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申请上海交通大学硕士学位论文 二氧化碳跨临界循环换热器传热与强度实验研究 摘要 随着环境保护成为各国提得越来越多的问题，制冷剂替代的话题成为 ， 了行业关注的焦点。艋众多的候选工质中，二氧化碳是其中之一。由于采 、 用了跨临界循环用以提高c o p ，系统必须在相对过去要高很多的压力下工 作而过去对二氧化碳的换热特性研究不包括l 晦界点状态附近及以上范围， 所以对于跨临界循环下的系统特性仍有待深入研究。 尽管在许多国外文献中已有了各类的样机介绍和一些实验研究，但国 内无法获得第一手资料。本文的研究就填补了国内这一项空白，率先试制 了国内首台可运行的高压制冷系统压缩机，并搭建了系统实验台进行了实 、 验。厂矿 首先，本文介绍了本次研究所搭建的系统实验台，然后阐述了针对这 次的实验台设计的用于研究系统换热特性的实验方案。 对目前阶段中的实验运行情况和部分实验结果，本文给予了介绍并对 数据进行了分析，提出了在本次实验中发现的一些二氧化碳系统的特殊问 题及其解释，为今后的研究排除了障碍。 之后根据预先的设计，本文依据实验结果分析了本次实验中的换热特 性，将实验结果与一些公式的计算值及文献中的数值进行了对比，提出了 出现差异的可能原因，并对下一阶段的研究提出了建议。 摘要a b s t r a c t 随后，本文将实验中得到的数据和换热特征用于编制的仿真程序中， 通过仿真程序对跨临界二氧化碳换热器进行了更深入的研究，探讨了在本 次实际条件下的换热器采用不同换热流程时的影响，对换热器的重新设计 提出了自己的看法，并将结果与实验值作了对比，分析了误差出现的原因， 确定了下一阶段研究的重点。 本文也针对系统的高压问题，在研究中对部件的强度和系统的安全性 给予了考虑，在理论分析的基础上进行了爆破实验，得到了第一手的资料。 关键词： 二氧化碳制冷系统，实验台，跨临界，换旃强度，仿真，传丝 国 注：本次研究的主要经费由合作方提供，所以研究的成果属双方共有，考虑到技术的 保密要求，本文应合作方要求，主要的结构及工况数据不予公开。 i i r 一 ! 堕圭堡銮望盔堂堡主兰壁堡塞 t h er e s e a r c h o ft r a n s c r i t i c a l c a r b o nd i o x i d es y s t e m f o rt h e p r o p e r t i e so fh e a tt r a n s f e ra n d s a f e t y b a s e do ne x p e r j m e n t s a b s t r a c t a st h ee n v i r o n m e n tb e c a m et h eh o t s p o to fm o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l d ，t h e s u b s t i t u t i o no fc f cr e f r i g e r a n tw a sc o n c e r n e d b yt h er e f r i g e r a n ti n d u s t r y s e r i o u s l y t h ec a r b o nd i o x i d ei so n eo f t h ec a n d i d a t e s i m p r o v e dc o pw i t h t r a n s c r i t i c a lc y c l e ，c a r b o nd i o x i d ew i l lw o r ku n d e ram u c h h i g h e rp r e s s u r ei n t h es y s t e mw h i c hm a k e st h e p r o p e r t i e so f p e r f o r m a n c e u n f a m i l i a rt ot h e e x p e r t s a l t h o u g hm a n yp r o - t y p e sa n de x p e r i m e n t sh a v eb e e ne s t a b l i s h e da b r o a d ， o u rm o t h e r l a n dc a ng e tr i od a t ai nd e t a i l sb u ts o m ef r a g m e n t si nt h ea r t i c l e s t h i sr e s e a r c hi sg o i n gt oc h a n g et h i ss i t u a t i o nb yt h et r i a l - m a n u f a c t u r eo fo u r f i r s tc o m p r e s s o ru s e di nt r a n s c r i t i c a lc y c l ea n d e x p e r i m e n t sb a s e do nt h et e s t i n g o f t h e s y s t e m i nt h i sp a p e r ： f i r s t ，t h et e s t r i ge s t a b l i s h e di no u rr e s e a r c hi si n t r o d u c e d ，a sw e l la st h e c 塑墨竺! ! 塑坠 p l a n o fo u rr e s e a r c h s e c o n d ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s i so fo u rr e s e a r c ha r e g i v e n t h ef e a t u r eo fo u rt r a n s c r i t i c a ls y s t e mi sl i s t e da n dd i s c u s s e dw h i c h w i l l b et h en e wf o u n d a t i o no fo u rn e x t s t e p t h i r d ，t h ec o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e no u rr e s u l t sa n dd a t ai nt h ea r t i c l e t h ea c c o u n t so fs u c hd i f f e r e n c e sa r eg i v e na n dt h em o d i f i c a t i o no f o u rn e x t t e s t - r i gi so f f e r e d t h e n ，t h es i m u l a t i o no ft h eh e a t - t r a n s f e r sa r ee s t a b l i s h e db a s e do no u r e x p e r i m e n t sa n dt h es t r u c t u r eo far e a ls e d a n - h v a c s y s t e m t h ed e s i g na n d m o d i f i c a t i o no fh e a t t r a n s f e ra r e p r o p o s e db a s e d o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y , t h es a f e t yo f o u rn e w s y s t e mi se s t i m a t e da n de x p e r i m e n t sf o rt h i s p u r p o s e i sm e n t i o n e d k e y w o r d s ：a i r c o n d i t i o n i n g s y s t e m w i t hc a r b o n d i o x i d e ，t e s t r i g ， t r a n s c r i t i c a l ，h e a tt r a n s f e r , s a f e t y , s i m u l a t i o n 申请上海交通大学硕士学位论文 1 1 研究背景乜9 啪】 3 1 】 3 5 1 1 3 6 第一章绪论 本世纪七十年代，曾被认为近乎完美的c f c 和h c f c 系列制冷剂由于对大气臭氧 层的破坏作用而再次引起全世界的关注。而到了1 9 8 7 年蒙特利尔议定书的签定至 1 9 9 7 年京都协议的进一步约束，其暂时的替代品h f c s 系列冷剂由于被发现其加 剧地球温室效应的缺点也将面临被制冷业逐步淘汰的命运。在这种情况下，制冷剂市 场将从过去氟利昂一统天下的局面转变为一个相对的真空状态。由谁来代替被淘汰的 氟利昂将是制冷行业在今后十几年中所关心的问题，而面临当今生产与科研越来越紧 密关联的时代，这一问题显然也将是许多研究机构研究的重点方向之一。 目前可能成为替代冷剂的选择有许多，其中较受关注的主要有一些混合工质 ( r 4 0 7 c ，r 4 1 0 a 等) ，各类自然工质( 如炭氢化合物，二氧化碳，水及氨等) 。而工 业领域对新工质的期望或者说是最终的选择标准主要有1 安全性：包括无毒，不可燃， 无腐蚀等：2 环保性：包括o d p 为0 ，g w p 尽可能小；3 系统性能：指系统的制造加 工成本，运行的c o p 等。而除此之外，许多企业从自身利益考虑，也希望新的冷剂能 在对现有系统做尽可能少的改动情况下被使用以避免现有设备的更新。对于活跃在制 冷行业的众多科研单位来说，要使他们的研究具有实际价值，并能转化为经济效益， 就必须在研究中始终以这些标准为指导。 因此，从以上的标准出发对现有的各种可选工质进行了比较后发现，每种工质都 各有优势和缺陷，至今没有哪种制冷剂可以完全作为氟利昂的继承者而排斥其他选择。 下面将对几种较有代表性的冷剂作简单的介绍、分析和评价。 1 混合制冷剂 r 4 0 7 e 是r 3 2 ，r 1 2 5 和r 1 3 4 a 的非共沸混合物，其重量成分为2 3 ，2 5 5 2 。它 的充注容量和压力比其他工质更接近r 2 2 ；但它在蒸发时会有约5 的温度滑 移，成为了人们担心的问题。因为在实际系统中，由于泄漏等原因会使系统中 的组分比例发生变化，从而对系统性能和维修产生影响。其最大的优势在于用 作r 2 2 的替代品时，无需改变现有设备，仅在充注量和润滑油上作改变即可。 但其实际的可靠性仍须继续测试。 r 4 1 0 a 是r 3 2 和r 1 2 5 各5 0 的混合物。优点是亚共沸，传热性能好，压损小， 但其压力太高，比r 2 2 系统提高了1 5 倍而且无法直接充注，需要重新设计压 缩机主要部件，成本较高。 2 天然制冷剂 氨：它在1 2 0 年来始终在制冷业中占有一席之地从而证明自己的确有很多的优 势。它价廉，高效，安全( 由于其有异味，所以实际造成的泄漏事故并不严重) 且能与低价格的润滑油互溶，其优良的热力性质使它至今仍在许多国家的大型 系统中应用。而在当今环保问题越来越受到重视的情况下，其o d p = 0 ，低g w p 值( 1 0 0 以下) 的特点成为了新的优势。另外，如果采用减少充注量，使用螺 杆式压缩机，引入板式换热器等方法，其安全性还可进一步提高。但同时必须 解决其与某些材料的不容性( 尤其在含水时) ，可燃性，毒性和高排气温度等 问题。 第一章绪论 碳氢化合物：优势在于o d p = 0 ，g w p = 2 0 ，热力学性能和油溶性好。但其可燃 性是致命伤。 c o ：作为一种被抛弃了几十年的工质，由于对环保的要求和新的跨临界循环 的提出，使它获得了新的生命力。在通过跨临界循环达到了令人满意的c o p 后 ( 理论，实验，样机和实用机组都在不断证明其c o p 完全可达到现有冷剂的水 平) ，其无毒，不可燃，o d p = 0 ，g w p 相当于0 ( 作为制冷剂的c o ，是从自然 界或工业废气中分离得到的，它本身不产生新的c o ：，所以从这个角度来看， 其g w p = 0 ) 的安全特性和低廉的价格，良好的热物性较低的压比，与常用 的工程材料及油相兼容等特点都使它再次成为制冷业关注的焦点。但其缺点是 在采用了跨临界循环后，系统内部压力过高( 高压在1 0 0 b a r 以上甚至可达 1 6 0 b a r ) ，许多部件需要重新设计，强度安全设计是关键。由于其本身的特点， 二氧化碳在几个方向上很有前途：一是冷剂易于泄漏的船用和车用系统中；二 是超临界态放热时的高温使其在热水加热和热泵系统中有突出的优势；除此 外，还有将其用于复叠式制冷系统中的研究。 从以上的归纳比较看来，目前并没有任何一种工质具有压倒性的优势。这种情况 从商业角度来分析，可发现此时哪种工质能最先在实用系统的开发上实现突破，它就 有可能成为下一代制冷剂中的主流。这与许多企业明知现有制冷剂的缺点却仍继续使 用，并倾向于接受能直接充注于原系统中的替代工质的情况是一样的。无论从避免淘 汰现有设备的角度还是从思维惯性来看，种产品占据市场的时间越早，其被取代的 可能性相对也就越小。 在这种行业背景下，各个研究机构纷纷争先展开了对新工质系统的研究。以下将 针对本文的情况，简要介绍一下二氧化碳系统研究的现状。 在1 9 9 2 年，挪威工业大学( m 限) 的教授l o r e n t z e n g 等人根据c o ，的物性特点 提出的c 0 ，超临界理论6 】【2 3 1 2 “，整个系统循环为跨临界循环。相对传统循环来说，跨 临界循环的特点是在压缩机出口后的冷却过程中c o ，在整个冷却部件( 国际上通称为 气冷器g a sc o o l e r ) 中的温度高于其临界温度31 1 ，处于超临界状态，始终处于气相 态。采用跨临界循环的优点首先在于使二氧化碳系统效率相对1 9 世纪时p e r k i n s 循环 下的效率升高了许多，从而使二氧化碳系统解决了过去c o p 太低的缺陷并依靠自身的 一些优点成为了目前较有潜力的替代工质之一。从近期许多文献的实验或仿真研究结 果来看，它的性能达到甚至超过了一些现有系统。 但采用了跨临界循环后，使得二氧化碳系统的高低压侧均有很高的工作压力，在 一些文献介绍中其高压侧达到了1 6 0 1 0 0 b a r ，低压侧达到了7 0 3 0 b 一”】，我们试制系 统的初期实验数据也显示高低压侧压力分别达到了7 9 b a r 和3 5 b a r 左右，因此，原有系 统及各部件均需要重新设计，系统强度和结构的安全性成为了需要关注的问题。这些 都是二氧化碳系统在短期内成为主流产品的重要障碍。 1 2 各国研究计划和进展1 2 5 l 本节继续上一节的内容作进步的展开，对二氧化碳跨临界系统的研究作进一步 的介绍。 由于二氧化碳系统的优点和在新循环下对系统特性的不确定性，各国在近几年纷 纷展开了对二氧化碳系统的研究工作。下面是本文对目前所了解到的情况做的一个简 申请上海交通大学硕士学位论文 要概括，读者可以就此对比本次研究的目的和进展，从而客观地评价本文的研究。 日本 在二氧化碳换热特征研究上，计划研究亚临界压力下沸腾换热和超临界压力下光 滑管内挟热。日本研究者认为由于跨临界系统中压力很高使得系统内制冷剂密度相对 传统制冷剂较大，所以在同样的质流量要求下可以采用相对较小的管径。因此，需要 对此种情况下小管径流动的换热和压降特征进行进一步的研究。他们计划在东京大学， 九州大学和电力工业中央研究所各搭建个实验台进行实验，对比三个实验台的数 据并从中得出有关二氧化碳的换热和压降公式。 挪威 研究重点之一也是换热和压降特性，计划的目标与日本类似，但在计划中还提到 了要研究不同的润滑油在系统换热和压降特性上的影响，截止去年实验主要针对小 管径蒸发器的干工况情况。 另外，他们还关注系统安全性问题。在此问题上，主要的忧虑是系统的高压形成的 潜在危险。对此，研究认为由于在系统设计时会针对高压设计系统容器，所以危险性 并不大。对于意外情况的破裂，可通过容器体积，压力和制冷剂热物性来推算可能的 爆破能量。但由于在一些制冷系统中会发生一种被称为沸腾液态膨胀导致的蒸汽爆炸 ( b o i l i n gl i q u i de x p a n d i n gv a p o u re x p l o s i o n s ，简称为b l e v e ) ，而这种情况是否会在 二氧化碳系统中发生从而影响其安全性还不得而知。针对这个问题，已搭建了实验台 并拟订了实验方案，方案中包括研究： 初始状态，液体的充注量，裂缝程度对二氧化碳容器中b l e v e 现象的影响 从破裂概率等角度与目前使用的制冷剂进行对比以分析系统的安全性 而针对于润滑油问题的研究主要是考虑不同润滑油与二氧化碳混合后的性质，包 括温度限制，粘滞力和在系统中渗入水份时的影响。但从文献看来由于资金的问题， 此计划的实施已被滞后。 瑞典 瑞典在此方面的研究可分为实践和理论两部分。瑞典改造了一个冷藏柜( f r e e z e r ) ， 采用一套以二氧化碳为制冷剂的制冷系统，并将实验结果与仿真结果对比，但在测试 过的系统中，其换热量，温度差均无法达到期望值。而理论部分的工作包括对瑞典及 其他国家目前为止的所有不同替代工质研究情况的汇编。 英国 英国的d r i v e rt e c h n o l o g y 有限公司正在利用新方法来设计压缩机和膨胀机构。这 种新的设计将会大大提高二氧化碳系统的c o p ，使其较现有的高效系统有同样的竞争 力。但目前这种设计面临的一个重要问题是设计出能提供良好密封效果同时接触摩擦 较小的可用于实际生产的密封部件。密封部件设计的整个方案包括材料选择，材料表 面处理，部件设计，密封部件与整个系统的总成，部件强度分析，流体粘度的计算， 接触摩擦计算，液体渗漏计算。有关的实验台建设，实验和最终的设计，测试计划在 2 0 0 1 年底完成。 美国 最初计划在排除润滑油影响的情况下搭建一个二氧化碳系统实验台，但由于无法 找到可以提供设计流量工况的系统压缩机，使得此研究被放弃。取而代之的是一套传 统的水冷换热实验装置。在2 0 0 0 年第一季度时，实验台利用单相的r 1 3 4 a 进行了测 试，目的在于标定蒸发器制冷荆侧的换热系数并测试一些控制部件。在此之后开始正 式的研究工作。 第一章绪论 另一方面，通过试验样机和仿真计算，美国也正在对二氧化碳在车用空调领域的实用 性进行进一步的确认。 1 3 文献研究综述 在各国的不断投入下，有关跨临界系统的各类研究结果在近十年中不断出现，作 者认为这些文献根据其侧重点不同可分为几类 1 基于纯理论的循环分析埘【o l 【“1 1 2 2 1 ”1 早期的国外文献和国内的许多论文都属于第一类即纯理论的循环分析类文献，主 要是在跨临界理论提出不久后作为对这一新循环的验证和理论评价，并为今后的研究 作了铺垫，指出了一些研究的方向。 2 对二氧化碳系统环保特性的分析和比较 传统的t e w i ( t o t a le q u i v a l e n tw a r m i n gi m p a c t ) 计算是通过年系统耗功与系统制冷剂 泄漏的综合分析得到某种制冷剂系统的温室效应指数，在文献 5 】中，d c o l b o u r n e 和k 0 s u e n 认为应该使用更符合实际的计算，而提出了自己的计算法，该方法包括 了更多的方面，包括系统制造和工作时的能源消耗以及系统运行( 制冷剂的泄漏) 和 报废( 制冷剂回收) 过程中对温室效应的影响，并通过计算给出了各部分在温室效应 影响中的比重。 文献【1 3 】中对分别使用二氧化碳和r 1 3 4 a 的两套车用空调系统的t e w i 值进行了对 比，对比中利用在停车和行驶两种车况下的实验值取代了传统计算中的模型估计使得 结果更具可信度。比较结果显示在欧洲，日本和美国的大部分地区，二氧化碳系统的 t e w i 值远低于r 1 3 4 a 系统。 表l 一1二氧化碳系统和r 1 3 4 a 系统t e w i 值计算结果 地区 r 1 3 4 a 二氧化碳 美国重量直接效应重量直接效应 4 5 71 1 4 74 9 11 能量 t e w i 能量 t e w i 中西部f m i d w e s t ) 6 3 72 2 4 15 8 21 0 7 4 东南部( s o u t h e a s t ) 2 1 9 73 8 0 11 9 9 42 4 8 6 东北部( n o r t h e a s t ) 7 9 52 3 9 97 2 l1 2 1 3 西南部( s o u t h w e s t )1 9 7 6 3 5 8 01 9 3 02 4 2 2 欧洲重量直接效应重量直接效应 3 4 01 1 4 7 3 6 4l 能量 t e w i 能量 t e 、i 英国 1 2 91 6 1 61 1 94 8 4 德国 1 8 41 6 7 11 6 9 希腊 7 3 62 2 2 36 7 1 意大利 5 1 01 9 9 74 6 9 西班牙 5 2 82 0 1 54 8 7 日本重量直接效应重量直接效应 申请上海交通大学硕士学位论文 2 1 48 0 32 2 9l 能量 t e w i 能量 t e w i i t a z u k a3 9 71 4 1 43 7 16 0 0 k a d e n a7 1 01 7 2 76 6 58 9 4 m i z a w a1 8 71 2 0 41 7 03 9 9 y b k o t a3 1 91 3 3 62 9 45 2 3 3 实验机型的数据及与其他系统的比较 伊利诺斯大学空调制冷中心的m r r i c h t e r 等对一套市售的使用r 4 1 0 a 制冷剂的 热泵系统和一套二氧化碳样机进行了实验对比，对比在两种工况下进行室内2 1 1 ， 室外8 2 和室内2 5 6 c ，室外3 5 实验结果显示二氧化碳样机系统的制热系数略低 于对比系统，但在室外温度较低时其系统制热量较大，实验设置了两个空气调节室模拟 室内外工况，并给出了两套系统的详细数据，具体可查阅文献 2 7 1 。 文献 2 6 1 中给出了一套二氧化碳热泵样机的测试结果。该样机是为新西兰食物加 工工业制作，用于同时产生9 0 的热水和提供0 c 以下制冷。测试中包括在加入和不 加入润滑油的情况下运行在几种工况下的结果。样机的设计要求为提供一5 的制冷效 果并同时将1 0 的水加热到9 0 ，加热能力为1 1 5 k w ，制冷能力为8 0 k w 。该文的主要 工作是从总体角度评价油对系统c o p 的影响。文中以图表的方法给出了不同工况有 无润滑油情况下c 0 7 的比较，在有油的情况下，压缩机全速达到的最大c o p 接近3 ， 在无油情况下c o p 达到3 2 。文中认为压缩机的绝热效率是影响系统c o p 的重要因素， 并认为油的主要影响之一也是对绝热效率的影响。文献认为由于使用的压缩机在绝热 效率上的缺陷，使得该系统c o pe e 过去一些文献中的系统c o p 为低这使得今后通过 改进压缩机的方法提高系统c o p 成为可能，文献因此认为对此类系统的继续研究将具 有很大的商业价值。 其他类似的文献还有许多1 8 1 1 “】【l ”。 4 高压特性下二氧化碳换热性能的研究 有关高压特性下二氧化碳换热性能的研究目前相对较少，作者查阅到的有文献 【1 1 1 7 和文献 2 1 5 针对部件的研究 此类文献目前作者阅读范围内的只有几篇针对压缩机部件的专著研究且基本是围 绕工作参数等比较宏观的问题，由于与本文的研究关系不紧密，此处不展开讨论。 1 4 本文研究内容 在这种国际研究背景下，上海交通大学制冷与低温研究所车用空调实验室经过了 长期的理论准备后，在2 0 0 0 年开始了二氧化碳空调系统开发的项目。整个项目的目的 在于以现有的国内t t - 氧化碳系统研究成果为基础，通过一定的设计改进，试制国内 第一套完整的二氧化碳车用空调系统。此后从这个起始点出发，将继续开发用于其他 场合的二氧化碳空调系统并掌握一整套自己的技术数据为今后更进一步的优化和改良 打好基础，最终目标是争取使我国在二氧化碳制冷系统这一领域内的研究和实际生产 能力达到国际领先水平。本文的内容就是此项目中的前期工作，主要是换热部件的研 究和系统安全性的分析。 c 第一章绪论 二氧化碳系统的开发这一研究方向，是通过对现有的资料进行分析和对比，并综 合考虑了本实验室的实际情况后作出的选择。另外合作单位同样对二氧化碳系统的前 景抱有信心也是最后确定此方向的原因之一。 而本文的主要内容涉及对试制系统的初期研究和分析，针对系统换热部件的换热 特性，结构强度和循环参数给予足够的关注，然后通过分析目前实验中得到的数据提 出了今后的研究方法和重点，包括今后设计中选用的换热参数，换热结构模型以及系 统设计时的结构强度要求。 研究过程包括一实验台的搭建和实验设计：二，对实验数据的处理：三，对本 次实验值与过去文献中的数值对比并分析差异；四，仿真程序的计算以及仿真结果与 实验值的比较：五，部件强度和安全性的理论与实验研究。 在试制系统中换热部件主要指气冷器，蒸发器及回热部件。气冷器和蒸发器采用 管片式结构，回热部件为同心管路，具体参数和研究结果请参看后文。系统的压缩机 为国内生产，处于试验阶段；节流部件为手控的节流阀。 6 申请上海交通大学硕士学位论文 第二章实验系统 2 0 简介 本章将对本文研究数据的来源，压缩机试制用系统实验台的结构给出描述。鉴于 本文的研究重点在系统换热部件效能上，所以将侧重于有关的测量。 本章将给出系统实验台的简图，系统换热部件的结构尺寸，测点的布置等。 2 1 系统结构介绍 图2 - 1 制冷系统部件总图 f i g u r e2 lt h ec o m p o n e n t so f t h ea i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m 上图是系统实验台的简图，其中压缩机是本次项目自行设计制造，为斜盘式， 气体冷却器和蒸发器也是自制，采用管片式结构，结构参数是依据实际车体空间拟订， 长宽高的是以不大于原车用空调换热器的结构为标准取定的。在设计和管路布置上参 考了1 9 9 1 年文献中的样机。1 9 9 4 年文献中的样机提到了参数包括迎风面积、管数，流 程数、空气侧流道长度、芯体体积和空气侧换热面积。在设计中根据实际情况取定了 管间距、管排间距、换热器宽度、肋片间距等。设计中尽可能地保证换热面积，对管 数和管排数作了一定的调整，考虑到国内厂家初次制作c 0 2 换热器，加工工艺不成熟， 设计时换热面积留下一定余量。 第二章实验系统 蒸发器结构尺寸设计 尺寸确定：考虑到车用空调蒸发器需要紧凑设计，但由于存在结霜的可能，肋间 距不能太小，取为1 5 m m 。 文献中管流程数为1 1 ，奇数流程数会导致蒸发器进口和出口管不在同一侧，不便 于安装，故将尺寸放大，流程数取1 2 。 其它参数依据迎风面积和总空气侧换热面积整定。并留一定余量，最后尺寸参数 设计结果如下： 换热管外径：3 m m ，内径：2 m m ； 管排数：1 2 三角形叉排； 换热器外形： 高：1 7 4 m m ，宽：2 5 0 m m ，厚：9 6 m m 迎风面积：0 0 4 2 m 2 ； 空气侧换热面积：6 8 6 4 。 设计时通过早期编制的仿真程序进行了热力计算预估计； 计算中设定的设计工况为迎面风速2 8 m s ，蒸发温度5 ，蒸发压力3 9 7 b a r ，制 冷剂流量0 0 3 2 k e c s ，进1 ：3 干度0 4 5 。 此时仿真结果为出口基本处于饱和蒸汽态，制冷量为5 0 1 k w 。 蒸发器侧视图如下： 图2 - 2 蒸发器 f i g u r e 2 - 2t h ee v a p o r a t o r 气体冷却器结构尺寸设计 设计原则与蒸发器类似，最后尺寸参数设计结果如下： 换热管外径：3 m m ，内径：2 m m ： 管排数：3 ，三角形叉排； 换热器外形： 高：4 8 0 r a m ，宽：5 8 0 m m ，厚：2 4 m m 迎风面积；0 2 7 8 m 2 ； 3 申请上海交通大学硕士学位论文 空气侧换热面积：l1 4m 2 。 设计仿真热力计算预估取工况为迎面风速2 5 m s ，制冷剂进口温度1 1 0 。c ，进口 压力1 1 0 b a r ，制冷剂流量0 0 3 2 k g s 。出口计算值为制冷剂温度3 7 8 。c ，换热量 为7 0 3 k w 。 气冷器侧视图见附图，图中画出了4 个换热管流程和集气管的一部分，气冷器出 口集气管伸出芯体1 5 0 m r n ，以留下以后可能更换接头用尺寸。 图2 - 3 气冷器 f i g u r e2 - 3t h eg a sc o o l e r 下面的图片为系统实验台中蒸发器和气冷器的照片 9 第二章实验系统 图2 - 4 蒸发器照片 f i g u r e2 - 4t h ep h o t o g r a p ho f e v a p o r a t o r 图2 - 5 气冷器照片 f i g u r e2 - 5t h ep h o t o g r a p ho fg a sc o o l e r 图片中蒸发器和气冷器已安装在实验室的风道口，两边的空隙用隔热的塑泡材料 封闭并用胶带纸密封，保证换热器的进风无旁通，因此风道后段的空气流量测量是准 确的。从照片中可以看到换热器进出口( 分流前后) 的集液管以及布置在集液管上用 来测量制冷剂进出口温度的热电偶。从蒸发器照片中可清楚地看到热电偶是布置在集 液管上并用很厚的隔热材料包裹，目的是减少外界对热电偶测量的影响。 集液( 气) 管 集液( 气) 管即制冷剂的收集管即气冷器和蒸发器分流前后的管路。经应力分析， 选择了适当的壁厚，保证7 0 m p a 下最大拉应力小于铜材屈服应力。 回热器 为提高超临界二氧化碳系统的c o p 近年来制造的二氧化碳系统都引入了回热器， i o ， 申请上海交通大学硕士学位论文 本次研究用的试制系统也加入了这一部件。该部件除了对系统性能的影响外，也可以 在目前的实验条件下作为研究二氧化碳气态换热的良好素材，在下面的章节中将给出 具体的实验设计和本次的研究结果。本节只在于介绍部件结构。 部件参考同类系统中的设计，采用双套管式结构，高压侧走内管道，低压侧走外 管道。下图为回热器的结构图 低压侧 厂一 垄耋三三三三三三三三茎三三三三三三三三三三三塾 高压倒 图2 - 6 回热器结构图 f i g 【1 r c2 - 6t h es t r u c t u r eo f h e a tr e g e n e r a t o r 回热器的材料取铜管，内管高压管道外径为l o m m ，管壁厚1 5 m m ；外管路为外 径1 8 m m ，壁厚2 m m 的铜管。回热器高低压侧有效换热长度为1 m 。 图2 7 实验中的中间抉热器 f i g u r e2 - 7t h ep h o t o g r a p ho f h e a tr e g e n e r a t o r 从上图的照片中可以看到回热器部分用绝热材料包裹，减少了外管路低压侧对外 界的吸热，尽可能保证了回热器的效果。在回热器高低压管路的进出口都布置了温度 和压力测点。从图上可以清晰地看见低压侧进口接头中导出的压力传感器和高压管出 口附近用绝热材料包裹的热电偶。右下角的是为压缩机提供动力的电机；附着于回热 器放置铁架下边的是集液器，用于调节系统内实际参与循环的二氧化碳质量。当系统 充注完成后，集液器内一般处于气液混合状态，通过集液器实现气液分离，饱和二氧 第二章实验系统 化碳气体通入回热器低压管进口。 系统中的节流部件采用手调阀，以适应测试时的参数调整。下图为阀的照片 图2 - 8 阀 f i g u r e2 - 8v a l v e 图中支架上的是系统所用的调节阀，照片下方是电机和与之相连的轴功测量部件 照片右部中间的是气冷器室的回风口。 2 2 系统实验台 本次研究中所使用的系统实验台包括一个独立的气冷器室和一个独立的蒸发器 室，两个实验房间都有良好的隔热墙，并有各自的风道和回风口；在气冷器室中布置 有气冷器，阀和压缩机，蒸发器独自布置在蒸发器室；两个换热器都布置在各自的风 道进风口上，风道采用吸风方式模拟实际车况下的换热器迎面风。 下图为气冷器室的布置草图： 图2 - 9 气冷器布置图 f i g u r e2 - 9t h et e s tr o o m1 ( f o rg a sc o o l e r ) 图中可见气冷器中各部件的布置情况以及系列测点的布置，其中温度测点使用的 是铜康铜热电偶，测温误差为0 5 c ，布置于管道表面，并用胶带固定，外面包裹绝 洲 侧 豁 功 乒包p 申请上海交通大学硕士学位论文 热材料；压力测点误差为0 5 ，通过管道上的接头直接布置于管路上测量当地压 力；温度或压力测点的布置实际情况也可参看上文中的系列照片。风道中布置了流量 喷嘴，通过测量喷嘴前后的压差结合喷嘴的进风面积可求得进入风道的空气体积流量。 ( 下文中蒸发器室的各种测点与此类似，不再重复) 。 下图为蒸发器室的布置草图： 图2 10 蒸发器室布置图 n g l i f e2 - 1 0t h et e s tr o o m 2 ( f o r e v a p o r a t o r ) 另外，下图为蒸发器室的照片 温度测 点 湿球温 度测点 图2 一1 1 蒸发器室照片 f i g u r e2 - 11 t h ep h o t o g r a p ho f t e s tr o o m 2 在照片中可看到画面最右侧的就是包裹了隔热材料的风道，在风道上盘绕的较细 的橡皮管道是流量喷嘴前的压力旁通管，它与流量喷嘴后的压力旁通管一起被引至压 差计测量空气在喷嘴前后的压力差从而计算风道的空气体积流量：图中从风道旁向左 引出导入吸风机( 图中看似电吹风的部件) 的管道是用来导出空气测量湿球和千球温 度的管道，上方悬挂了水瓶保证了湿球温度计在实验过程中的供水；在吸风机附近还可 第二章实验系统 以看到插有一支铂电阻温度计，这是用来在实验前检验实验用热电偶的误差，并在实 验中作为热电偶对比值。 2 3 实验数据监测和记录 所有实验点的测量信号传入数据采集装置f l u n k 并传入与之相连的计算机中， 所有参数的记录都以文本方式记录在指定的文件中以各实验后的处理和分析，同时一 些数据还直接连接到仪表上，直接实时显示以供随时监测。 图2 - 1 2f l u n k 和记录仪器 f i g u r e2 - 1 2f l u n ka n dr e c o r d e r 2 4 小结 图2 - 13 实时监测仪表 f i g u r e2 - 1 3t h em o n i t o r 本章介绍了本次研究中所搭建的系统实验台，这是国内第一套主要以国产设备运 行的二氧化碳系统实验台，包括压缩机，两器及节流阀都是国内自主开发设计并制造 的，这个实验台是本次研究的基础，是研究中主要的数据来源，本次的研究主要目的 也就在于分析试制系统的数据，对试制系统的性能作出评价并在此基础上完成对下一 阶段实验台的改进工作，发现新系统新循环实验中需要注意的新问题，给予足够的关 注，并在目前的实验条件下尽可能地提出解决问题的方法。 介绍中己尽可能地将本次的系统实验台概貌呈现，但鉴于开发项目的保密性，本 文的介绍中不能将更多的数据公布，在后文的研究中也是同样的原因，作者的叙述主 要将集中于解决问题的思路和一些结论性的内容中。详细实验数据的内容将在整个项 目结束后由本实验室发表。 t 申请上海交通大学硕士学位论文 3 1 简介 第三章实验及数据处理 本次研究的主要工作在于试制并运行了国内第一套完全自制的二氧化碳跨临界循 环系统并以此为基础搭建了系统实验台，从中进行了初期的实验，测得了国内第一套 二氧化碳系统实际运行时的工况参数。 但由于系统中所使用的都是国内第一次自行设计制造的部件，且此次的系统实验 台在搭建时未能预见n - 氧化碳系统的一些特点而完全依照过去实验台的经验搭建， 所以在实验中仍存在许多实验系统性能上的不完善：比如压缩机的运行会出现瞬间的 不稳定，尤其是在高压下( 实验期间有两次轴驱动力无法满足压缩机运行需要而发生 的打滑现象) ：管路和接头中的压力损失无法量化控制；存在一定的管路系统漏热量； 由于系统所需的测点较多，所以对空气侧的参数测量未采用点阵测量求平均的方法， 而只是在风道中远离换热器的位置布置了热电偶，并假设此时空气己混合完全。这些 由于经验不足而产生的实验系统上的问题，导致在本次研究过程中由于高压二氧化碳 的独特热物性使得实验数据中出现了许多与过去不同的甚至初看很矛盾的现象，许多 的数据在处理前必须先进行合理性分析，将由于实验误差，实验手段，测量方法或是 系统特殊性引起的异常现象分别找出并给予不同的处理。这一系列的分析是本次研究 中除了设计和搭建实验台外最大的工作，这些分析为今后的同类研究提供了参考，并 为下一阶段的实验设计提供了实践指导。为查明这些数据的可靠性，给出合理的解释， 研究过程中查阅了大量的文献，提出、验证并最后确定了各种现象的解释，对后期数 据的处理提出了作者的建议并以这些思路开始了后期的理论计算研究。所以，本章的 内容主要包括实验的设计及实验后的数据处理和系统新特性介绍，提出了作者对这些 数据的研究方法并给出了研究结论。 3 2 实验过程和研究思路 研究中在计划搭建实验台研究换热特性的过程中首先解决的是这样一个问题：换 热实验台要求有稳定的气源供应，但由于国内尚无生产空调用二氧化碳压缩机的能力， 而国外对此类产品的技术保护使得购买国外压缩机的想法无法实现。以上原因使得在 目前搭建专门的跨临界态二氧化碳换热实验台的计划无论从经济效益还是可操作性上 讲都显得有待商榷。加上经费有限，所以只能考虑借用项目中的系统实验台附带研究 换热问题这就对实验的设计和实验数据的处理提出了更高的要求。系统实验台中使用 的测试仪器请参阅上章。本实验室也提出了一个利用高压气体钢瓶作为气源的实验台 方案，并列于附录中。 第二个问题是由于二氧化碳系统中两器的管路较细，导致蒸发器和气冷器的翅片 间距很小，这就使得在两器的换热管路上布置温度、压力测点的难度很大。鉴于此， 对实验中的两器只在分流前和集液后布置了用来测量制冷剂压力的传感器；实验过程 第三章实验及数据处理 中通过在两器的进出口分别布置热电偶配合压力传感器确定两器进出口的制冷剂参 数；实验在气冷器各个流程的末端分别布置了热电偶，用来根据各个流程的制冷剂出 口温度判断换热器的分流情况是否合理，并比较不同流程的换热情况从而对今后的设 计提出建议；实验测量参数的数据记录时间间隔为1 s ；通过以上的测量可对实验中的 两器换热效果作出综合的测定和评价，提供结构上的合理性评价，并可从集总参数的 角度来研究换热情况作为仿真计算时的评估参考。 由于在系统实验台中无法象换热实验台那样简单地控制各种参数，研究中设计了 利用实验中的一些特殊点数据经过合理的分析后，用于研究系统中沸腾或气态换热系 数的方案，其方法和结果可为今后研究的参考，实验方案和结果将在后面几章中介绍。 在下一阶段的实验中计划搭建更有针对性的换热实验台以弥补此方面的问题。由 于第二阶段的实验尚未开始，本文的内容仅限于以上的研究形式。 实验的过程包括系统的充注，充注完成后的变流量过程及几个不同流量下的稳定 状态工况。具体操作是在开机后，从压缩机进口处连接二氧化碳钢瓶，利用钢瓶内的 高压将二氧化碳逐步送入系统；当系统内的压力到达3 0 b a r 以上后，关闭气瓶，开启 压缩机，开始气体压缩过程；通过调节节流阀，调节气冷器侧压力和系统流量，确定 不同的稳定工况，记录数据：关机并记录平衡过程( 用来协助判断测点的准确性) 。 下图是记录的系统压力时间图 图3 - 1 系统压力动态变化图 f i g u r e 3 1t h ep r e s s u r ec h a n g i n g o f t h e s y s t e m 1 6 申请上海交通大学硕士学位论文 钳 柚 t 。 6 i 。 ；柚 簧拍 嚣黜：嚣嚣k 二黧豁：篓；：压“盎口h 1 “ 图3 - 2 系统温度动态变化图 f i g u r e 3 2t e m p e r a t u r ec h a n g i n go f t h es y s t e m 3 。3 实验数据处理 3 3 1 使用平均值计算 第一个问题只作简略的说明，由于实际系统的参数总在波动中，因此本文的研究 计算是通过记录一段稳定工况的数据，并将期间各数据值取平均作为该稳定工况下的 代表值用于计算和分析。 3 3 2 壁温与譬内制冷剂温差不可忽略 通过实验测定换热时，实验中的几个关键参数需要较准确的测定。主要有制冷荆 侧的温度和压力，管壁温度，环境温度和湿度( 蒸发器侧) ；这些参数在传统的制冷系 统实验中一般通过热电偶，压力传感器测定，测定方法在行业中已很成熟，本文不再 介绍。但在本次实验中发现，在二氧化碳系统中制冷剂侧的温度测定是一个值得探讨 的问题。 在过去的系统实验中，一般采取以下几种方法测定制冷剂侧温度。 a 在管壁上打穿透孔，将套式热电偶插入，直接测量制冷剂温度： b 由于在传统制冷循环中，冷凝和蒸发侧都有相变过程，且占管程的主要段，所 以可以通过压力传感器测定得到的冷凝( 蒸发) 压力对应地计算得到冷凝( 蒸 发) 温度，且不会引起很大误差； c 对于有些精度要求较低或特殊条件的情况，可以通过测定管