（工程热物理专业论文）co2滚动转子膨胀机内部相变膨胀过程机理分析与可视化试验研究.pdf

中文摘要 本文针对c 0 2 带膨胀机制冷热泵循环中的关键问题，重点研究了该工质在 膨胀机中的内部相交膨胀过程的理论分析和试验观察。 论文首先从“基团贡献法”的研究思路出发，将常规复杂的g w p 值计算方 法进行了简化，进而对些复杂结构的工质的g w p 进行了估算，计算结果与给 出的参考数据基本一致。说明宏观性质g w p 是物质微观各部分基团性质的综合 表现，有利于对未来合成的新制冷剂的g w p 性质作出预测性判断。基于对制冷 剂各种性能评价标准的对比分析，论文对制冷剂提出了“自然度评价标准的概 念，并从可持续发展的观点，对未来制冷剂发展方向进行了分析预测，明确了未 来制冷剂主要的发展方向应该是c 0 2 等自然工质。 论文认为c 0 2 膨胀机是提高c 0 2 热泵系统性能的关键部件之一，膨胀机内 部膨胀过程涉及从超临界到亚临界并有相交，有复杂的机理。本文从理论分析的 角度，对膨胀机内部相变过程进行了探讨。根据调研的相关理论，从不同模型中 进行分析对比，提出了一种新的综合理论和模型。论文根据提出的综合模型对膨 胀机的相变膨胀过程进行了模拟计算，从参数变化以及汽泡驱动力将膨胀过程进 行了简化，划分为三个阶段，分别为初始核化、自由膨胀和有限膨胀阶段，计算 结果表明与观测数据能够吻合保持一致。 为直接观察到c 0 2 膨胀机内部快速降压的全过程，本文设计了两种可视化 的实验装置。第一个装置是高压c 0 2 快速降压试验试块，为区分汽泡和油滴， 在润滑油中添加荧光示踪剂，采用高速摄影仪对c 0 2 与润滑油混合物的快速降 压过程进行试验观测。研究发现：降压速率越大，产生的汽化核心数越多，形成 的稳定汽泡直径越小。第二个装置是对原c 0 2 滚动活塞膨胀机进行了改造，添 加了内部l e d 光源，并在汽缸上加工安装耐压石英视窗，对膨胀机端盖及活塞 进行了精加工研磨目的为了增加其反光性，实现了膨胀机内部相变膨胀过程高速 摄影观测，拍摄了大量膨胀机内部c 0 2 相变过程的连续图片，通过图像处理可 跟踪单个汽泡的行踪，为膨胀过程的理论分析提供实测数据。 最后，根据相变成核理论和增加分子聚集度的可能，考虑跨临界循环不存在 制冷剂凝结过程，在系统中注入“不凝性气体一，对压缩过程和放热过程没有负 面影响，对膨胀过程和蒸发过程增加体相内的汽化核心数，起到正面作用。通过 分别添加适当比例两种“不凝性气体”试验结果来看，都对膨胀机的膨胀功回收 性能有所提升。 关键词：c 0 2 膨胀机基团贡献法汽泡核化可视化观测 a b s t r a c t b a s e do nt h ek e yi s s u e so fc 0 2h e a tp u m pc y c l es y s t e mw i t he x p a n d e r ，p a p e r f o c u s e so nr e s e a r c h i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no f i n t e r n a lp h a s ec h a n g ea n de x p a n s i o np r o c e s si ne x p a n d e d t h ec o n v e n t i o n a l c o m p l e xc a l c u l a t i o na p p r o a c h o fg w pv a l u eh a db e e n s i m p l i f i e do nb a s i so f “g r o u pc o n t r i b u t i o nm e t h o d ，a n dt h eg w p v a l u eo fc o m p l e x s t r u c t u r er e f r i g e r a n t sw e r ee s t i m a t e db yu s eo ft h i sm e t h o d t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t hr e f e r e n c ed a t u m t h ea n a l y s i sa p p r o a c h ，s o m em a c r on a t u r ei sc o m p r e h e n s i v e c o n t r i b u t i o np e r f o r m a n c eo fg r o u pc h a r a c t e r s ，w a sc o n d u c i v et op r e d i c ta n dj u d g et h e f u t u r eu n c e r t a i nn a t u r eo ft h en e wr e f r i g e r a n t a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o ns t a n d a r d s c o m p a r a t i v ea n a l y s i s o fr e f r i g e r a n t sv a r i o u sp e r f o r m a n c e ，p a p e rs u g g e s t e dt h e “n a t u r e ”e v a l u a t i o nc r i t e r i ac o n c e p tf o rr e f r i g e r a n t s a n db a s e do nt h ev i e wo f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tp o i n t , t h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fr e f r i g e r a n tw a s a n a l y z e da n dp r e d i c t e d i ti se s t a b l i s h e dt h a tc 0 2e t cn a t u r a lr e f r i g e r a n t ss h o u l db et h e m a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h er e f r i g e r a n t p a p e rr e g a r d sa sc 0 2e x p a n d e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t sf o ri m p r o v i n gt h e p e r f o r m a n c eo fc 0 2h e a tp u m ps y s t e m ，i n t e r n a le x p a n s i o ni ne x p a n d e ri n v o l v e st h e t r a n s f o r m a t i o nf r o mt h es u p e r c r i t i c a lt os u b c f i t i c a l ，s oi th a st h ec o m p l e xm e c h a n i s m t h e r e f o r e ，p a p e rd i s c u s s e dp h a s et r a n s i t i o np r o c e s s i ne x p a n d e lf i r m l yf r o mt h ev i e w o ft h e o r e t i c a la n a l y s i s an e wi n t e g r a t e ds u i t a b l et h e o r ya n d m o d e lw a sp u tf o r w a r d b a s e do nt h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dd i f f e r e n tm o d e l s a c c o r d i n gt ot h ei n t e g r a t e dm o d e l ， p a p e r ss i m u l a t e da n dc a c u l a t e dt h ep h a s et r a n s i t i o na n de x p a n d i n gp r o c e s so f e x p e n d e lt h ee x p a n d i n gp r o c e s sh a db e e nd i v i d e di n t ot h r e es t a g e sa c c o r d i n gt o p a r a m e t e r sc h a n g ea n db u b b l e - d r i v e nf o r c e ：i n i t i a ln u c l e a t i o n ，f r e ee x p a n s i o na n d l i m i t e de x p a n s i o n ；e a c hs t a g ec o u l db e e na n a l y z e db yu s eo ft h e i ro w nm o d e l s ，a n d t h e r e b yt h ew h o l er e s e a r c hp r o c e s so fe x p a n s i o nc o u l db es i m p l i e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sv a l u ew a sa n a s t o m o t i cc o n s i s t a n tw i t ht h ev i s u a l o b s e r v a t i o n a ld a t u m i no r d e rt od i r e c t l yo b s e r v i n gt h ew h o l er a p i dd e c o m p r e s s i o np r o c e s si ne x p a n d e r ， p a p e rd e s i g n e dt w o v i s u a le x p e r i m e n t a ld e v i c e s o n ei sh i g h - p r e s s u r ec 0 2t e s tb l o c k t od i s t i n g u i s hb e t w e e nl u b r i c a n td r i pa n db u b b l e ，t h ef l u o r e s c e n tt r a c e ri sa d d e dt ot h e m i x t u r e t h ed e c o m p r e s s i o np r o c e s so fc 0 2a n dp a gl u b f i c a n tm i x t u r es o l u t i o nw a s e x p e r i m e n t a lo b s e r v e du s i n gh i g hs p e e dc a m e r a t h er e s e a r c hr e s u l t sf o u n dt h a t g r e a t e rd e c o m p r e s s i o nr a t e ，m o r en u c l e a t i o nr a t e ，a n ds m a l l e rd i a m e t e ro ft h es t a b i l i t y b u b b l e t h eo t h e ri st h er e b u i l d e dc 0 2r o l l i n gp i s t o n t h el e d l i g h ts o u r c ew e r e a d d e di ne x p a n d e r , a n dt h ei n t e r n a lh i g h p r e s s u r eq u a r t zw i n d o w sw a si n s t a l l e do n c y l i n d e r , a n dt h ec o v e ra n dp i s t o no fe x p a n d e rw e r ep r o c e s s e da n dg r i n d i n gi no r d e r t oi n c r e a s et h o s er e f l e c t a n c e t h eh i 曲- s p e e dp h o t o g r a p h i co b s e r v a t i o no fi n t e r n a l p h a s ec h a n g ea n de x p a n s i o np r o c e s sw a sc a r r i e do u t al o to fc o n t i n u o u sp i c t u r eo f i n t e r n a lp h a s ec h a n g ep r o c e s si ne x p a n d e rw e r eo b t a i n e d ，a n dt h et r a c ka s i n g eb u b b l e c o u l db ec a u g h tt h r o u g hi m a g ep r o c e s s i n g i tp r o v i d e dt h em e a s u r e dd a t u mf o rt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so fe x p a n s i o np r o c e s s f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h a tt h e r ei sn o tr e f r i g e r a n tc o n d e n s a t i o n p r o c e s si n t r a n s c r i t i c a lc y c l e “n o nc o n d e n s a b l eg a s i sa p p e n d e dc 0 2e x p a n d e ro nt h ev i e wo f p h a s ec h a n g ea n dn u c l e a t i o nt h e o r y i th a sn on e g a t i v ei m p a c to nc o m p r e s s i o na n d h e a tp r o c e s s ，a n dp l a y sap o s i t i v er o l ea si n c r e a s i n gn u c l e a t i o no fb u l kp h a s ei n e x p a n s i o na n de v a p o r a t i o np r o c e s s f r o mt h ee x p e r i m e n t a lt e s tr e s u l t so fa d d i n gt h e a p p r o p r i a t er a t i oo ft w o “n oc o n d e n s a b l eg a s ”，t h em e t h o d sh a di m p r o v e dt h e p e r f o r m a n c eo fe x p a n d e r k e yw o r d s ：c 0 2e x p a n d e r , “g r o u pc o n t r i b u t i o nm e t h o d ”，b u b b l en u c l e a t i o n ， v i s u a le x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 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，也不包含为获得苤盗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 签字日期：2 口秒分年罗月，日 ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨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) 学位论文作者签嘲松 签字日期之汐谚年7 月，e l 导师签名：一二乃。久 _ _ o 哼一、 签字日期：吱劫年7 月j 日 天津大学博士学位论文c o ：膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研究 1 1 课题研究背景 第一章绪论 现今世界能源和环境发展是国际社会共同关注的重大问题。长期以来，人类 社会在改造自然发展经济的同时，由于不合理地开发利用自然资源酿成了全球性 的环境污染和生态破坏，能源短缺、臭氧层破坏、温室效应、海洋受到严重污染 等生态环境问题对人类的生存和发展构成了影响深远的威胁。1 9 9 0 年代，联合 国环境与发展大会提出入类社会可持续发展理念，得到国际社会广泛共识。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。2 0 0 7 年1 1 月，国务院总理温家宝在第三届东亚峰会上就指出：中国根据联合国气 候变化框架公约的规定，并结合经济社会发展规划和可持续发展战略，制定并 公布了中国应对气候变化国家方案，成立了国家应对气候变化领导小组，颁 布了一系列法律法规。明确提出了控制温室气体排放的具体任务，包括到2 0 1 0 年实现单位国内生产总值能源消耗比2 0 0 5 年降低2 0 左右、可再生能源在一次 能源供应结构中的比重提高到1 0 等一系列环保指标 】。以上都说明了中国在改 变世界气候变化的信心和决心。有了社会的重视和政策的投入后，接下来就需要 实际方案策略的实施，而方案策略是依靠科学技术来制定的，因此，利用科学的 方法研究开发出新的节能和环保技术是当务之急。 1 1 1 制冷剂的发展历程 自蒸气压缩式制冷技术使用以来，根据选择制冷剂所遵循的主要原则，制冷 剂的历史可划分为4 个阶段。图1 1 概括了这4 个阶段及其主要制冷剂的替代历 程和选择原则1 2 j 。 第一代制冷剂的发展，大约经历了一百年的历史。多数早期的制冷剂是溶剂、 燃料或其它挥发性液体，而人们往往熟悉的首先是它们的其它用途，从根本上说， 早期制冷剂的选择原则就是“能用即可。家用冰箱的广泛商业化促使了制冷剂 的转变和第二代制冷剂的产生。与第一代制冷剂选择的原则的主要不同之处表现 在对安全性和高效性的改善方面，从而出现了c f c 和h c f c 等含氯含溴制冷剂。 第一章绪论 ，磊五i 、 ! 竺竺! b t t 4 - _ t 者十点* $ h 自8 i 席 俐1 - 1i j 刑n x 艇j 计 随着第二代制冷荆不断被广泛使用，其中由于制冷剂所导致的环境问题一臭 氧层的破坏现象越来越明显，并且逐渐引起人们的注意。因为第二代制冷剂的氯 原子或溴原子与大气上空的平流层的臭氧发生反应，消耗了臭氧。所以。随着对 保护臭氧层的关注，使得对有臭氧层破坏作用的制冷剂将按计划分阶段逐步淘 汰其中包括c f c 类物质，如r 1 2 和将来要淘汰的h c f c 类物质，如r 2 2 。 同样的限制措施也表现在其他类似化学品的使用上，如许多广泛实用的气雾剂、 发泡剂、灭火剂以及溶剂等。自从1 9 8 7 年国际上签订了蒙特利尔议定书，并逐 步自减并停止生产严重破坏臭氧层的c f c 和哈龙，臭氧层的破坏得到缓解，图 1 也给出了产量最大的c f c i l 和c f c l 2 在大气中的浓度变化，圈1 3 给出了平 流层臭氧变化的观测值和计算机模拟预测值，结果表面：全球臭氧层正随着卤素 气态排放和浓度的减少在逐渐恢复。近年来已经出现下降的趋势，但要恢复到几 十年前的原来水平可能还要过几十年。 呷4 4 4 4 首 墨厂 。 。l l 。 l j ；z ：l 。二。 。 冒l or i i 和r 1 2 大气浓度变化 4 2 善 0 至。 三 主- 2 掣 j - 4 三一6 i 二蝴 _ 女献锎 l_ 缈? 1 9 8 02 d 0 。2 0 2 0 2 叫0 ， k 周1 - 3 平流层臭氧变化的观测值和预蔫 天津大学博士学位论文c 0 2 膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研究 第三代制冷剂出于对臭氧层保护的原因，转变为不含氯和溴的h f c 和其他 制冷剂。然而，随之引起的第二个环境问题一气候变暖现象逐渐引起人们注意， 除去因人们大量燃烧化石燃料过多排放c 0 2 之外，还有许多人工合成的化合物 也是温室气体，对地球温度上升起了重要作用，含氟气体也是主要温室气体，特 别是全氟或以氟为主的碳化合物，可能会在大气中存在数百或数千年，逐渐积累 而形成强温室效应，这些化合物列在1 9 9 8 年国际上签订的京都议定书之中。图 1 4 给出了h f c 大气浓度中的上升变化和引起的气候变化1 3 】。 l 翻蝴脚溯蝴艄 图1 - 4h f c 大气浓度变化值和引起的气候变化 随着对全球气候变化意识的增强，或者说是环保要求的挑战，淘汰第三代制 冷剂的呼声不断增加，其中以欧盟对第三代制冷剂的淘汰政策走在世界的前列。 欧盟通过了2 0 0 6 8 4 2 号法规，从2 0 11 年开始要逐步替代r 1 3 4 a 等3 类含氟气体， 至2 0 1 7 年完全停止使用。首当其冲要淘汰的就是在汽车空调中大量使用的 r 1 3 4 a 4 1 。根据落实京都议定书的要求，一些刚出现不久的含氟制冷剂将面临淘 汰。第三代制冷剂由于温室效应的被淘汰，预示着即将广泛使用的第四代制冷剂 将强调全球变暖问题。其影响包括海平面的上升，以及相应海岸土地的消失，生 长季节的变化和水土保持等。总之，全球气候变暖从实质上影响人类生活的方方 面面。 1 1 2 第四代制冷剂 随之第三代制冷剂的淘汰，在第四代制冷剂的发展方向上，存在着两个截然 不同的方向。一个是化合新的零o d p 和低g w p 合成制冷剂，即所谓的对于现 有的设备能够直接替换的制冷剂( d r o pi n ) ，另一个是退回到第一代制冷剂，即 自然工质。前者是被一些大型的化工厂和汽车空调公司所极力推广的，后者则是 学术界认为最有发展前途的方案。尽管这两种方向都符合第四代制冷剂发展的基 本要求，但是所处的出发点却完全不同，化学公司合成的新型替代制冷剂的动机 是根据现有的循环系统及其设备，以o d p 和g w p 为约束条件来寻找新的工质， 第一章绪论 而提倡采用自然工质的目的是根据自然工质的特点去研究效率较高循环系统和 开发新设备。因此，要想把握未来制冷剂的方向，为人类社会和环境寻求一种“永 不后悔”的制冷剂发展道路，就必须充分了解每个方向的优势和可能出现的问题。 在新的被推广宣传的合成制冷剂当中，以杜邦和霍尼韦尔公司生产的零 o d p 和低g w p 的r 1 3 4 a 替代物r 1 2 3 4 y f 为主要代表。杜邦和霍尼韦尔公司是全 球大型的化学公司，r 1 3 4 a 就是杜邦公司在上世纪七八十年代为替代r 1 2 而推出 的替代物；随着氟化气体( f g a s e s ) 能够引起强烈的温室效应现象的日益暴露， 世界上很多国家都逐步加入到淘汰这些高g w p 制冷剂的行列当中，其中以欧洲 各国对加速淘汰具有强烈温室效应的制冷剂措施的力度最大，例如2 0 0 7 欧盟颁 布的e c 8 4 2 - - 2 0 0 6 法规就明确提出了加速淘汰r 1 3 4 a 等一系列制冷剂。为了挽 救合成制冷剂的“命运”，这两大公司当然不能坐以待毙。日前，杜邦和霍尼韦 尔都声称研发出一种可以替代r 1 3 4 a 的新工质，杜邦公司称之为d p 1 ，霍尼韦 尔公司称之为hf l u i d 或f l u i dh 。而且，现在杜邦和霍尼韦尔将共享彼此的研究 成果，达成同盟共同研究和推广他们的新一代制冷剂r 1 2 3 4 y f 。据称该工质是二 元共沸物，o d p 为0 、g w p 1 5 0 、无毒、微燃、热力性质与r 1 3 4 a 相近，工作 温度、压力、制冷量以及c o p 等参数与r 1 3 4 a 系统相近，与p a g 油也完全兼容， 原r 1 3 4 a 空调系统几乎不用改动，就可以直接换成这个新工质，并已经进行初步 的空调车载试验。现今，欧洲和日本等多家公司，将在下一步采用这种新型的直 接替代制冷剂1 5 j 。 当新型的合成制冷剂被大型化合公司以及一些制冷设备公司大张旗鼓地介 绍推广的时候，另一种基于自然工质的角度开发新制冷设备的研究方向，逐渐被 人们所重视。由于人工合成类制冷工质的绝大部分最终都会排放到大气中去，对 地球生态环境的长期影响难以预料，对每种“性能优良 的新型人工合成工质的 “蜜月过后，便是面临淘汰的打击。痛定思痛，人们开始重新将目光转向那些 在大气中存在了千百万年、对地球生态系统无害的水、氨、二氧化碳、空气、碳 烃化合物等自然制冷工质。在众多的自然工质中，c 0 2 以其独特的性能赢得了越 来越多的关注。自然工质主要包括n h 3 、c 0 2 及r 2 9 0 等碳氢化合物，还包括水、 空气以及用于低温制冷的c h 4 、h e 、n 2 等，这些自然工质过去早被熟悉和使用， 有些目前仍在使用。低沸点物质，即h e 、n 2 和c h 4 在低达1 2 0 c 的深冷和气体 液化等应用中被广泛采用，但它们不适合普冷温度范围的制冷。随着人们对于制 冷剂认识以及研究的深入，未来制冷剂退回自然工质是必然的趋势，应重新估价 n h 3 、c 0 2 及r 2 9 0 等碳氢化合物在热泵与制冷领域中应用的地位。 在常用的自然工质中，c 0 2 最具竞争力，在可燃性和毒性有严格限制的场合， c 0 2 是最理想的。欧盟预测了自然工质c 0 2 将是未来替代r 1 3 4 a 的组要制冷工 4 天津大学博士学位论文c 0 2 膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研究 质。由于c 0 2 的临界温度仅3 1 1 0 c ，怎样才能高效地利用它，使其运行接近或 超过临界温度时仍能达到较低的能耗，是研究的关键之所在。现代工业技术完全 能够实现压力达1 0 m p a 以上的超临界循环，这种高压系统可以做得十分紧凑， 压缩机的尺寸也可造得比传统的小。最近，以水作为制冷剂的压缩式制冷研究也 受到了人们的重视。丹麦d t u 技术大学就以水作为工质成功地建造了制冷容量 为1 0 0 0 k w 的制冷循环装置【6 j 。人们对氨考虑更多的是氨的安全性，主要是毒性 和可燃性，其次是具有刺鼻的气味。这方面的缺陷在“氟利昂时代”往往被夸大 了。实际上它的毒性只有氯气的1 1 0 1 5 0 ；其着火极限为1 5 5 ( 容积比) ，比 通常的烃类和天然气高3 7 倍，而燃烧热却比它们少一半左右，氨在某些工况的 制冷性能至今还是其他制冷剂无法替代的 7 1 。易燃易爆性是许多人不敢使用碳氢 化合物的主要原因。异丁烷的燃点是4 6 2 1 2 ，在空气中的燃烧极限为1 8 8 4 ( 体 积百分比) 。丙烷的燃点为4 6 8 ，燃烧极限为2 1 9 5 ，一般家用冰箱的充注 量在1 0 0 9 以下，即使全部泄漏也不会达到极限浓度，但对于空调来说，由于充 注量较大，需采取一些特别的安全措施，现今一些研究者把碳氢化合物与h c f c 进行混合作为制冷剂，以降低其可燃性。 事实上，自然工质所面临的许多问题，都可以转化为系统的相应技术问题， 随着人们对自然工质性质认识的不断深化和技术的不断进步，通过扬长避短，许 多问题将会逐步得到解决。自然工质的应用从根本上取决于人们环境意识的日益 增强。人类已逐渐认识到现代科学和技术的发展在为人类带来巨大利益的同时， 也使得环境和资源遭受到了极大破坏，从而使我们不得不面临着一个日益严峻的 生存环境。反思到这一点，追求一种与自然和谐的发展模式，履行人类对自然的 责任，自然工质的应用也就会变成人们的一种自觉行动。在众多自然工质中， c 0 2 由于其优秀的环保特性和良好的热力学性能，被认为是最具有潜质的、最受 大家所关注的制冷剂，特别是它作为熟泵工质的独特优势吸引着许多研究者目 光。因此本文的重点也放在c 0 2 热泵系统的研究。 1 2 二氧化碳跨临界循环热泵系统的应用及发展 作为制冷剂c 0 2 具有独特的优势：首先是其环境友好性( o d p = 0 ，g w p = i ) 和 它的安全性( 无毒、不燃) 的环保性，其次就是容积制冷量大( 系统体积小) 和压比 低，粘度小，导热性好等良好的热力学性能；最后它与普通润滑剂和结构材料相 兼容和价格便宜，维护成本低等经济适用性。前国际制冷学会主席gl o r e n t z e n 针对二氧化碳的特性提出了跨临界循环理论，这给沉积了多年的自然工质二氧化 碳又注入了新的活力，因此，自然工质c 0 2 再次引起人们的兴趣；在最近几十 第一章绪论 年内，对c 0 2 跨临界循环系统的研究与日俱增，2 0 0 7 年在中国召开的国际制冷 大会上，人们对c 0 2 系统的关注度要远远大于其他制冷剂系统。 1 2 1 二氧化碳系统的应用现状 随着社会的发展和人们环保意识增强，发展环保型制冷热泵技术必将成为制 冷空调行业的研究主题。此外，随着地球资源的日益枯竭，人类对利用可再生能 源、低品位能源和洁净能源的呼声日益高涨。正是适应时代的发展潮流和需求， c 0 2 制冷剂被再次启用，c 0 2 跨临界循环制冷热泵系统应运而生。该系统不仅使 用了自然工质，而且还可以利用可再生能源以及低品位能源，以缓解常规能源的 日益紧张。在c 0 2 跨临界循环中，其放热过程发生在接近或超过临界点区域的 气体冷却器中，为变温过程，较大的温度滑移正好与所需的变温热源相匹配，是 一种特殊的劳伦兹循环，用于热泵循环时，有较高的放热系数，如图1 5 所示。 c 0 2 热泵热水器在较低环境温度下的制热性能良好，因此开发c 0 2 热泵热水器具 有广阔的市场前景。其中日本是c 0 2 热泵热水器应用最广泛的国家，由于政府 的支持，二氧化碳热泵热水器在二氧化碳系统的应用处于领先的地位，而且其应 用安装的数量还在不断的增加【9 j 。图i - 6 是日本二氧化碳热泵热水器市场的统计 图1 - 5c 0 2 热泵热水器的热力学优势 图1 - 6 日本c 0 2 热泵热水器市场统计 根据c 0 2 的热力学性质可知，其容积制冷量较大，因此可以使得系统体积 极小，故在汽车空调中有较好地应用前景【1 l 】，见图1 7 ；其次c 0 2 跨临界系统具 有较高的排气温度，因此能够提供较高的方法温度，这非常适合于热泵热水器的 应用【1 2 1 ，见图1 8 ；而且c 0 2 无毒、粘度小，非常适合作为载冷剂使用，因此一 些商场的食物冷冻储存系统采用的就是c 0 2 复叠式制冷系统【l3 1 ，见图1 9 ；最近 一些商业公司如可口可乐公司，为了推出其环保产品，也制冷设备中也采用c 0 2 作为制冷工质【l 引，见图1 1 0 。 6 天津大学博士学位论文 c 0 2 膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研兜 圈l - 9 欧洲某翘市c 0 2 复叠式制冷系统 第一章绪论 图1 1 0 c o ：作为制冷荆在商业牺冷设备中的应用 尽管c 0 2 作为制冷工质在一些领域得到了广泛地应用，但是由于它的工作 压力较高、节流损失较大，在蒸发器中容易过早出现干涸现象，在气体冷却器 中没有相变传热导致换热系数较低，因此使得c 0 2 制冷系统的c o p 值较常规制 冷系统的低。要提高c o ：制冷热泵系统的未来竞争力，就需要提高c 0 2 系统的 c o p 值1 6 j 1 2 2 提高二氧化碳热泵c o p 的主要改进方向 提高c 0 2 热泵系统c o p 的研究方向有多方面旧，一种是完善原有系统设 备。例如开发高效的压缩机和蒸发器等i l ”，见图1 1 l ；一种是优化系统结构， 例如采用两级压缩中间冷却方式设计等唧】，见圈 - 1 2 ：还有一种是开发新的系 统部件，例如开发高效的膨胀机和喷射器等。其中系统设备的完善与系统结构的 开发对于常规制冷剂来说，也是提高其热力学性能的主要方向，投入的研究较多 c 0 2 系统的发展可以通过其他系统的借鉴。然而不同的是，由于c 0 2 跨临界系统 的高压侧压力较高，通常在i o m p a 左右，而低压侧压力在4 m p a 左右，通过节 流元件的压差约选6 m p a ，节流损失极大。因此，如何较少节流损失成为提高 跨临界c 0 2 热泵系统性能的关键。 厘 蚕霾 圈1 i ic 0 2 换热墨的发展与革新 天津大学博士学位论文 c 0 2 膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研究 图l - 1 2c 0 2 两缓压缩中间回热系统优化 目前，提出的解决方案主要有膨胀机和喷射器这两种形式，见图1 - 1 3 。膨胀 机是利用流体的膨胀作功，来回收压缩机所消耗的部分能量而喷射嚣它是将流 动工质的膨胀能转换成动能，再将动能转换成制冷剂的加压能回收。这两种方式 各有利弊，膨胀机由于是利用二氧化碳相变作功来回收膨胀功的，所以回收功的 效率较高，有的可达到5 0 以上，但一般设计的机构相对较复杂口i 】：喷射器与 膨胀机相比，具有结构简单、成本低、无运动部件等优点，但是其效率将对较低， 只有l o 左右阱j 。因此，从上面的分析对比可知，两个部件各有自己的应用前 景。对于小型制冷热泵系统中，采用喷射器来优化系统是一个较好的选择，而对 于较大的制冷热泵系统，采用膨胀机来回收膨胀功应该是未来制冷系统优化的主 要发展方向。 图l - 1 3c q 喷射器结构示意圈( 左) 与c 0 2 嘭胀机内部结构图 在c 0 2 蒸气压缩，喷射循环系统中，超临界c 0 2 经过气体冷却器玲却后流入 主喷嘴变为低压高速流体，从而吸引蒸拉器中的低压冷媒蒸气流入引射赜嘴；然 后，工作流和引射流在混台段混合，再经扩压段变为低速高压流体排出。喷射器 出口的制冷剂为汽掖两相混台物，通过汽液分离器分为两路：一路是饱和蒸气 经一段管路过热后进入压缩机被压缩后捧入气体冷却器冷却，然后作为工作流 供给到喷射器；另一路是饱和液体，经节流后流入蒸发器，然后作为引射流进 喷射器。喷射器是蒸气压缩，喷射制冷系统的关键部件，它通常由4 部分组成： 喷嘴及吸收室、混合段、喉部和扩压段，见图卜1 4 。在喷射嚣中，高温、高压的 第一章绪论 工作流经主喷嘴降压升速，实现势能向动能的转化，主喷嘴出口的高速工作流体 不断地卷吸携带走引射流体。混合流体进人扩压段后，动能又被转化为压力势能。 因此喷射嚣的作用是：1 、回收一部分膨胀过程的动能利用它提高压缩机入 口压力。降低压比。从而节省压缩机输入功；2 、通过降低膨胀阀的入口压力来降 低膨胀过程的节流损失1 2 3 】。 e m n a 吖 壁出盥j u 扯卸盟i m d 出 ， n o z z l e d i f i u s w 譬蓄蚕姜安嚣蘸 舻搴参笋墼邂姜 9 to d 妇a n 7 回竽2 竺三= ：舀 美k 兰三三噩! 西壹垂氢 圈】一1 4c 0 2 蒸汽压缩，赜射循环系统示意图 由于c o z 踌临界循环膨胀过程的容积膨胀比比较小( 一般为2 - 4 ) ，大约是常 栽工质的1 1 0 ，而且膨胀功占压缩功的比率较大( 大约为2 0 - 4 0 ) ，若将其回收 用于驱动压缩机，将会大大提高系统的效率。所以c 0 2 跨临界循环采用膨胀机 比常规工质更具有可行性。到目前为至，天津大学热能研究所已经开发了几种不 同型式的膨胀机，并进行了实验溯试。结果表明，无论从经挤角度还是技术角度 来看，用膨胀机代替节流阀都是可行的，而且对c 0 2 跨临界系统酌性能有显著 提高。总之，利用膨胀机回收膨胀功是提高c 0 2 跨临界制冷循环效率的根本 途径，也是c 0 2 制冷技术推广和应用的关键。因此，本文主要以c o z 膨胀机为 研究对象，重点研究其性能提高的方法和措施。 1 2 3 二氧化碳热泵系统膨胀机的开发 在实际的蒸气压缩制冷循环中由于存在节流损失实际运行的性能系数要小 于相同的蒸发温度和冷凝温度下的逆卡诺循环。c 0 2 作为制冷剂，其运行压力较 高而且放热过程处于临界点以上，如图1 1 5 所示。圈中给出了最基本的c 0 2 跨临界循环即带节流阀的单级压缩循环的原理图，以及c 0 2 跨临界循环系统的 天津大学博士学位论文c 0 2 膨胀机内部相交膨胀过程理论分析与可视化试验研究 温熵图。其中1 _ 2 为等熵压缩过程，2 3 为定压放热过程，3 4 h 为绝热膨胀过程， 4 h 1 为定压蒸发吸热过程。与传统的亚临界循环不同，由于c 0 2 的临界温度较 低( 3 1 1 ) ，导致其放热过程不是在两相区冷凝，而是在接近或超过临界点的 区域内放热。此放热过程为一变温过程，有较大的温度滑移，这种温度滑移正好 与所需的变温热源相匹配，是一种特殊的劳伦兹循环，当它用于热泵循环时，有 较高的放热系数。由于系统的超临界流体被节流到两相区，这样循环的节流损失 节流阀 气体冷却器 蒸发器 压缩机 图1 15c 0 2 跨临界基本循环原理图以及对应的t s 图 远大于常规制冷剂的节流损失，因此跨临界循环的性能系数要远低于常规制冷剂 的性能系数。为了分析膨胀机对系统性能的提升作用，本文对单级压缩带回热器 循环与单级压缩带膨胀机循环的系统进行横向对比。 图1 1 6 单级压缩带膨胀机循环与回热循环对比 e 硼n d 计酾c i 明c y 图1 1 7 双级压缩带膨胀机循环与回热循环对比 图1 1 6 表示对比结果。在给定工况一致的前提下。随着膨胀机效率的提高， 系统c o p 提高很快。当膨胀机效率从0 1 提高到0 9 时，系统c o p 从2 5 6 提高 到3 6 7 。而随过热度的提高，采用回热循环的c o p 也逐渐提高，只是提高的幅 度逐渐变缓。当过热度达到理论上的最大值3 5 时，可相当于膨胀机效率为0 2 2 时的系统c o p 。对于双级压缩带回热器循环与双级压缩带膨胀机循环的系统性 能对比分析也可得到类似的结果，如图1 - 1 7 所示。只是由于双级压缩减少了放 热过程的不可逆损失，系统c o p 有了较大的提高，采用膨胀机和采用回热器循 环的系统性能的差距相对变小。当双级回热循环的过热度达到理论上的最大值 第一章绪论 3 5 时，仅相当于双级带膨胀机循环的膨胀机效率为o 5 6 时的系统c o p 。在通 常过热度选取1 5 的情况下，与回热循环系统c o p 相当的带膨胀机循环的膨胀 机效率分别为0 1 2 和0 3 1 2 4 1 。 已例响廿协州舯h i 悖i 均e v a p o r a t i o n 协m 呻咖r e ( o c ) 图1 1 8 有效能损失比率的比较 图1 1 9 系统c o p 随蒸发温度的变化 由图1 1 8 可以看出膨胀机有效能损失在带膨胀机的循环系统有效能总损失 中所占的比率较小，而回热器加节流阀有效能损失在带回热器的循环系统有效能 总损失中所占的比率较大。图1 1 9 表示各种循环的系统c o p 随蒸发温度的变化。 在目前的膨胀机的效率的基础上分析，选取回热器的过热度为2 0 ，系统c o p 从高到低依次为双级膨胀循环、单级膨胀循环、双级回热循环、单级回热循环， 前三种循环c o p 分别比单级压缩回热循环高4 2 、2 2 和1 7 。带节流阀的 c 0 2 制冷系统即使采用双级压缩循环，其制冷性能也低于单级压缩带膨胀机的循 环。因此开发高效的膨胀机是提高c 0 2 跨临界循环性能的首要任务【2 5 1 。 1 3 二氧化碳膨胀机的研究 研制c 0 2 膨胀机是推动c 0 2 跨临界循环走向普遍应用的重要途径。类似压 缩机的形式，c 0 2 膨胀机的形式可以有很多种选择。因工作在膨胀机中的c 0 2 比容要小于在压缩机中的c 0 2 比容，所以膨胀机的尺寸小于压缩机。有些形式 膨胀机需要进行吸气控制，吸气控制的设计应保证吸气阀的开关相位，同时也要 满足耐压和泄漏小的特点。目前国际上对于c 0 2 膨胀机的研究还相对较少，缺 乏公开的文献描述膨胀机原型机的研究和制造。主要是有一些研究机构和大学进 正进行相关内容的研究。 1 3 1 二氧化碳膨胀机国内外研究动态 自l o r e n z e n 教授在1 9 9 4 年首先提出了使用膨胀机回收膨胀功的方法以来， 人们逐渐认识到开发c 0 2 膨胀机已经成为推动c 0 2 跨i 临界循环走向实际应用的 1 2 天津大学博士学位论文c 0 2 膨胀机内部相变膨胀过程理论分析与可视化试验研究 重要手段。因此各个大学研究所以及一些大型的制冷设备公司对c 0 2 膨胀机都 进行不断的研究和开发。然而，由于对超临界c o ：膨胀作功的机理还存在许多 问题。一些过程和现象无