（工程热物理专业论文）co2气体冷却器的优化研究.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。本文以c 0 2 制冷剂跨临界循环系统中的主要设备一气体冷却器作为研究对象，通过理 论分析、数值计算和实验研究相结合，进行优化研究。 分析了超临界c 0 2 的物性特点和不同条件对超临界c 0 2 管内对流换热时影 响。 整理了超临界c 0 2 换热关联式、压降关联式、润滑油的物性关联式以及水的 换热关联式、压降关联式，运用动量平衡方程式建立了管内c 0 2 p a g 混合物的两 相流的环状模型；为计算换热管内壁油膜厚度，建立了c 0 2 套管式气体冷却器中 超临界c 0 2 p a g 混合物的冷却换热模型。 通过运用冷却换热模型进行数值计算，计算出管内油膜厚度分布。在沿程换 热段内，润滑油厚度处于不断增大的过程。含油量升高，气体冷却器的换热能力 有很大的下降。 分别从不同条件下，更加深入地分析了在c 0 2 套管式气体冷却器中，润滑油 的厚度变化情况、c 0 2 压降的变化情况、气体冷却器换热能力的变化情况。 通过润滑油油膜厚度测量的实验，实测了润滑油在c 0 2 气体冷却器中的厚度 情况。 建立c 0 2 气体冷却器实验系统。对内管为螺旋式的三通道c 0 2 套管式气体冷 却器进行结构改造。通过进行实验，实验结果表明，改进后的内管为螺旋式的三 通道c 0 2 套管式气体冷却器的换热性能要好于内管为单管的c 0 2 套管式气体冷却 器，其经济性也较好。 关键词：超临界c 0 2c 0 2 p a g 混合物油膜厚度气体冷却器 a b s t r a c t t h en a t u r a lr e f r i g e r a n tc 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 yh a sab r o a dp r o s p e c t i nt h i st h e s i s ，a st h em a j o re q u i p m e n to ft h ec i r c u l a t o r ys y s t e mo fc 0 2t r a n s c r i t i c a l c y c l e ，g a sc o o l e ri sr e s e a r c h e dt o f i n dw a y st oo p t i m i z eb ym e a n so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h y s i c a lp r o p e r t yo fs u p e r c r i t i c a lc 0 2i sr e s e a r c h e d ，a sw e l l a st h ei n f l u e n c e w h i c hm a n yf a c t o r sh a v eo nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f s u p e r c r i t i c a ic 0 2d u r i n gt h ep r o c e s so f h e a tc o n v e c t i o n t h eh e a tt r a n s f e ra n dp r e s s u r ed r o pc o r r e l a t i o n so fs u p e r c r i t i c a lc 0 2a r es o r t e d o u t ，a sw e l la st h a to fw a t e r t h ep h y s i c a lp r o p e r t yc o r r e l a t i o n so fl u b r i c a t eo i la r e s o r t e do u t m o m e n t u me q u a t i o ni su s e dt ob u i l dt h ec i r c l em o d e lo ft w op h a s ef l o wo f c 0 2 p a gm i x t u r e ；h e a tt r a n s f e rm o d e li sb u i l ti nd o u b l ep i p eg a sc o o l e rb yt a k i n g a c c o u n to ft h eo i lf i l mi nt h ei n t e r n a lt u b e i nt h et u b e ，o i lf i l mt h i c k n e s si sm o r e t h i c k e ra n dt h i c k e r t h eo c ri sb i g g e r , t h eh e a tt r a n s f e ri sl e s sb a d l y t h eh e a tt r a n s f e rm o d e li su s e dt oc a l c u l a t et h eo i lf i l mt h i c k n e s sa n dd i s t r i b u t i o n a l o n gl e n g t ho ft u b e i ti s a l s ot a k e nc h a r g e do ft od e e p l yr e s e a r c ht h et r e n do f e q u i v a l e n t o i l f i l m ，a sw e l la st h a to ft h ep r e s s u r ed r o pa n dh e a t t r a n s f e ro f s u p e r c r i t i c a lc 0 2b ym a n yf a c t o r s a n dt h e n ，t h et r e n do ft h eh e a tt r a n s f e ri nt h e d o u b l ep i p eg a sc o o l e ri sr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n to fm e a s u r e m e n ti no i lf i l mt h i c k n e s si sd e s i g n e da n dc a r r i e do u t t h eg a sc o o l e re x p e r i m e n ts y s t e mi sb u i l t t h es t r u c t u r eo ft h eg a sc o o l e rw i t h t h r e ei n t e r n a ls c r e w e dc o p p e rt u b e si sm o d i f i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h i s p e r f o r m e d i ti sf o u n d t h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wg a sc o o l e ri se n h a n c e d ，a n di t s e e o n o m i c a le f f i c i e n c yi ss a t i s f i e d k e yw o r d s - s u p e r c r i t i c a lc 0 2 ，c 0 2 p a gm i x t u r e ，o i lf i l mt h i c k n e s s ，g a sc o o l e r n 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，也不包含为获得丞洼太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：张崤 签字日期：如叩年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼盍堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太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：张黼 导师签名： 签字日期：姗7 年月3 日 签字日期：乜哆年多月乡日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 长时间以来，人类以牺牲地球环境和大量消耗不可再生能源作为代价， 使整个人类社会得到很大发展。然而，作为惩罚，恶化的环境也用频繁的 灾害来不断警告人类，要善待地球。同时，不可再生能源的大量减少，也 时时提醒人类要重视能源的充分利用以及新能源的开发。 1 1 1 臭氧层保护 自然界中的臭氧，大多分布在距地面2 0 k m - - 5 0 k m 的大气中，我们称之 为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道，太阳光 线中的紫外线分为长波和短波两种，当大气中( 含有2 1 ) 的氧气分子受 到短波紫外线照射时，氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强， 极易与其他物质发生反应。如与氢反应生成水，与碳反应生成二氧化碳。 同样的，与氧分子反应时，就形成了臭氧。臭氧形成后，由于其比重大于 氧气，会逐渐的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着温度的变化( 上 升) ，臭氧不稳定性愈趋明显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为氧。 臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。 氟利昂到达大气上层后，在紫外线照射下分解出自由氯原予，氯原子与 臭氧发生反应，使臭氧分解。由于氯原子在发生上述反应后能重新分解出 来，所以高空中即使有少量氯原子，也会使臭氧层受到严重破坏。据分析， 平流层中的臭氧减少1 ，到达地面的紫外线强度便增加2 。据估计，由 于人类活动的影响，臭氧含量已减少了3 。到2 0 2 5 年，有可能会减少1 0 。臭氧层的破坏将使紫外线等短波辐射增强，会导致皮肤癌患者增加， 同时对自然生态系统带来严重影响。维护臭氧层的平衡，已成为一个全球 性的环境问题。这是一个很重要的问题。 1 9 8 5 年，由联合国环境署发起的2 1 个国家的政府代表签署了保护臭 氧层维也纳公约，首次在全球建立了共同控制臭氧层破坏的一系列原则方 针。19 8 7 年9 月，3 6 个国家和l o 个国际组织的1 4 0 名代表和观察员在加 拿大蒙特利尔集会，通过大气臭氧层保护的重要历史性文件关于消耗臭 第一章绪论 氧层物质的蒙特利尔议定书。由于进步的科学研究显示大气臭氧层损耗 的状况更加严峻，1 9 9 0 年通过关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书 伦敦修正案，1 9 9 2 年通过了哥本哈根修正案，其中受控物质的种类再次扩 充，完全淘汰的日程也一次次提前，缔约国家和地区也在增加。到目前为 止，缔约方已达1 6 5 个之多，反映了世界各国政府对保护臭氧层工作的重 视和责任。联合国环境署还规定从1 9 9 5 年起，每年的9 月1 6 日为“国际 保护臭氧层日”，以增加世界人民保护臭氧层的意识，提高参与保护臭氧层 行动的积极性。 我国政府和科学家们非常关心保护大气臭氧层这一全球性的重大还进问题。 我国早于1 9 8 9 年就加入了保护臭氧层维也纳公约，先后积极派团参与了历次 保护臭氧层维也纳公约和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书缔约国 会议，并于1 9 9 1 年加入了修订后的关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书。 我国还成立了保护臭氧层领导小组，开始编制并完整了中国消耗臭氧层物质逐 步淘汰国家方案。根据这一方案，我国已于1 9 9 9 年7 月1 日冻结了氟利昂的生 产。并于2 0 10 年前全部停止生产和使用所有消耗臭氧层物质【2 1 。 1 1 2 节能减排 在大气中有些含量十分微小，却会对气候造成相当程度影响的气体， 这些气体擅长吸收长波辐射但不吸收短波辐射，它们允许约5 0 太阳短波 辐射能量穿过地球大气，这些能量会被地表吸收；地表在吸收这些能量后， 本身会放出长波辐射，但这些由地表或大气放出的长波辐射却会被上述气 体吸收，并且再将之放射出来，使得地表及对流层温度升高。在夜晚，这 些气体继续放射长波辐射，地面就不会因为缺乏太阳的加热而变得太冷。 因此我们称这些气体为“温室气体 ，它们的影响则称为“温室效应”。 温室气体占大气层不足1 。其总浓度要看各“源”和“汇”的平衡结 果。“源”是指某些化学或物理过程使得温室气体浓度增加，相反，“汇一 是令其减少。人类的活动可直接影响各种温室气体的“源”和“汇，从而 改变其浓度。大气层中主要的温室气体有二氧化碳，甲烷，一氧化二氮， 氟氯碳化物、全氟碳化物、氢氟碳化物，含氯氟烃及六氟化硫及臭氧。大 气层中的水汽虽然是天然温室效应的主要原因，但普遍认为它的成分并不 直接受人类活动所影响。水汽所产生的温室效应最大，占整体的温室效应 的6 0 7 0 ；其次是二氧化碳，约占2 6 ；其他气体还有臭氧、甲烷、 一氧化二氮、氟氯碳化物、全氟碳化物和氢氟碳化物，含氯氟烃及六氟化 硫等。有数据表明：近年来大气中甲烷的含量不再上升，而大气中最重要 2 第一章绪论 的温室气体，二氧化碳的排放却难以控制，目前仍呈上升势头【3 1 。 表1 1 人类活动产生温室效应的气体3 1 人类活动 产出气体 石油、煤等石化燃料的燃烧 农业活动 工业制成品 物质燃烧 工厂、汽车排放的氮氧化合物及 碳水化合物经过光所合成 二氧化碳( c 0 2 ) 甲烷( c h 4 ) 、氮氧化合物( n o 。) 氟氯碳化物( c f c ) 氮氧化合物( n o x ) 臭氧( 0 3 ) 表1 2 不同的气体对于温室效应增温效果【3 1 气体 增温效应( 以二氧化碳作为基准) 二氧化碳( c 0 2 ) 甲烷( c h 4 ) 氮氧化合物( n o x ) 臭氧( 0 3 ) 氟氯碳化物( c f c ) 1 1 0 l o o 1 0 0 0 1 0 0 0 0 为了2 l 世纪的地球免受气候变暖的威胁，在全球变暖的警钟声中，1 9 9 2 年各国政府通过了联合国气候变化框架公约。公约旨在避免“危险的气 候变化 。1 9 9 7 年1 2 月，1 4 9 个国家和地区的代表在日本东京召开联合 国气候变化框架公约缔约方第3 次会议，经过紧张而艰难的谈判，会议 通过了旨在限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖的京都议定 书。它被公认为国际环境外交的里程碑，是第1 个具有法律约束力的旨在 防止全球变暖而要求减少温室气体排放的条约。中国于1 9 9 8 年签署京都 议定书，并于2 0 0 2 年核准了议定书。作为一个发展中国家，中国的排放 量不受条约的法律性约束。不过，中国对议定书的支持以及其在国内的努 力，表明中国作为一个负责任的大国对该问题的重视1 4 。 同时，我国又是个能源消耗大国，在不断推进的工业化和城市化进程中， 能源问题愈来愈成为我国经济发展和社会进步的“瓶颈。我国经济发展对 能源依赖度较大，提高能源利用效率的任务十分艰巨。改革开放以来，由 于国家大力加强能源的利用效率，减少能源的过度浪费，我国的单位g d p 能耗总体呈现下降趋势。但是，我国的经济增长大部分依靠重工业的快速 第章绪论 发展，虽然单位能耗下降，但消耗总量依然巨大，与国际先进水平相比， 还存在很大差距。据统计，我国的工业部门每年多用能源约2 3 亿吨标准煤。 如何提高能源利用效率、缓解能源供给的紧张局面，是实现经济可持续发 展中所要解决的首要问题。 我国能源利用效率低下的主要原因是能源结构的不合理、装备及开发技 术落后、能源管理水平较低以及粗放型的经济增长方式。因此，应大力发 展高新技术产业和服务业，严格限制高耗能、高耗材、高耗水产业发展， 淘汰落后产能，促进经济发展方式的根本性转变，加快构建节能型产业体 系。全面提高能源效率，是解决能源发展主要矛盾的根本性举措，是节能 的重要的方面”j 。 环保和节能是2 l 世纪科学技术发展的两大议题。结合本学科所研究的 制冷空调和热泵系统的特点，制冷剂的替代和系统的节能这两方面的研究 尤为重要。 1 2 自然工质c 0 2 的发展及应用 1 2 1 制冷剂替代 本世纪3 0 一4 0 年代，c f c s 和h c f c s 制冷剂一经出现，就能够淘汰c 0 2 等 老式制冷剂，迅速占领大部分市场，关键在于在经过了广泛的物性测试后， 以“安全无毒性作为其优点的有力证据下才开始投入使用的。但到了本 世纪8 0 年代末9 0 年代初，5 0 年的使用却产生了足够的证据表明其所谓的 “安全无毒性”是错误的。这不仅在于许多人在一些特定的空间因c f c s 或 h c f c s 而窒息死亡，其他人则受到其分离产物的伤害。也在于对大气臭氧 层的损害最终导致了“蒙特利尔公约”对c f c s 及h c f c s f l i i j 冷剂的全面禁用。 现在采用新一代h f c s 类替代工质来代替c f c s 及h c f c s ，也许会由于 同样原因导致同样结果。因为，这样做的后果必然会导致每年有百万吨这 种复合化学物质持续排放到大气中去，其中当然包含着会对环境产生不可 预见影响的潜在风险。甚至最精细的测试和评估手段也不能确切指出新化 合物对人类及地球产生的这种未知影响，再加上所有的不确定因素，新型 的h f c s 类替代工质的推广无疑会导致更加令人意外又更加难以克服的严 重的问题。此外，由于h f c s 类物质不含氯，其在现有系统中的应用有一个 重要问题，即与传统的矿物油不相溶，润滑性不能保证。因此实际应用中， 虽然有些混合物已得出与原制冷剂相近的制冷量，但由于其必须开发新型 第一章绪论 润滑油，所以严格说来，不算直接替代物。 1 2 2 自然工质替代 由于目前国际上对环保问题的普遍关注，要求制冷机对环境无直接影 响，全面为环境所接受的呼声越来越高，这自然将人们的注意力引向自然 工质。因为自然工质是地球生物圈的一部分，对环境不会产生负作用。在 各种不同的自然工质中，一批具有特定的物理性质的物质，如水、空气、 氦、氮、碳氢化合物、氨和二氧化碳等都大量存在且均可作为制冷剂。低 沸点物质，即氦、氮和甲烷在低达1 2 0 的深冷和气体液化等应用中被广泛 采用。水是用作高温热泵的理想介质，但由于需要过分庞大的体积，所以 溴化锂吸收式制冷机组外，在制冷行业并未得到推广使用。 实际上，上述几种自然工质由于其热力学性质、输运性和安全性等的 不同，其应用领域也有所不同。以下仅对本文的研究对象一c 0 2 的情况作一 介绍。 1 2 3c 0 2 制冷剂的发展 作为制冷剂，在1 9 世纪末至2 0 世纪3 0 年代前c 0 2 ( r 7 4 4 ) ，氨( r 7 1 7 ) ， s 0 2 ( r 7 6 4 ) ，氯甲烷( r 4 0 ) 等曾被广泛应用。由于上述c 0 2 之外的工质都有毒 性或可燃性，无毒不燃的c 0 2 在民用和船用制冷等方面有其不可替代的优 势。 1 9 3 1 年，以r 1 2 为代表的c f c s 制冷剂一经开发，便以其无毒、不可燃、 不爆炸、无刺激性，适中的压力和较高的制冷效率，很快取代了c 0 2 在安全 制冷剂方面的位置。c 0 2 逐渐消声匿迹，r 1 2 逐步开始大规模的生产和应用。 8 0 年代中期，r 1 2 的世界年产量近1 0 0 万t ，但以其为主的c f c s 被确 认为是破坏臭氧层的元凶后，其生产和应用已被逐渐停止。面对因c f c s 制 冷工质散发而引起的环境问题，世界各国的科学家都在进行着包括混合工 质在内的替代工质研究，国内不少科研人员也在进行这方面的研究并已取 得一定的成果。以r 1 3 4 a 为代表的h f c s 作为r 1 2 的替代物，开始被大规 模生产，将成为制冷剂的主角。 研究表明，含氯不多或是完全不含氯的烃类化合物h f c s ，一般会与o h 基因反应，在对流层中的寿命较短，不直接对臭氧层造成威胁。但是这些 分子结构中特有的c h 键会吸收8 1 2 1 x r l l 的光辐射，仍然是潜在的温室气 体。从分子角度看，各种h f c s 的温室效应是c 0 2 的l0 0 0 2 0 0 0 倍，大量生 产和应用h f c s 必将加速全球变暖的趋势。 第一章绪论 在此背景下，欧洲从9 0 年代起率先发起使用“自然制冷工质的运动， 前国际制冷学会主席，挪威的g l o r e n t z e n 等人在1 9 8 9 - - 。1 9 9 4 年发表多篇 论文，大力提倡使用自然制冷工质，包括氨，碳氢化合物和c 0 2 。他认为c 0 2 是“无可取代的制冷剂”，可望在汽车空调和热泵等领域得到使用，从此在 全球范围内开始了c 0 2 再开发的应用与研究1 6 j 。 二氧化碳无毒、不可燃，产量丰富，价格低廉，是自然界天然存在的物质。 它的臭氧层破坏潜能指标( o d p ) 为零，其温室效应潜能极小( g w p = 1 ) 。除了环 境方面的友好性外，与其他制冷剂相比较还具有优良的热物理特性。c 0 2 的表面 张力小，有利于汽泡的形成，因此可导致更高的沸腾换热系数。c 0 2 粘度很小如 0 时c 0 2 饱和液体的粘度只有r 1 2 的4 9 ，c 0 2 饱和蒸汽的运动粘度仅为r 1 2 的2 3 8 。这样当c 0 2 沿管道流动时压损不会太大，同时c 0 2 液气密度比较小， 这意味着在沸腾过程中有更低的制冷剂加速度，也即有更低的压降。 表1 3 几种制冷剂的性能比较 概括起来讲，c 0 2 4 冷剂应用的领域有三个方面：( 1 ) 在汽车空调中的 应用；( 2 ) 在各种热泵中的应用，尤其是在热泵热水器方面的应用；( 3 ) 在复叠式制冷系统中的应用。 天津大学热能研究所马一太教授带领的课题组，从1 9 9 7 年起，在理论 分析和实验研究的基础上，提出了提高c 0 2 制冷剂跨临界循环热泵效率的方 法，对系统在高压下运行时，保证其可靠性及安全陛的技术措施进行了全 6 第章绪论 面的研究，并对c o z 制冷剂跨临界循环系统中的主要设备进行了优化分析 1 3c 0 2 气体冷却器的研究 作为自然制冷剂，二氧化碳不存在温室效应与臭氧层破坏能力，凼此 引起了人们极大的兴趣。为了提高循环效率，二氧化碳制冷系统基本上采 用跨临界循环方式高压侧的放热在超临界条件下进行。二氧化碳跨临界 循环与常规制冷循环的最大区别在于：该循环的放热过程处于超临界区， 而常规制冷循环的放热过程在亚临界区。由于放热过程无相变发生，此过 程的换热器不再称为冷凝器而称作气体冷却器。 从文献【7 ，8 】可以看到，气体冷却器对于提高c 0 2 跨临界循环系统的性能 起着很重要的作用。一是对系统制冷量的影响，可通过降低气体冷却器出 ! z l 温度来使系统的制冷量达到最大；二是可以通过降低最优高压侧压力来 减少压缩机的耗功。系统韵c o p 对气体冷却器的出口温度非常敏感。在实际 循环中，气体冷却器的出口温度随不同的操作条件而变化，但是可以通过 优化设计使之与冷却介质的入口温度比较接近，这样将对其换热性能有很 大提高。 c 0 2 气体冷却器主要有2 种类型：一是用空气冷却，一般用于汽车空调、 家用空调等方面：另一种是用水冷却，主要是套管式和壳管式两种类型的 换热器常用于热泵热水器。 图l 一2c 0 2 热泵热水器中2 种c 0 2 一水气体冷却器9 】 1 9 9 0 1 9 9 1 年国外首次研制出汽车用气体冷却器，这种铝制管翅式 换热器的管外径和内径分别为49 r a m 、34 r a m 。由于存在热短路问题，并且 没有考虑虽小爆裂压力，1 9 9 4 年叉提出了第二代管翅式气体冷却器模型， 所用管内外径分别为2o m m 、32 r a m ，符合最小爆裂压力要求。但由于小直 第一章绪论 径管存在机械涨管问题，进而又提出了平行流或多通道换热器的概念。 近年来- 对二氧化碳气体冷却器的结构不断优化。文献 1o ，1 1 用有限 元方法对c 0 2 空气冷却器进行了分析，井提出两个气体冷却器的设计概 念：多管程单板交叉流式和单管程多板逆流式换热器。 ( b ) 徽通道管截面圈 图i - 3 多管程单板交叉流式气体冷却器及张通道管截面示意 飞 赣鲻 第一章绪论 圈卜4 单管程多板逆流式气体冷却器m l 对于c 0 2 气体冷却器现在多采用微通道平行流式换热器微通道的管径 一般在08 r a m 左右，该种型式的气体冷却器体积小，质量轻，传热系数高 具有较好的应用前景。 图1 - 5 微通道平行流式气体冷却器截面” 在利用计算机进行仿真研究方面，文献 1 2 】中建立了风冷气体冷却器的模 型，文献【l 习中建立了水冷气体冷却器的模型文献【1 4 申建立了微通道气体冷 却器分布参数模型。不同的系统，所建立的模型不同，参数的选取不同，所用换 热关联式也存在差别并且模拟计算和优化的目标不同。所咀，针对某一个特定 的系统进行模拟计算和优化设计是很必要的。 1 4 本课题的研究内容和意义 1 4 1 主要研究内容 ( i ) 分析超临界c 0 2 的物性特点和不同条件对超i 晦界c 0 2 管内对流换热时影响。 ( 2 ) 整理相关的关联式，建立了c 0 2 套管式气体冷却器中超临界c 0 2 p a g 混合 物冷却换热模型。 ( 3 ) 通过实验，测量润滑油在c 0 2 气体冷却器中的厚度。 ( 4 ) 建立c 0 2 气体冷却器实验系统。对气体冷却器进行结构改造，通过实验进 行研究。 1 4 2 研究目的和意义 c 0 2 作为一种绿色环保的自然工质有者远大的发展前景和应用价值。通过对 第一章绪论 c 0 2 气体冷却器进行优化研究，有助于提高c 0 2 跨临界制冷循环的效率，节约能 源，实现经济和社会的可持续性发展。 1 。5 本章小结 本章从臭氧层保护和节能减排出发，阐述了当前制冷剂替代和系统节能研究 的重要性；介绍了c 0 2 制冷剂的发展，阐述了c 0 2 作为制冷剂，它的臭氧层破坏 潜能指标( o d p ) 为零，其温室效应潜能极小( g w p = 1 ) 。因此具有环境方面 的友好性，同时与其他制冷剂相比较它还具有优良的热物理特性；在系统 节能方面，本文主要是研究c 0 2 制冷剂跨临界循环系统中的主要设备一气体 冷却器，通过对c 0 2 气体冷却器进行优化研究，提高其换热性能；介绍了c 0 2 气体冷却器国内外研究进展及应用。 1 0 第二章超临界c o ：的热力学分析 第二章超临界c 0 2 的热力学分析 2 1 超i 临界c 0 2 的物理性质 二氧化碳的临界压力为7 3 8 m p a ，临界温度为3 1 1 。图2 2 图2 4 分 别给出了在超临界压力下，比热、密度以及普朗特数随温度的变化趋势。 由图2 2 ，比热在温度不断升高的过程中有一个较大幅度的陡升和陡降，并 在某一温度时达到最大值。由图2 - 3 ，密度在温度不断升高的过程中在某一 温度下有一个较大幅度的陡降。由图2 4 ，普朗特数在温度不断升高的过程 中也有一个较大幅度的陡升和陡降，并在某一温度时达到最大值。因此， 超临界c 0 2 在临界点附近的一个重要特征是，热物理参数随温度的变化非常 剧烈，尤其在准临界点附近( 在给定压力下，比热达到最大值时所对应的温 度) 。l i a o 等1 1 5 拟合出了在不同超临界压力下，准临界温度的表达式： = - 1 2 2 6 + 6 2 4 p 一0 1 6 5 7 p 2 + o 0 1 7 7 3 p 2 一- 0 0 0 0 5 6 0 8 p 3 ( 2 - 1 ) p 图2 - 1c 0 2 的p v 图 v 线 第二章超临界c 0 2 的热力学分析 l，。，j。一一一 o 2 0 4 06 0 8 0 t ( ) 图2 2 超临界压力下比热随温度变化 1 2 0 0r 1 0 0 0 8 0 0 目 里6 0 0 q 4 0 0 2 0 0 o o 2 04 06 0 8 0 t ( ) 图2 3 超临界压力下密度随温度变化 1 2 7 1 0 8 主6 4 2 0 o2 04 06 0 8 0 t ( ) 图2 4 超临界压力下普朗特数随温度变化 1 2 朽筋嬲坫加0 o 一2)i一、f)l一厶u 第二章超临界c 0 2 的热力学分析 2 2 超临界c 0 2 流体管内对流换热的影响因素 2 2 1 高压侧压力的影响 超临界区c 0 2 物性随温度的异常变化，使得其换热也存在异常变化。由 图2 5 可以看出，在一定压力下，换热系数随c 0 2 温度的增加迅速上升，当 达到峰值后，又随温度的增加而下降，如图2 5 所示。这种变化趋势与图2 2 中比热的变化趋势相似。这表明，超临界c 0 2 的温度在准临界点附近对换热 性能的影响非常大。换热系数在准临界点附近达到最大。 随着高压侧压力的增大，准临界区温度范围增大，可从图2 2 、2 4 看出。 由图2 5 可以看出，换热系数的峰值随压力的增加而下降，这是由于比热随 压力的增加而下降( 见图2 2 ) 。随着压力的增大，换热系数的峰值所对应的 温度增大，并且换热系数随温度的变化趋势趋于缓慢。换热系数的峰值在 靠近准i 艋界压力时比较显著，这主要是由于c 0 2 的热物理参数在准临界点附 近变化比较剧烈。当压力接近准临界点时，换热系数的峰值达到最大；而 当温度远离准临界点时，压力对换热系数的影响减弱。 1 6 岔 垂 9 誓 薯 2 4 57 0 i ( 图2 - 5 高压侧压力对换热系数的影响o 】 2 2 2 质量流量的影响 由图2 - 6 可以看到，随着质量流量的增加，换热系数增大。当质量流量 相同时，换热系数存在最大值，出现在准临界温度处。 第二章超临界c 0 2 的热力学分析 钟 豁 盎翦 譬 名2 5 蓄2 0 1 5 l o 5 2 2 3 管径的影响 l o 2 0 3 04 0 5 0 6 07 0 8 09 0l o d f m 2 6 质量流速对换热系数的影响【1 6 】 由图2 7 可以看到，随着管径的增加，换热系数减小，当管径相同时， 换热系数存在最大值，出现在准临界温度处。 ；： 警 兰 2 2 4 润滑油的影响 f 图2 8 管径对换热系数的影响【1 6 1 在制冷热泵系统中，压缩机内通常添加微量的润滑油来促进润滑，加 强换热，减少压缩机的摩擦损失，防止泄漏，减少噪音，因此油膜必须达 到一定的厚度才能起到有效的润滑作用 1 7 1 【18 1 。而这部分微量润滑油在气体 冷却器中的c 0 2 侧换热表面形成一层油膜，在一定程度上恶化了气体冷却器 的换热性能。 1 4 第二章超临界c 0 2 的热力学分析 润滑油在制冷剂中的存在会影响c 0 2 气体冷却器的换热性能，主要有以 下三个原因： ( i ) 改变了制冷剂的导热热阻，增加了制冷剂与换热管内壁的换热热阻。 ( 2 ) 改变了制冷剂气、液相之间的平衡。 ( 3 ) 增加了制冷剂的压力损失，因为润滑油的粘度一般远大于制冷剂。 当超临界c 0 2 流体中含有润滑油时，其换热系数和压降的绝对值都有很大变 化。z i n g e r l i 和g r o l l l l 9 1 的研究发现管内换热系数最大值会减小，但其位置并不受 所加的少量润滑油的影响。即在含油和不含油情况下，换热系数的最大值都在准 临界温度处。当含油量增加时峰值将降低，峰值的降低幅度可超过5 0 。试验 表明5 的油浓度下换热系数平均降低2 5 ，而在2 的浓度时换热系数平均 降低1 5 。同时，加入少量的油将增大压降。 2 3 超i 临界c 0 2 换热关联式 p e t u h o v 根据计算分析，得出了常物性流体的换热关联式： 盹广一! 丝攀= i ( 2 - 2 ) m 广函瓦砸蔬万荷 应用范围 r e ，21 0 4 - - 。1 0 6 ，p r ，2 0 7 - 2 0 0 1 9 6 9 年，k r a s n o s h e c h e k o v 等人【2 0 1 研究了超临界c 0 2 在水平管中被冷却时的换 热性能，并根据实验数据得到了如下计算方程式。 n u 。，= n u 。( 风i p s ) ”( c 。c e 。) ” ( 2 - 3 ) 式中，批。以壁温为定性温度的计算值；n u 。用常物性方程( 2 - 2 ) 来计算， 并以壁温为定性温度；p ，是以流体的平均温度为定性温度计算的密度；c 。为比热； c 。表示平均比热，定义为： = _ h f h 。 c p5 可瓦 ( 2 3 a ) 适用范围是9 x 1 0 4 5 r e 届_ 3 2 x 1 0 5 以及6 3 x 1 0 4 _ r e w ：5 2 9 x 1 0 5 。由于但是c 0 2 的热 物理参数不够准确，所得到的换热关系式与实验结果存在较大的偏差，尤其在准 临界区附近。 1 9 7 6 年，g n i e l i s k i 2 1 】在p e t u h o v 关系式的基础上，结合大量试验数据，提出 了以下换热关联式： n：笪!墼二罂尘塑(2-4)u v = ；= = _ = ：一 1 2 7 4 f s ( p r 引3 一1 ) + 1 第二章超临界c 0 2 的熟力学分析 使用范围0 5 p r 2 0 0 0 ，2 3 0 0 r e 5 1 0 5 。此关联式计算的超临界c 0 2 换 热系数精度比其它关联式的高。 1 9 7 7 年，b a s k o v 等人【2 2 1 研究了超临界c 0 2 流体在竖直管内向上流动冷却时的 换热性能，所用实验管径为4 1 2 r a m 。他们发现实验数据低于关联式( 2 3 ) 的计 算值，这主要是由于实验管的方向不同所造成。因此根据实验数据提出了一个换 热关联式，与关联式( 2 3 ) 的形式相同，只是m 和n 的取值不同。 根据g n i e l i n s k i y 以及p e t r o v p o p o v 的关联式，f a n g 【2 3 】得到tc 0 2 气体冷却器的 管内换热模型。 批沪警墨笔黑( 1 - o 0 0 0 lq - ) ( 马 (2-5)8 ” 彳+ 1 2 7 ( ) 2 ( p r w 一1 ) 、 gc ，7 当r e ， l 时，玎= 0 9 4 l o 一( g 。g ) 式中，摩擦因子 ，用c h u r c h i l l l 2 4 1 推荐的公式计算；适用范围为3 0 0 0 r e 。，1 0 6 ， 一3 5 0 j k g q 。g 0 j k g 。 魏东1 2 5 1 通过大量实验数据进行整理和分析，得到了含润滑油的超临界c 0 2 在 气体冷却器中的换热准则关联式： n u ，= c n u 。( 蔓) ”( 丝) ” ( 2 6 ) c 即p w 式中，n u 。表示物性为常数似的努谢尔特数，采用d i t t u s b o e l t e r 关联式计算：c 、 m 、n 均为常数，可通过实验数据拟合的曲线来查取。公式适用范围： 1 0 4 r e 1 2 1 0 6 ，压力为6 5 m p a p l 。其关联式如下： n u f = r e ；5 5 p 犯等 p ( 2 9 a ) n u y = r e ；3 5 哟分6 ( 等矗4 弓 ( 2 _ 9 b ) 2 0 0 4 年，y ic h e i lc h o i 掣2 9 1 在水平管实验数据的基础上提出如下关联式： n u = 1 6 9 熹器器c 1 - 0 0 0 1 詈，c 协。， 热 - 8 i 8 ) 1 2 + ( 2 4 5 7 1 n 而靠) 1 6 + ( 普) 1 6 n 川2 当r e 。 l ，a = 0 14 ，b = 0 6 9 ，c = 0 6 6 ，n = 0 当t 1 3 ；对于芬芳烃化和物， k 1 0 。 t w u 提出了碳氢化合物的标准沸点计算公式，如下： 乃= e x p ( 5 7 1 4 1 9 + 2 7 1 5 7 9 p 一0 2 8 6 5 9 秒2 3 9 5 8 4 4 秒一0 1 2 2 4 8 8 秒2 ) ( 3 - 9 ) - - 2 4 7 5 2 2 8 + 3 5 3 1 5 5 0 2 】1 8 式中， 秒= l n ( m ) ，m 一分子量。 文献【4 8 】在g r a b o s k i 和m c c o r m i c k 给出的碳原子数为8 - 2 4 的脂肪酸甲基 脂的数据基础上，拟合出了标准沸点与碳原子数的计算公式，如下： 瓦= 2 1 8 4 9 i n ( g ) - 6 9 3 3 ( 3 1 0 ) 其中，e 一碳原子数。 通过了解润滑油分子结构及分子量来估算标准沸点的计算公式，比较适合估 算纯碳氢化合物的标准沸点。不过，压缩机润滑油一般是基础油和添加剂的混合 物。添加剂成分及物质性质一般被视为企业机密。所以其分子量、碳原子数和基 第三章c 0 2 气体冷却器中油膜厚度的模拟计算与实验测量 团数都难以确定，当量标注沸点也难以计算。但是这些润滑油密度和高温下的保 持时间可以通过实验手段获得。由此可见，估算润滑油标准沸点比较可行的方法 就是采用比重和其它已知的临界参数，再结合标准沸点计算公式来估算润滑油的 标准沸点。 3 1 3 临界温度 k e s l e r 和l e e ( 1 9 7 6 ) 4 9 1 ，提出了一个临界温度与标准沸点和比重的计算公式，如 下： 乏= 1 8 9 8 + 4 5 0 6 s + ( o 4 2 4 4 + o 1 1 7 4 s ) t b + ( o 1 4 4 l - 1 0 0 6 9 s ) 。= ( 3 1 1 ) 1 r 口 6 t w u 5 0 1 提出了碳氢化合物的临界温度z 的计算公式，如下： 驴瓢n 5 3 3 黧：础3 i x l 0 - 3 t b + 2 1 3 、5 2 1 6 1 7 1 旷2 ( 3 - 1 2 ) - 1 6 5 8 4 8 x 1 0 - 1 0 砰+ 4 6 0 7 7 4 x 1 0 2 4 z ”) 1 n o k a y ( 1 9 5 9 ) 1 5 1 提出了一个纯碳氢化合物的临界温度与标准沸点和比重的 计算公式，如下： 乃= 1 5 2 7 6 2 s 0 2 9 8 5 瓦n 6 2 1 “ ( 3 1 3 ) m l h u b e r t 5 2 1 运用基团贡献法计算, 9 , p o e 的临界参数，并在计算结果的基础 上拟合出了临界温度与分子量的计算公式： z = 2 9 4 2 + 1 1 7 7 m 一0 5 x 1 0 - 3 m 2( 3 1 4 ) 3 1 4 临界压力 t w u l 5 0 】也提出了临界压力与标准沸点温度，临界温度的计算公式，如下： = 【1 0 + 0 3 1 2 ( 1 一瓦乏) “2 + 9 1 ( 1 一瓦i t ) ，2l + 9 4 4 1 7 ( 1 一互t ) 2 + 2 7 1 7 9 3 ( 1 一五i r a 3 】2 k e s l e r 和l e e ( 1 9 7 6 ) 1 4 9 提出了临界压力与比重和标准沸点的计算公式，如下： l n 只= 1 7 2 0 1 9 + 0 0 5 6 6 s 一一( 0 4 3 6 4 + 4 1 2 1 6 s 1 + 0 2 1 3 4 3 s - 2 ) 1 0 - 3 瓦+， 、 p， ，、 ( 4 7 5 7 9 + l1 8 1 9 s - 1 + 1 5 3 0 2 s 2 ) 1 0 - 7 正2 一( 2 4 5 0 5 + 9 9 0 0 9 s - 2 ) 1 0 - i o z 3 j-0i， 3 1 5 分子量 k e l s t e r 和l e e 4 9 1 提出了分子量和标准沸点的计算公式，如下： m = - 1 2 2 7 2 6 + 9 4 8 6 4 s + ( 8 3 7 4 1 - 5 9 9 1 2 s ) 瓦+ ( 0 5 5 5 5 6 0 4 2 8 2 4 s 一0 0 11 4 3 3 s 2 ) ( 1 3 4 3 7 4 0 0 4 3 t h 一1 ) 1 0 7 瓦一+ ( o 1 7 1 5 - 0 1 3 8 7 s + o 0 0 3 3 1 7 s 2 ) x ( i 8 8 2 8 - 1 0 1 1 瓦一) 1 0 1 2 瓦弗 ( 3 1 7 ) t a k a i s h i 和o g u c h j l 5 3 】用( 3 1 7 ) 对p o e 基础油的分子量进行了计算，结果3 2 4 第三章c 0 2 气体冷却器中油膜厚度的模拟计算与实验测量 与他们给定的实际值6 1 0 偏差较大。 k i i