基于跨临界CO2循环的微通道气体冷却器研究

论文摘要

CO2跨临界制冷循环广泛应用于各种常规制冷系统,如汽车空调、船用空调,以及高温热泵、干燥系统等,而气体冷却器的性能优劣与系统效率密切相关。相对于常规通道气冷器研究,微通道气冷器研究还有待深入,例如制冷剂在微通道内部的流型流态以及换热特性。由于微通道换热器内部换热机理较复杂,目前还没有统一的传热关联式和摩擦阻力关联式。本文研究工作是基于跨临界CO2制冷系统的实验研究和微通道气冷器的数值模拟分解模型的建立,总结了在实验范围内的跨临界循环气冷器传热关联式和摩擦阻力关联式,求解气冷器内温度场和流量分布规律,并在此基础上进行了流量均匀分配的新型集流管结构设计,达到改善微通道气冷器流量分配、提高系统效率的目标,是本论文的创新研究。论文的主要内容包括以下几个方面:1、建立跨临界CO2对流换热特性研究实验平台,可实现较宽流量、压力、温度范围的水平或垂直单管、多管的微通道气冷器实验研究。2、实验对经典的微通道换热器内超临界CO2的传热关联式和压降关联式进行了比较计算,并总结了反映传热特性的雷诺数Re、普郎特数Pr、努谢尔数Nu对应关系式: （?）3、实验发现微通道气冷器温度场分布不均匀,微通道气体冷却器扁管数为38,在CO2流量为110-470kg/h、气冷器进口压力7.5-9MPa范围内,集液管上部13根扁平管CO2流量占总流量的37.3 %至48.1 %,集液管尾部13根扁平管CO2流量占总流量的21.4%至29.1%。随着CO2流量由110kg/h增大到470kg/h,扁平管内最大流量不均匀度由97%降低到18%。4、基于实验数据分析,对微通道气冷器集液管的结构尺寸进行了优化设计,根据集流管的速度场分布的不均匀性,采用在集流管中扁平管突起变尺寸设计,达到制冷剂在扁平管束均匀分配的目的。集液管顶部13根的扁平管的不均衡度从43%降低到32.7%,集液管底部的扁平管的制冷剂不均衡度从33.4%降低到20.7%,集液管中部的扁平管的不均衡度由10.6%提高到13.1%,整个气冷器内制冷剂的不均衡度从44.6%降低到27.8%。制冷剂在微通道的流动和换热问题是一个十分复杂的课题,本文工作是我们在这一领域的初步探索,后续深入的研究可从以下几方面进行:1、实验研究方面,进一步扩大实验工况范围,包括制冷剂质量流量、冷却水（空气）循环设定温度等。2、模拟仿真方面,气冷器设计尽可能选择单流程,微通道孔的结构尺寸与整个气冷器的结构尺寸比例安排适当,制冷剂入口与出口的位置应尽可能安排在集液管的最顶部与最底部。微通道换热器内部制冷剂流量分配不均匀情况是目前研究的重点也是难点,本文可以为进一步设计出气流均匀分配的高效微通道气冷器提供基础数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 课题研究现状
• 2 循环研究现状'>1.2.1 跨临界CO₂循环研究现状
• 2 对流传热研究现状'>1.2.2 超临界CO₂对流传热研究现状
• 1.2.3 微通道换热器的发展及研究现状
• 1.3 课题研究的内容和目的
• 1.3.1 微通道气体冷却器传热与流动性能研究
• 1.3.2 微通道气体冷却器流量分配特性研究
• 1.3.3 新型微通道气体冷却器集流管结构优化设计
• 1.3.4 课题研究目的
• 1.4 本章小结
• 2对流传热机理'>第二章 超临界CO₂对流传热机理
• 2 的变物性分析'>2.1 超临界CO₂的变物性分析
• 2 临界相变特性'>2.1.1 CO₂临界相变特性
• 2 临界热物理性质'>2.1.2 CO₂临界热物理性质
• 2 对流传热机理'>2.2 超临界CO₂对流传热机理
• 2 对流传热特点'>2.2.1 超临界CO₂对流传热特点
• 2.2.2 比热、粘度、导热系数对流动传热的影响
• 2.2.3 微通道结构类型对微通道流动传热的影响
• 2.3 本章小结
• 2循环实验研究'>第三章 跨临界CO₂循环实验研究
• 3.1 实验系统与装置设计
• 3.1.1 实验装置设计原则与特点
• 3.1.2 实验系统与装置
• 3.2 实验研究目的和内容
• 3.2.1 实验准备工作
• 3.2.2 实验研究的目的
• 3.2.3 实验研究的方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 实验结果分析
• 4.1 数据处理方法
• 4.2 临界温度区对微通道内局部换热系数的影响
• 4.3 微通道气体冷却器平均换热系数影响因素分析
• 4.3.1 系统压力对平均换热系数的影响
• 2 质量流量对平均换热系数的影响'>4.3.2 CO₂质量流量对平均换热系数的影响
• 4.3.3 空气侧风量对平均换热系数的影响
• 4.4 微通道气体冷却器流动压降与雷诺数的分析
• 4.5 微通道气体冷却器表面温度的分布
• 4.6 实验结果与经典关联式比较计算
• 4.6.1 经典换热关联式的比较计算
• 4.6.2 经典压降关联式的比较计算
• 4.6.3 拟合实验关联式
• 4.7 本章小结
• 第五章 微通道气体冷却器分解模型建立与计算
• 5.1 微通道气体冷却器模型建立
• 5.2 数值计算
• 5.2.1 模拟工况
• 5.2.2 网格划分
• 5.2.3 边界条件设定
• 5.3 微通道气冷器模拟结果与数据分析
• 5.3.1 制冷剂流量分配情况
• 5.3.2 微通道气体冷却器内流动与传热特性的变化
• 5.3.3 模拟结果与实验结果对比分析
• 5.4 微通道气体冷却器均匀性入口分配集流管设计
• 5.5 本章小结
• 结论和展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件