一种是热力学第一定律即能量守恒定律，通过 能量利用的观点分析了所获得的热量或冷量与所付出的功( 主要是压缩功) 之间 的比例关系。通过热力学第一定律可以直观的看出不同系统在同一t 况下以及同 一系统在不同工况下性能的优劣。但是热力学第一定律未能表明热量传递的方 向、条件和限度。 第二种方法是热力学第二定律，它揭示了与热现象有关的过程进行的方向、 条件和限度。根据热力学第_ 定律，各种形态的能量转换为高品位能量的能力是 1 i 同的，度量这种能量品位高低的尺度就是火用( 有效能) 。火用的大小彳i 仅与转换 过程的不可逆程度有关，还与环境温度有关。采用火用效率来评价系统的能量转 换过程_ 史能反映系统的性能。 热力学第一定律和热力学第二定律共同构成了热力学的基础【33 1 。通过热力学 第二定律可以得m 孤立系统的熵增原理，即孤立系统内部发生不可逆变化时，孤 立系统的熵会增加。孤立系统内部发生可逆变化时，系统的熵不变。热力学第二 定律揭示了系统的能量是有品质的，并不是所有的遵循能量守恒的过程都会无条 件发生的。因此，可以通过系统的火嗣( 有效能) 损失的方法分析循环的哪部分 有用功的损失最大，系统的( 用效率( 利用的有效能与输入的有效能的比值) 来 分析系统对于输入高品质电功的利用率。 2 2 1 理论分析过程 通过热力学第二定律口j 以知道，对于一个孤立的系统来说，如果孤立系统内 部发生不可逆变化时系统内部的熵就会增加；当系统内部发生可逆过程的时候， 系统内部的熵不变。对于跨临界的c 0 2 循环来说，系统的蒸发器和冷冻水系统、 压缩机中的制冷剂、气体冷却器和冷却水系统、节流阀中的制冷剂分别构成了一 个孤立的系统。对于实际的循环来说，各个部件内部吖i 可避免的会出现一些不可 逆过程，所以系统各个部件内部的熵是不断增加的。为了对系统进行简化计算， 在对系统进行模拟分析之前需要做几个假设： 1 压缩机的压缩过程是绝热过程但不是等熵过程，由于摩擦等不可逆过程放 出的热量全部被制冷剂吸收。 2 换热器( 气体冷却器和蒸发器) 内部由于摩擦而造成的压降损失忽略不计。 3 节流阀内部的节流过程近似认为是等焓过程。 ( 1 ) 蒸发器模型