（工程热物理专业论文）含油超临界COlt2gt冷却换热理论与实验研究.pdf

中文摘要 采用自然工质c 0 2 的跨临界循环技术具有广阔的应用前景，而提高c 0 2 跨 临界制冷循环系统性能是推广此技术应用的关键。本文通过理论分析和实验研 究相结合，重点分析了c 0 2 专用润滑油p a g 及c 0 2 p a g 混合物性能、超临界c 0 2 冷却换热的机理、新型气体冷却器换热性能及其对c 0 2 跨临界水水热泵循环 系统性能的影响。 论文对润滑油基本参数的不同计算公式进行了分析，利用已知润滑油烷基 苯的数据，提出了便于工程应用的合成润滑油基本参数的新通用计算公式。在 少量已知的润滑油p a g 物性数据基础上，通过修改润滑油物性经验公式，得 出p a g 物性的新计算公式。 ， 论文利用润滑油与制冷剂混合物物性计算公式对超临界c 0 2 p a g 混合物 物性进行了计算分析；同时还利用聚集态理论和非平衡热力学对临界区物性盼 特殊性进行了分析，结果表明临界区分子聚集行为变化较为显著是临界区物性 剧烈变化的主要原因。 论文分析了润滑油对制冷系统的影响。利用连续性方程和动量方程计算分 析了换热管内壁上的当量油膜厚度分布。并根据提出的气体冷却器的新换热模 型，对气体冷却器的性能进行了计算分析。根据计算分析结果，提出了气体冷 却器的优化结构，并设计加工出新型实验用气体冷却器。新型实验用气体冷却 器不仅能够减小换热管内壁上的油膜厚度，减小热阻，而且还能强化了两侧流 体的对流换热效果，在很大程度上，提高了气体冷却器的整体换热性能。 + 论文通过实验研究对c 0 2 新型实验用气体冷却器性能进行了分析，发现新 型实验用气体冷却器换热性能较好。同时还对带膨胀机或节流阀的c 0 2 跨临界 水水热泵循环系统进行了实验研究。结果表明，新型实验用气体冷却器在很 大程度上提高了c 0 2 跨临界水水热泵循环系统性能。气体冷却器出口处的c 0 2 温度越低，c 0 2 跨临界水一水热泵循环系统性能就越高，膨胀机可回收功也就 越小。 关键词：c 0 2 跨临界循环c 0 2 p a g 混合物气体冷却器合成润滑油p a g 本论文受国家自然基金( n o ：5 0 5 0 6 0 1 9 ) 和天津市自然科学基金项目( n o ： 0 6 y f j m j c 0 5 4 0 0 ) 资助。 a b s t r a c t t h en a t u r a l r e f i g e r a n t ( ：0 2 t r a n s c r i t i c a lc y c l et e c h n o l o g yh a sab r o a d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d i m p r o v e m e n to fc y c l es y s t e mp e r f o r m a n c ei s t h ek e yf o r t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l et e c h n o l o g yp o p u l a r i z a t i o n p e r f b r m a n c eo fl u b r i c a n to i l s p e c i a lf o rc 0 2t r a n s c r i t i c a lc y c l ea n dc 0 2 p a gm i x t u r ew e r er e s e a r c h e d t h e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw a su s e dt o a n a l y z eh e a t t r a n s f | e r p e r f o r m a n c eo fg a sc o o l e r t h em e c h a n i c so fs u p e r c r i t i c a lc o 2h e a tt r a n s f e ru n d e r c o o l i n gc o n d i t i o nw a si n v e s t i g a t e d h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h en e wt y p eg a s c o o l e rw a ss t u d i e db ym e a n so fs i m u l a t e da n de x p e r i m e n t e d a n dt h ee f f e c to fn e w t y p eg a sc o o l e ro nc 0 2t r a n s c “t i c a lw a t e r t o w a t e rh e a tp u m pc y c l es y s t e mw a s r e s e a r c h e d n e wg e n e r a lc o m p u t i n gf o r m u l a so fs y n t h e t i cl u b r i c a n to i lb a s i cp a r a m e t e r s w e r ep u tf o r w a r db yu s eo fa l k y b e n z e n el u b r i c a n to i ld a t a ，a f t e rd i f f e r e n te m p i r i c f o m u l a so fl u b r i c a n to i l sb a s i cp a r a m e t e rh a db e e na n a l y z e d t h en e wc o m p u t i n g f o r m u l a so fl u b r i c a n to i li a gp h y s i c a lp r o p e r t i e sw e r ep r e s e n t e do nt h eb a s eo f e x i s t e de m p i r i cf o r m u l a sa n daf e wo ff ，a gp h y s i c a lp r o p e r t i e sd a t a t h ep r o p e r t i e so fc 0 2a n dp a gm i x t u r ew e r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt op r o p e r t y e m p i r i cc a l c u l a t i n gf b m u l a s o f r e f r i g e r a n t a n dl u b r i c a n to i lm i x t u r e t h e m o l e c u l a ra g g r e g a t i o nt h e o r ya n dn o n e q u i l i b r i u mt h e r m o d y n a m i c sw e r ea p p l i e d t os t u d yp r o p e r t i e sc h a n g ei nt h ec r i t i c a lr e g i o n t h ec 0 2p r o p e r t i e ss e v e r ec h a n g e i sr e s u l t e di ns e v e r ec h a n g eo fc 0 2m o l e c u l a ra g g r e g a t i o nb e h a v i o ri nt h ec r i t i c a l r e g i o n t h ee f 话c to fl u b r i c a n to i lo nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a si n v e s t i g a t e d t h e e q u i v a l e n to i lf i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o na l o n gl e n g t ho ft u b ew a sc a l c u l a t e db y c o n t i n u i t ye q u a t i o na n dm o m e n t u me q u a t i o n t h en e wh e a tt r a n s f e rm o d e lo fg a s c 0 0 1 e rw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt op r a c t i c a lh e a te x c h a n g ep r o c e s so fg a sc o o l e ri n t h ec 0 2t r a n s c r i t i c a lr e f r i g e r a t i o no rh e a tp u m pc y c l eu n i t t h en e wh e a tt r a n s f e r m o d e lw a su s e dt os i m u l a t e dh e a tt r a n s f 色rp e r f b r m a n c eo ft h ed i f f b r e n ts t r u c t u r e g a sc o o l e r a n dt h en e we x p e r i m e n t a lg a sc o o l e rw a sd e s i g n e da n dm a d eb yt h e s i m u l a t e da n da n a l y z e dr e s u l t s t h en e we x p e r i m e n t a lg a sc o o l e rn o to n l yr e d u c e s l u b r i c a n to i lt h i c k n e s sa n d c o n v e c t i o no fh e a te x c h a n g e r d e c r e a s e sh e a tr e s i s t a n c e ， b u ts t r e n g t h e n sh e a t f l u i d sc 0 2a n dw a t e r t h u st h ew h o l eh e a tt r a n s f e r t t p e r t o 珊a n c eo fn e w e x p e r i m e n t a lg a sc o o l e rw a se n h a n c e da ta g r e a td e g r e e 1n ee x p e r l m e n t a lr e s e a r c h e s 0 nn e we x p e r i m e n t a lg a sc o o l e ra n dn e w c o ， t r a n s c n t l c a lw a t e r t o 。w a t e rh e a tp u m p c y c i ew e r ep e r f o m e d i tf o u n dt h a tt h eh e a t t r a n s 士e rp e r f o r m a n c eo ft h en e w e x p e r i m e n t a lg a sc o o l e rw a sb e t t e rt h a no l do n e a n de x p e n m e n t a ir e s e a r c ho np e r f o r m a n c eo ft h ec 0 2 t r a n s c r i t i c a lw a t e r - t o w a t e r n e a tp u m pc y c l es y s t e mw i t he x p a n d e ro rt h r o t t l i n gv a l v ew a se x e c u t e d i tw a s t o u n dt h a tt h en e we x p e r i m e n t a lg a sc o o l e ri m p r o v e dt h e c y c l ep e r f o 瑚a n c eo ft h e 乙u 2t r a n s c n n c a lw a t e r - t o 。w a t e r h e a tp u m p c y c l e ，a tal a r g ed e g r e e t h el o w e rt h e u u 2o u t l e tt e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e ri s ，t h eb e t t e rt h e c y c l ep e r f o r m a n c eo ft h e 乙u 2t r a n s c n t l c a lw a t e r - t o w a t e rh e a tp u m ps y s t e mi s ，t h el o w e rt h ec 0 2o u t l e t t e m p e r a t u r eo fg a sc o o l e ri s ，t h es m a i l e rt h er e c o v e r yw o r k k e y w o r d s ：c 0 2t r a n s c r i t i c a l c y c l e ；m i x t u r eo fp a ga n dc 0 2 ； g a sc o o l e r ： s y n t h e t i cl u b r i c a n to i lp a g ： t h ed i s s e r t a t i o nw a ss p o n s o r e d b yn a t i o n a ln a t u i a 1 s c i e n c ef o u n d a t i o n 。fc h i n a ( n o ：5 0 5 0 6 0 1 9 ) a n dn a t u r a ls c i e n c ef 。u n d a t i o n 。f t i a n j i n ( n 。： 0 6 y f j m j c 0 5 4 0 0 ) i i i 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进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，也不包含为获得墨鲞盘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：编习签字日期： 浙7 年6 月，弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：务卜 弓、刁导师签名：二绉六 签字日期：叩年石月多日签字日期：毋叼年易月，多日 第。一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 工业革命以来，人类通过对矿物能源等自然资源的无节制的开发利用，创造 了先进的工业文明和后工业文明。现代文明主要以化石燃料能的降级和扩散能力 推动各种活动，用水或空气做扩散空间并排放高熵废物和废热，对生态环境造成 极大的污染。虽然人们对发展的欲望没有极限，但对资源的索取、对环境的污染 却是有限的。酸雨、温室效应、水资源污染以及能源短缺是现代社会盲目高速发 展的直接后果。目前，能源与生态环境问题已成为制约人类社会可持续发展的关 键性问题。 1 1 1 可持续发展的热力学分析 1 9 8 1 年，美国杰里米里夫金和特德霍华德两位学者发表熵一一种新 的世界观，把热力学第二定律广泛用于哲学、心理学、经济学、政治学、社 会学以及西方文化各个领域，建立了以热力学熵增原理为基础的世界观。“熵” 世界观，客观地揭示了当代人类面临的全球性环境问题的深层次原因。 熵的概念表明，物质与能量只能沿着一个方向转换，即从可利用到不可利用， 从有效到无效，从有序到无序，从有用功到无用功。熵的增加，意味着有效能量 被耗散减少，转化为无效状态的能量。 虽然热力学研究的可逆过程对环境没有任何不良影响，而实际过程都是产生 热污染和大气污染的不可逆过程。热力学设备的发展与应用使环境偏离了原定 态，而且偏离程度越来越大。虽然社会高度有序化发展是一种“熵减”现象，但 是带给环境的却是“熵增”，也就是生态环境的污染。社会进步的熵减小于环境 污染的熵增，而且两者不能在物理量上相互抵消。因此来说，人类发展过程是一 个熵增过程。 从热力学角度来看，人类社会是一个开口系统。社会系统要维持内部的有序 性与进化，必须依靠能量、负熵的输入。在这个意义上，“能量流”是社会的生 命与发展之源，社会发展依赖于更大规模的获取、储存和利用能量。 比利时科学家普利高津从物质和能量相分离的角度把自然系统分成由 c l a u s i u s “热力学平衡理论”支配的孤立、封闭体系和由b o l t z m 锄“有序原理” 支配的开口体系【2 1 。 天津大学博。i ：学位论文 非平衡态热力学从复杂开口系统出发，对系统熵的变化规律描述为 嬲= 搬，+ 嬲，即开口系统的熵变有两部分：嬲，为系统内部的不可逆熵产，总大 于零；魍为系统与外界环境之间的熵流，可正可负。当j 嬲，j - j 峦，i ，且魍为负 时，搬= o ，系统保持不变；当防。i 0 ，系统将退化； 鼢，i 地，i ，且魍为负时，嬲 0 ，系统得以进化。由此可见，一个复杂系统的 总发展趋势基本可分为三种形式：一是系统处于稳定结构；二是系统发生震荡或 崩溃；三是系统从一种稳态结构向另一种稳态结构演化。所以，一切生命系统的 发展进化都要依靠外界能量输入。 普利高津( p r i g o g i l l e ) 于1 9 6 9 年正式提出耗散结构理论。一个远离平衡态的开 口系统，当外界条件或系统的某个参量变化到一定的临界值时，通过涨落发生突 变，就有可能从原来的混乱无序状态转变为一种时间、空间或功能有序的新状态。 要稳定或维持这种远离平衡且在非线性区域形成的宏观有序结构，需要与外界不 断的进行物质和能量交换。这种需要耗散能量的有序结构称为耗散结构【3 j 。 以耗散理论来看，人类社会的有序结果需要三个重要环节：导入，耗散结 构需要持续的低熵物质流和能量流，也就是资源( 被称为广义的输入 q 1 ) ) 的源 源不断的补充以维持本身的正常发展；代谢，能积极消费低熵资源，并将其中 一部分转变为广义的功 w l ，推动自身的发展；废弃，作为代谢的结果要及时 地排出高熵物质流和能量流( 被成为广义的排放 q 2 ) ，若不及时排出高熵废料 将直接威胁耗散结果的存在【4 】。只有保证人类社会发展的三个环节( 导入、代谢 和废弃) 的相对稳定，才能保证社会发展的可持续性和环境的相对稳定性。 开口系统的外部是各种参数相对稳定的生存环境。人类社会的可持续发展主 要应保证上述三个环节的可持续性和环境的稳定性。从熵的角度看，只要自然体 系的总熵满足豳 1 5 0 制冷剂。而现有制冷剂r - 1 3 4 a 的g w p 为1 4 3 0 。2 0 0 6 年7 月4 日，欧盟含氟气体新法规8 4 2 2 0 0 6 开始正式成为法律条 例；2 0 0 7 年7 月4 日开始正式生效。欧盟新法规涉及对象包含所有的h f c 制冷 剂，比如r 1 3 4 a 、i h 0 7 c 和i 1 0 a 。欧盟新法规对制冷剂提出了更为严格的要求。 由此可见，各种人工合成制冷剂及其替代物的寿命越来越短。 虽然国际环保组织对发展中国家要求较为宽松，但对发展中国家的外贸产品 造成了绿色贸易壁垒。由欧盟的制冷剂发展道路可知，人工合成制冷剂及其制冷 技术不具有可持续性，不符合循环经济的发展思路。因此，中国不能走发达国家 “第四代制冷剂”的路线，而应另辟途径走以自然工质为主的可持续发展路线。 在空调制冷系统中，自然工质的泄漏既不会造成臭氧层破坏，又不会导致温室效 应。同时，自然工质也可被重复利用，符合循环经济的思想。 从循环经济的观点来看，我国应该调整能源结构，大力开发可再生能源，减 少矿物能源的利用比例，同时提高产品能效。另外，还要限制高o d p 和高g w p 天津大学博士学位论文 制冷剂的生产与使用，启用自然工质，大力开发自然工质制冷新技术。 1 2 自然工质c 0 2 的发展及应用 在1 9 世纪后期至2 0 世纪初期， c 0 2 是一种被广泛应用于船用制冷 系统的制冷剂。在2 0 世纪3 0 年代， c f c s 制冷剂问世后，在当时被成为 低毒、不燃、高效、化学稳定性高 的制冷剂，其应用得到速度的推广。 因此c 0 2 制冷剂渐渐退出了历史舞 台。制冷剂的发展如图1 - 4 【1 2 1 。 - o 拍 柏 3 0 神 m n 一一 r 、锡7 ， x 。 ，7 4 、 k 彳 、 p眠y 、 - p p ”? ”“毒 、 ，。， 步y 1 、 1 1 l 瞄o ! 哪 l f 7 口1 ，_ o2 嘲 图l _ 4 几种常用制冷剂在船用制冷方面的应用 1 2 1 制冷剂替代 近年来，随着臭氧层破坏和温室效应等全球生态环境问题的日趋严重， c f c s 和h c f c s 将在不同地区相继被禁止生产、使用。于是人们开始对制冷剂替 代进行了研究，提出了以人工合成制冷剂h f c 以及c 0 2 等自然工质来替代c f c s 、 h c f c s 。由图1 5 可知，在制冷剂中，氯元素含量越大，制冷剂的臭氧层破坏潜 能o d p ( o z o n ed 印l e t i o np o t e n t i a l ) 也就越高；氟元素含量越大，制冷剂的g w p 也就越高。所以说，替代性制冷剂及环保型制冷剂发展的总方向是朝无氯、无氟 hh cfc if 图1 5 氯和氟两种元素对o d p 和g w p 的影响【2 0 1 纯天然制冷剂方向发展。目前，替代c f c s 的潜在制冷剂有合成的和天然的两种， 合成的替代物有h f c s 、h c f c s 小f c s 混合制冷剂以及不同h f c s 组成的混合制冷 剂作为的过渡型制冷剂，其中h f c s 可作为长期过渡的环保型制冷剂：天然替代 物有n h 3 、c 0 2 、水和碳氢化合物。图1 6 给出了部分替代工质的o d p 和g w p 。 由于某些h f c 替代工质具有较高的g w p 和某些缺陷而被列入受控物质之列【l3 1 。 如果从考虑环境的长期安全性出发，应尽量避免使用那些最终排放到生物圈 中并影响生态平衡的非自然工质，重新启用自然工质，如c 0 2 、n h 3 、s 0 2 和碳氢 化合物。表l 一2 给出了几种工质的特性。人们把目光重新投向自然工质上来，这 第一章绪论 也符合了哲学思想上的否定之否定规律。实际上也只有使用自然工质才能解决臭 r 1 1 - 、- ； r 13 r 1 4 r 2 2 r 1 2 3ii r 1 2 4 i r 1 4 l_圈 r 3 2_ r 4 l 嘶固_ r j 3 啦曩雹 r 4 0 1 c 一 r j j 2 ai r 7 4 4 i r 7 1 7 r 2 9 0ti l0 80 60 40 2 0 2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 o d p ( 相对于r 1 1 )ig | w p ( 相对于r 7 4 4 ) 图1 6 几种常用制冷剂的o d p 和g w p 1 4 】 氧层破坏等环境问题。从表1 2 可知，c 0 2 工质较为安全、环保和廉价。 表1 2 几种工质的特性 1 2 2c 0 2 制冷工质发展及其跨临界循环 前国际制冷学会主席g a u s t a r vl o r e n z e n 教授认为c 0 2 将会在2 1 世纪的制冷空 调行业发挥其重要作用。他在1 9 8 9 年申请了带节流阀的c 0 2 跨临界循环的国际 专利，并期望应用于汽车空调。1 9 9 2 年，l o r e i l z e n 和p e t t e r s e n 在关于c 0 2 汽车空 调的实验系统的发表论文中，指出c 0 2 系统效率虽然比成熟的r 1 2 系统稍低，但 其提高潜力很大 1 5 】。从此，c 0 2 作为工质的研究再次成为研究热点。从1 9 9 4 年 起，旨在研究自然工质的l i r g a u s t a vl o r e n z e nc o n f e r e n c eo nn a t u r a lw 6 r k i n g f l u i d s 会议每两年召开一次，目前已召开七届( h a n n o v e r ，1 9 9 4 ；舢h u s ，1 9 9 6 ； o s l o ，1 9 9 8 ；p u l d u e ，2 0 0 0 ；g u a n g z h o u ，2 0 0 2 ；l o n d o n ，2 0 0 4 ；t | 0 n d h e i m ，2 0 0 6 ) 。 图1 7 给出每次会议有关c 0 2 工质的论文数量。 c 0 2 作为制冷工质具有以下特点：环境友好性( 0 d p = 0 ，g w p = 1 ) ；安全性； 容积制冷量大；压比小，粘度低，导热性好；与普通润滑剂和结构材料相兼容； 价格便宜，维护成本低等 1 6 】。c 0 2 以其独特的性能赢得了越来越多的关注。 天津大学博士学位论文 近十年来，国内外对c 0 2 跨临界循环系统的研究与日俱增。许多研究者【1 7 。2 0 】 开展了c 0 2 在汽车空调、热泵热水器、水一水热泵以及复叠式低温制冷等方面的 应用。此外，还有许多研究对c 0 2 跨 1 2 0 临界循环进行了理论分析。k a u f 【2 ” 1 0 0 用作图法和模拟方法计算出最佳高丞8 0 压压力，以得到最大c o p 。“a o 等人翌6 0 【2 2 1 通过对不同的影响参数进行研銎4 0 究，给出了一个计算最佳高压压力 “ 第一章绪论 压缩机内通常添加一定量的润滑油来促进润滑、加强散热，减少压缩机的摩 擦损失。润滑油由于粘性大，在压缩机内也起到防止泄漏和减少噪音的作用。润 滑油与制冷剂如果匹配不好不但会降低系统效率，而且还会影响系统长期运行的 可靠性和稳定性【3 0 。3 2 】。c 0 2 p a g 混合物物性的研究有助于设计出高效换热器，进 而提高跨c 0 2 临界制冷循环性能。 1 3 1c 0 2 物性研究进展 1 8 6 9 年a n d r e w s 指出了c 0 2 临界点温度为3 1 1 ，并对临界点附近的性能进 行了测定。在早期的制冷书籍中，c 0 2 的热物理参数通常以图表的形式给出。由 于这些图表大多来自于实验数据，彼此之间存在较大差异。1 9 6 5 年国际理论与 应用化学专业委员会( i u p a c ) 在伦敦成立了c 0 2 物性研究小组对以前的实验数 据进行了整理，并于1 9 7 6 年出版了c 0 2 物性计算专著。1 9 9 0 年，v e s o v i c 等人【3 3 】 通过理论预测和精确的实验数据得到了c 0 2 临界区附近粘度和导热系数的计算 方程。1 9 9 6 年，s p a n 和w a g n e r 【3 4 j 在实验数据的基础上以h e l i i l l l o l t z 自有能函数形 式提出一个基本状态方程来研究c 0 2 热物性。在此基础上开发出一个“c 0 2p r o p ” 程序来估算c 0 2 亚临界和超临界区域的物性。目前c 0 2 最新的热物理参数主要来 自于s p a n 等人和v e s o v i c 等人的研究。c s t o p hb r a t s c h i 【3 5 】利用分子动力学的模拟 方法对c 0 2 的相平衡及临界物性进行了计算，结果表明临界点附近的物性计算值 与实验值吻合的较好。 在临界点附近区域，c 0 2 表现出“非气非液”的特性，其物性变化非常显 著，图1 8 给出了c 0 2 比热与焓的关系，图1 9 给出了c 0 2 密度和焓与温度的关系。 h l k 肌哪t e 州鼬n f ，c ) 图l - 8c 0 2 比热与焓的关系 图1 - 9c 0 2 密度和焓随温度的变化 h w a n g 和p r e i s s n e 一3 6 1 研究指出c 0 2 因具有输运性好、表面张力和液体粘度 低，冷却换热的温度滑移大等优点使得c o ：跨临界热泵循环技术得以推广应用。 1 3 2c 0 2 p a g 混合物物性 天津大学博士学何论文 常规工质与润滑油的混合物物性研究较多，但有关c 0 2 p a g 的混合物物性的 公开发表文献较少。 s e e t o n 等人( 2 0 0 0 ) c 0 2 与几种人工合成润滑油的相溶性、润滑性和可混性 进行了研究，结果表明：p o e 具有很好的可混性，另一方面p a g 、p a o 和a b 在 c 0 2 高浓度时，不易混 3 7 】。然而，p a g 在c 0 2 跨临界循环应用中表现出较好的润 滑性，这是因为p a g 具有较好的粘温特性。 “和r a i e w s k i ( 2 0 0 0 ) 对p a o 、m 0 、p a g 、p o e 、a n 与c 0 2 的相互作用进行 了评价，并对可混性、溶解性、运动粘度、稳定性和润滑性进行了实验研究，发 现它们与c 0 2 的可混性、溶解性和粘度是不同的【38 i 。 k a w a g u c h i 等人对p a g 、p v e 、p o e 与c 0 2 混合物的粘性、溶解性和可混性进 行了实验测赳3 9 1 。认为由于p a g 与c 0 2 部分可混，所以是c 0 2 跨临界制冷循环的 最好润滑油。p a g 在c 0 2 超临界条件下具有良好的润滑边界层。 h a u k 和w 萌d i l e r ( 2 0 0 0 ) 对c 0 2 与p a g 、p o e 、p a o 的可混性进行了研究f 4 0 f 。 p o e 与c 0 2 表现出良好的可混性，但是在相分离时，p a g 或p a o 与c 0 2 的可混性 好。在4 m p a 的压力下，蒸发器中的p a g 中溶有3 0 的c 0 2 。h a u k 和w 西d i l e r ( 2 0 0 0 ) 公布了他们对c 0 2 与p a g 溶解性研 究的成果，如图1 1 0 。文献 4 1 】对润 滑油特性及润滑油与c 0 2 的混合特 性进行实验研究，结果表明p a g 具 有优秀的润滑性能和较好的稳定 性，所以最适合c 0 2 跨临界制冷循 环。y o u b i i 埘s s i 等人也对c 0 2 在合 成润滑油中溶解度进行了研究 4 2 】。 t h o m a s 和p h a m 提出一个典型 的模型，通过引入温度和组分来对 c 0 ，s o i u 蚺i t yl 研嘲 图1 1 0c 0 2 与p a g 的溶解性 r 1 3 4 枷) a g 混合物相平衡特性进行了分卡斤【4 3 i 。2 0 0 1 年，y o k o z e k i 采用不同的立方 形状态方程( e q u a t i o no fs t a t e e o s ) 来分析润滑油与不同制冷剂的溶解度，并 建立了通用状态方程【删。a y o k o z e k i 在2 0 0 6 年利用p r 状态方程计算了c 0 2 在润 滑油中的溶解度，并把状态方程的计算值与试验数据进行了比较，发现数据吻合 较好【4 5 】。 m a n u e lr c o n d e 在1 9 9 6 年给出了溶解有制冷剂的润滑混合物的热物性估算 经验公式，并认为这些公式在某种条件下，还是比较实用的【4 6 | 。文献 4 7 】对h f c 制冷剂润滑油热物性进行了分析总结，并提出了混合物的综合模型，但没有涉 及有关c 0 2 与合成润滑油混合物物性的计算模型。文献 4 8 】设计了两种实验仪器 来测定超临界c 0 2 与润滑油的泡点压力，所测定的泡点数据与其它文献内的数据 第一章绪论 吻合较好。由于润滑油厂商很少提供润滑油的大量详细数据，文献 4 9 】提供了一 系列计算公式来估算制冷剂润滑油混合物的热物性及基本物理参数。文献 5 0 对制冷剂润滑油混合物的粘温特性进行了分析，认为混合物物性与混合物不对 称性有关。p c o i m b r a 等通过p r ( p e n g i 沁b i i l s o n ) 状态方程、s r k ( s o a v e r e d i c h k w o n g ) 状态方程等来拟合出固体药物在超临界c 0 2 流体中的溶 解度关联式p 。 由于润滑油对制冷热泵循环系统性能影响较大，c s e e t o n ，h s i i l l l e n g “等人 针对c 0 2 与几种合成润滑油的混合特性进行了实验研究。尽管c 0 2 跨临界循环系 统中设有油分离装置，循环工质c 0 2 仍携带有微量的润滑油，这些润滑油对气体 冷却器和蒸发器的换热性能，在一定程度上造成不良影响【5 2 。矧。 1 4 超临界c 0 2 的冷却换热研究 近些年来，对c 0 2 跨临界循环的热力学分析、系统仿真及实验研究都取得了 较大的进展，发现此c 0 2 跨临界循环不可逆损失大、系统c o p 低。理论分析和实 验结果均表明，气体冷却器的换热效率对提高系统性能是至关重要的【”】。高效气 体冷却器不但能提高循环系统的制冷量和c o p ，而且还能降低压缩机的最优运行 压力。文献 5 6 认为临界区很难确切的分界，原因是不同流体的现有物性参数不 足于划分。为了研究方便，文献 5 5 】对临界区、超临界区进行了划分。由于超临 界流体与亚临界流体的特性有较大的不同，特别是在临界点附近，工质本身的物 理性质有剧烈的变化，这将使得超临界c 0 2 与通常的亚临界流体在流动与传热特 性方面存在较大的不同。 为了更好的优化和设计高效气体冷却器，有必要对超临界c 0 2 在冷却条件下 的流动与传热特性进行研究。 1 4 1 超临界c 0 2 冷却换热研究进展 1 4 1 1 超临界c 0 2 换热的数值模拟及实验研究 对超临界流体，比如水、c 0 2 、氢、氦，在大管径通道内的强迫对流已进行 了大量的数值分析与理论研究。大部分d i t t u s b o e l t e r e 类型的关联式是针对管内 加热超临界流体。利用对比温度和物性比法来考虑变物性特性。k a k a c 【5 7 1 ，h a l l 5 8 】 和p o l y k o v 【5 9 】对变物性的超临界流体换热进行了研究。文献 6 0 对超临界水的换热 经验关联式进行了对比研究，结果发现仅有一部分关联式的计算值与水或c 0 2 的 实验值较为接近，但是这些关联式都不能准确的预测出传热恶化的大小及其起始 点。他们提出的关联式的计算值与实验值误差也较大，这也说明了这些关联式的 应用局限于一定的范围。 天津大学博士学位论文 目前，已有许多文献对超临界c 0 2 在冷却条件下的换热情况进行了研究。魏 东【6 l j 对管壳式气体冷却器的超临界c 0 2 冷却换热性能进行了研究，并根据实验结 果得出了含润滑油的超临界c 0 2 冷却时的换热准则关联式，因实验条件限制，都 具有一定的局限性。p e t t e r s e n 等人1 6 2 j 研究了超临界c 0 2 在内径为o 7 9 m m 的铝制微 通道中被冷却时的换热和压降特性，分析了质量流速、热流密度以及压力对换热 系数和压降的影响，并与常用的关联式进行了对比分析。o l s o n 【6 3 】用实验测量了 超临界压力下的c 0 2 在内径为1 0 9 砌 1 1 水平管中的换热系数，实验结果表明质量流 速、热流密度、压力以及冷却水流速都影响c 0 2 换热系数，并且超临界压力下c 0 2 流体被冷却时的换热系数高于被加热时的换热系数，同时还将实验所测换热系数 与几个紊流换热关联式的计算结果进行了比较。 l i a o 等人【6 4 j 用实验测量了微型不锈钢管中不同流向( 水平流，向上流和向下 流) 的超临界c 0 2 流体被冷却时的换热系数( 如图1 1 l 1 1 2 ) ，所用实验管管径 图1 1 1 不同流向的超临界c 0 2 换热系数图l - 1 2 不同流向的超临界c 0 2 换热系数 分别为0 5 、0 7 、1 1 、1 4 、1 5 5 和2 1 6n u n ；压力范围：7 4 1 2 m p a ，温度：2 0 1 1 0 ；质量流量：o 0 2 o 2l ( m i n ，对应的r e = 1 0 4 2 1 0 5 ；p r = 0 9 1 0 。研究结果表 明适用于大管径的换热关联式与小管径 的实验数据的偏差很大，因此在实验数 据的基础上，提出了细管内的超临界c 0 2 对流换热的新换热准则关联式。 文献【6 5 】对超临界c 0 2 在内径为 7 7 3 m m 铜管中的冷却换热进行了研究， 结果表明，随着冷却过程的进行，换热 系数逐渐上升并达到最大值，而后又出 现下降趋势，如图1 1 3 所示。这主要是由图1 1 3 换热系数随温度的变化 于比热在近临界区附近变化比较剧烈，所以换热系数在不同压力下的准临界温度 附近达到最大值，并且换热系数的峰值随压力的增加而下降。他们还将实验结果 第一章绪论 与现有关联式进行了比较，发现计算值都低于实验测量值，最后利用实验数据拟 合了一个经验换热关联式。 d a n g 和h i h a m 【6 6 j 将数值计算与实验测量所得到的超临界c 0 2 被冷却时的换 热系数进行了比较，发现两者符合得很好，而且c 0 2 在不同压力下的换热系数变 化趋势与比热的变化趋势非常相似，如图1 1 4 。从研究结果可以看出，在一定压 力下，超临界c 0 2 流体的换热系数随温度变化很快，在准临界点附近达到峰值后， 又随温度的减小而下降，变化趋势与文献【6 5 】的研究结果相同。他们将数值计算结 果与其它几个关联式进行了比 较，最后拟合出一个新的关联 式。p i t l a 等人【6 1 7 】根据数值预测 和实验数据，得出了一个计算 超临界c 0 2 被冷却的新换热关 联式。他们还研究了质量流速 和压力对换热系数的影响。而 压力对换热系数的影响取决于 流体的温度。当流体温度大于 较高压力时的准临界温度时， 换热系数随压力的增加而增 图1 1 4 不同压力下换热系数的变化 大；反之，换热系数随压力的增加而下降。他们还用标准的尼一s 模型对c 0 2 换热 器进行了数值传热分析旧8 1 。 l i a o 和z h a o 【6 9 】用数值计算方法研究了超临界c 0 2 在竖直微型管中被加热和 冷却时的层流换热情况，得到了速度分布、温度分布、换热系数、努谢尔特数以 及表面摩擦系数的变化趋势。 文献 7 0 】对超临界二氧化碳在水平管内的对流换热与压降特性进行了实验 研究。结果表明，入口压力、c 0 2 质量流量和冷却水质量流量对换热性能有很大 影响，分析发现心a s m o c h e k o v p r o t o p o p o v 关联式与实验结果吻合较好。 文献 7 1 7 2 对多孔管中超临界c 0 2 对 流换热进行了数值模拟与实验研究。数值模 拟结果表明，超临界条件下c 0 2 的剧烈变物 性对多孔介质中的对流换热会产生较大影 响；局部热平衡条件下的对流换热系数的数 值计算值比局部非热平衡条件下的计算结 果大；对流换热系数随着多孔介质颗粒直径 的增大而增大，如图1 1 5 。实验结果表明，当 摹 耋 纛 鬈 辎 p 萨8 2 m h1 庐3 0 ，g 卸0 0 l k 8 酞 ，l = o 3 6 ，xo = 1 6 w m _ k ，q - 3 k 、w m 2 蔫巡 x d 图1 1 5 颗粒直径对换热系数的影响 壁温比临界温度高时，局部换热系数在多孔管内沿着c 0 2 流向而逐渐下降，进口 天津大学博士学位论文 流体的温度、压力热流密度和流向对多孔管的对流换热性能影响也较大。 文献 7 3 对竖直圆管中超临界压力下的c 0 2 在低雷诺数条件下的对流换热进 行了实验研究和数值模拟。研究结果表明：在热流密度较小的情况下实验结果与 数值计算结果基本吻合，如图1 1 6 ； 影响，流动可能提前从层流转变为 湍流，强化换热。 文献 7 4 7 5 】对超临界c 0 2 在水 平铝制1 0 个内径1 3 l m m 的圆管内的