CO2家用空调系统实验研究及换热器强化换热数值模拟

论文摘要

近年来环境与能源问题日益严重,臭氧层破坏、温室效应以及能源危机已成为人类面临的主要挑战。现有制冷空调等工业大量使用的氯氟烃类制冷工质,不仅会对臭氧层造成破坏,而且它们本身也是一种温室气体。所以,积极寻找制冷剂的替代工质,已成为目前制冷工业迫在眉睫的任务。另一方面,人类对能源的需求与日俱增,现有化石能源的大量消耗,排放了大量温室气体,使得大气层的温室效应日益显著;加之,化石能源日益枯竭的趋势,因此,对在各领域大量应用的换热设备,进行强化换热及节能减阻研究显得至关重要。本文的研究内容包括实验和理论两个方面。实验方面,搭建了CO2家用空调性能测试实验台,对系统性能进行了理论分析和实验研究。理论方面,开发了三维适体坐标下的网格生成程序及数值模拟程序,对波纹翅片管换热器空气侧的流动与换热特性进行了三维数值模拟研究。具体内容及结论如下:在CO2家用空调系统实验研究方面:（1）搭建了CO2家用空调系统性能测试实验台。系统COP及换热器的换热与流动特性的实验结果发现,CO2家用空调系统的COP通常在23之间,略低于常规空调系统;强化冷却器的冷却效果是提高系统COP的有效手段;通过对循环进行优化、对冷却器采取强化换热措施可以使CO2系统的COP达到与常规空调系统相当的水平。（2）分析了带有内部回热器的CO2跨临界循环的节流损失、节流损失对COP的影响、影响节流损失的主要因素。结果表明,内部回热器可以在很大程度上减小节流损失,然而带有内部回热器的跨临界循环仍然有5%的节流损失,使得COP减小近20%;冷却器的冷却效果是影响节流损失的主要因素,冷却效果越好,节流损失越小。在换热器的强化换热及节能减阻性能研究方面:（3）自行开发了三维适体坐标下的网格生成程序及SIMPLE算法程序。目前空调领域大量使用的都是波纹翅片管换热器,波纹翅片管换热器翅片表面之间是波纹形通道,另外还有管子的存在,结构非常复杂,网格生成困难,因此对其三维数值模拟研究迟迟未能展开。本文提出了适体坐标和块结构化相结合的复合网格生成方法,开发了适体坐标下的网格生成程序和基于SIMPLE算法的三维数值模拟程序,所开发的程序可用于复杂区域流动与换热问题的数值研究。（4）考察了波纹翅片管换热器的换热与阻力性能随雷诺数、翅片间距、波纹倾角、管排数的变化规律。研究结果表明,随流速增加、波纹倾角增加、翅片间距减小、管排数减小,换热器的换热特性得到强化,与此同时阻力损失也增加。（5）建立了单位体积换热量和全场平均协同角之间的对应变化关系。采用之,对波纹翅片圆管及椭圆管换热器的换热特性随几何参数的变化关系给予了合理解释,使场协同原理可以更方便地应用于指导换热器结构的优化设计。（6）分析了波纹翅片的翅片效率随雷诺数、波纹翅片倾角、翅片间距、翅片厚度及横向管间距的变化规律。结果表明,随着雷诺数、波纹倾角、翅片间距、横向管间距的增加以及翅片厚度的减小,翅片表面温度逐渐降低,翅片效率逐渐减小。（7）进一步考察了波纹翅片表面的局部换热系数及局部翅片效率分布。结果表明,局部换热系数沿空气流动方向快速减小,且在波峰和波谷处出现波动,流速越高、波纹角越大,波动越明显;局部翅片效率沿流动方向逐渐增加,其分布特性主要依赖于翅片表面的温度分布;对流换热主要发生在入口区域,出口部分的波纹对换热的强化很小,却极大地增加了阻力损失。（8）设计了新型的局部波纹翅片形状,并进行了数值模拟验证。基于局部换热系数的模拟结果,设计了新型的局部波纹翅片模型,新模型的模拟结果表明,相对于原来的波纹翅片,新型翅片的换热性能仅仅减小4%,而阻力损失却减小了18%;相对于平直翅片,新型翅片的换热性能增加了45%,而阻力损失仅增加了26%,换热的强化大于阻力的增加,证明新型翅片结构具有很好的强化换热及节能减阻性能。（9）提出了椭圆管波纹翅片的换热器结构形式,数值研究了椭圆管波纹翅片换热器的流动与换热特性。结果表明,椭圆管布置相对于圆管布置,可以在压降仅增加10%的条件下,使换热性能强化30%;随着椭圆管向心率、翅片间距、横向管间距的增加以及翅片厚度的减小,椭圆管波纹翅片换热器的换热系数减小,同时阻力因子也减小。（10）进一步分析了椭圆管的横截面形状对换热及阻力性能的影响。将5种不同管截面形状的波纹翅片管换热器的换热和阻力性能进行了对比研究,结果表明, 4种椭圆管的换热性能都比圆管好,分别平均强化了17.0%,16.9%,14.6%,12.3%;和圆管具有相同最窄空气流通截面的椭圆管的平均阻力损失比圆管高7.1%,其他3种椭圆管的阻力性能都比圆管好,分别减少了23.9%,20.7%,17.0%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 2 作为制冷剂的研究背景及意义'>1.1.1 CO₂作为制冷剂的研究背景及意义
• 1.1.2 强化换热与节能减阻技术的研究背景及意义
• 1.1.3 数值模拟方法及网格生成技术的研究背景
• 2 制冷系统的研究进展综述'>1.2 CO₂制冷系统的研究进展综述
• 2 作为制冷剂的发展历程'>1.2.1 CO₂作为制冷剂的发展历程
• 2 制冷系统研究进展'>1.2.2 跨临界CO₂制冷系统研究进展
• 2 超临界流动换热'>1.2.3 CO₂超临界流动换热
• 2 亚临界流动沸腾'>1.2.4 CO₂亚临界流动沸腾
• 1.3 强化换热技术的研究进展
• 1.3.1 平片的实验及数值研究进展
• 1.3.2 波纹翅片的实验及数值研究进展
• 1.4 场协同原理的研究进展
• 1.5 网格生成技术研究进展
• 1.5.1 网格生成技术分类
• 1.5.2 微分方程法网格生成技术的研究进展
• 1.5.3 适体坐标中的有限容积法
• 1.6 本文研究内容
• 2 家用空调系统实验装置'>2 CO₂家用空调系统实验装置
• 2.1 问题的提出
• 2 家用空调系统实验台构造'>2.2 CO₂家用空调系统实验台构造
• 2.3 制冷循环系统
• 2.3.1 压缩机
• 2.3.2 气体冷却器
• 2.3.3 膨胀阀
• 2.3.4 蒸发器
• 2.3.5 内部回热器
• 2.3.6 空气通道
• 2.4 实验测试系统
• 2.4.1 Keithley 2700/7708 数据采集设备
• 2.4.2 Rosemount 3051 绝对压力变送器
• 2.4.3 Rosemount 3051 差压变送器
• 2.4.4 Micro Motion DH025/1700 流量计
• 2.4.5 HMP238 温度及湿度传感器
• 2.4.6 Pt100 温度传感器
• 2.4.7 其他相关测量设备
• 2.5 实验台测量原理
• 2.6 本章小结
• 2 家用空调系统实验研究'>3 CO₂家用空调系统实验研究
• 3.1 系统COP实验研究
• 3.1.1 蒸发器空气侧进口温度及速度对COP的影响
• 3.1.2 气体冷却器空气侧进口温度及速度对COP的影响
• 3.1.3 蒸发温度对COP的影响
• 3.2 换热器换热及阻力性能实验研究
• 3.2.1 气体冷却器换热及阻力性能实验研究
• 3.2.2 蒸发器换热及阻力性能实验研究
• 3.3 换热器热平衡分析
• 3.3.1 气体冷却器侧热平衡分析
• 3.3.2 蒸发器侧热平衡分析
• 3.4 跨临界循环系统中节流损失分析
• 3.4.1 节流过程能量损失的总体分析
• 3.4.2 气体冷却器空气侧进口温度的影响
• 3.4.3 气体冷却器空气侧进口速度的影响
• 3.4.4 蒸发温度的影响
• 3.5 本章小结
• 4 数值模拟方法及场协同原理
• 4.1 问题的提出
• 4.2 适体坐标系下网格生成方法概述
• 4.3 微分方程法网格生成技术
• 4.3.1 微分方程法网格生成原理
• 4.3.2 控制函数的选取
• 4.3.3 反变换方程的离散与求解
• 4.3.4 网格生成的迭代过程
• 4.4 控制方程的转换
• 4.4.1 物理空间的控制方程
• 4.4.2 控制方程从物理空间到计算空间的转换
• 4.5 边界条件的转换
• 4.6 控制方程的离散
• 4.7 场协同原理介绍
• 4.8 本章小结
• 5 波纹翅片管换热器流动与换热特性的数值研究
• 5.1 问题的提出
• 5.2 物理模型及数学方法
• 5.2.1 物理模型
• 5.2.2 网格生成
• 5.2.3 控制方程及边界条件
• 5.3 网格独立性考核及程序验证
• 5.4 换热器流动及换热特性优化研究
• 5.4.1 雷诺数的影响
• 5.4.2 翅片间距的影响
• 5.4.3 波纹倾角的影响
• 5.4.4 管排数的影响
• 5.5 本章小结
• 6 波纹翅片管换热器表面翅片效率的数值研究
• 6.1 问题的提出
• 6.2 物理模型
• 6.3 网格生成方法
• 6.4 控制方程及边界条件
• 6.5 网格独立性考核及程序验证
• 6.6 翅片效率的模拟结果及讨论
• 6.6.1 雷诺数的影响
• 6.6.2 波纹倾角的影响
• 6.6.3 翅片间距的影响
• 6.6.4 翅片厚度的影响
• 6.6.5 横向管间距的影响
• 6.7 本章小结
• 7 波纹翅片表面局部换热特性的数值模拟
• 7.1 问题的提出
• 7.2 数学物理模型
• 7.3 模拟结果及讨论
• 7.3.1 全场平均翅片效率的模拟结果验证
• 7.3.2 平直翅片表面局部Nu 及局部翅片效率分布
• 7.3.3 波纹翅片表面局部Nu 及局部翅片效率分布
• 7.4 新型高效减阻波纹翅片管换热器的设计及模拟研究
• 7.4.1 物理模型
• 7.4.2 模拟结果及讨论
• 7.5 本章小结
• 8 椭圆管波纹翅片换热器流动与换热特性的数值研究
• 8.1 问题的提出
• 8.2 物理模型
• 8.3 椭圆管几何参数对换热及阻力性能的影响
• 8.3.1 椭圆管与圆管波纹翅片换热器的换热及阻力特性对比
• 8.3.2 椭圆管向心率对换热及阻力性能的影响
• 8.3.3 翅片间距对椭圆管换热器换热及阻力性能的影响
• 8.3.4 翅片厚度对椭圆管换热器换热及阻力性能的影响
• 8.3.5 横向管间距对椭圆管换热器换热及阻力性能的影响
• 8.4 不同管截面形状的波纹翅片换热器流动与换热特性比较
• 8.4.1 物理模型
• 8.4.2 数学描述
• 8.4.3 5 种换热器形式的模拟结果对比及讨论
• 8.5 本章小结
• 9 结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 论文的创新点
• 9.3 论文工作的不足及后续工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果