单管中超临界CO2换热特性研究

论文摘要

氟利昂类制冷剂具有良好的热力性能、输运性能和安全性能,以及与制冷设备中的润滑油和材质具有良好的兼容性,使其在制冷和空调领域得到非常广泛的应用。但是氟利昂的泄露导致臭氧层空洞和温室效应。鉴于此,专家们提倡使用自然工质作为制冷剂,重新启用了二氧化碳作为制冷剂。1992,前制冷协会主席Lorentzen分析了二氧化碳作为制冷剂采用跨临界循环方式的可行性。目前,这种循环方式已成为国内外研究的重点和热点,且采用二氧化碳跨临界循环方式已经在汽车空调、热泵领域得到了应用。但是对于CO2在空调系统中和热泵过程中的换热机理尚未清楚。尤其是二氧化碳达到超临界状念时,对流换热机理非常复杂,即使在相同的工况之间,一个微小变化也会导致二氧化碳流体对流换热的差异。本文以超临界二氧化碳为研究对象,对其在水平单管和竖直单管中向下流动（顺流）和向上流动（逆流）做了数值模拟研究。主要研究内容有以下几个方面:（1）分析影响超临界二氧化碳换热的因素有质量流、流动方向、管径、重力等等,但归根到底是由于流体物性参数变化引起的,因此采用了Refprop7.0计算了二氧化碳在相同压力7.5MPa下,不同温度下CO2流体的比热、黏度、导热系数和密度。（2）把计算参数值拟合回归成曲线函数导入CFD-Fluent模拟,采用定壁温冷却的对流换热情形,在整个模拟过程中主要考虑了重力、流体入口温度、不同单管管径和不同质量流入口4种影响因素对超临界二氧化碳在单管中流动换热的影响。（3）计算出超临界CO2流体对流换热的平均努谢尔数和不同管长与管径比处局部努谢尔数,比较努谢尔数的大小,得出在相同条件下的最佳流体入口温度、最佳单管管径和最佳质量流以及得出超临界CO2流体在冷却对流换热的强烈程度与流体特征温度的关系;同时计算局部努谢尔数与三种关联式计算值相比得,陶宇兵推荐的关联式与文中的计算值误差较小。（4）水平单管换热比竖直单管换热剧烈;竖直单管顺流换热比逆流换热剧烈。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 2冷剂研究背景和制冷领域的应用'>1.1 CO₂冷剂研究背景和制冷领域的应用
• 1.1.1 研究背景
• 2在空调领域的应用及其优势'>1.1.2 CO₂在空调领域的应用及其优势
• 2换热特性国内外研究现状'>1.2 CO₂换热特性国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内研究状况
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 超临界二氧化碳换热的理论基础
• 2.1 超临界流体的概念
• 2.2 超临界二氧化碳的性质
• 2密度的性质'>2.2.1 CO₂密度的性质
• 2热扩散性质和黏度'>2.2.2 CO₂热扩散性质和黏度
• 2极性与介电常数'>2.2.3 CO₂极性与介电常数
• 2表面张力'>2.2.4 CO₂表面张力
• 2.3 超临界二氧化碳管内流动的物理模型
• 2.4 对流换热的基本概念
• 2.4.1 牛顿冷却公式及影响对流换热的因素
• 2.4.2 公式定义
• 2流体单管中流动换热的影响因素分析'>2.5 超临界CO₂流体单管中流动换热的影响因素分析
• 2.5.1 压力的影响
• 2.5.2 流体流动方向的影响
• 2.5.3 管径和浮升力的影响
• 2.5.4 润滑油的影响
• 2.5.5 质量通量密度的影响
• 2.5.6 热流密度的影响
• 2.5.7 流体受热方向的影响
• 2.6 研究二氧化碳对流换热问题的方法和数学描述
• 2.6.1 研究对流换热的方法
• 2.6.2 对流换热问题的数学描述
• 2.7 超临界二氧化碳换热关联式
• 2.8 本章小结
• 第三章 数值计算模型与边界条件的确定
• 3.1 数值计算条件的确定
• 3.2 拟合曲线函数误差分析及曲线函数分析软件确定
• 3.3 数值模拟方法
• 3.4 选择压强-速度关联算法
• 3.5 数值模型方程
• 3.6 边界条件的确定
• 3.7 本章小结
• 第四章 不同温度入口对二氧化碳单管流动换热影响
• 4.1 水平管不同温度入口对超临界二氧化碳换热的影响
• 4.1.1 不考虑重力对二氧化碳单管内换热影响（without gravity）
• 4.1.2 重力对水平管流动换热的影响（with y-gravity）
• 2对竖直管换热的影响'>4.2 不同温度入口对超临界CO₂对竖直管换热的影响
• 4.2.1 竖直向下流动—顺流（Downward Flow）
• 4.2.2 垂直向上流动—逆流（Upward Flow）
• 4.3 本章小结
• 第五章 管径大小对二氧化碳单管流动换热的影响
• 5.1 管径大小对超临界二氧化碳在水平管流动换热的影响
• 5.1.1 不考虑重力对二氧化碳管内流动换热的影响（without gravity）
• 5.1.2 重力对二氧化碳在水平单管流动换热的影响（with y-gravity）
• 5.2 管径大小对超临界二氧化碳在竖直管流动换热的影响
• 5.2.1 竖直向下流动—顺流（Downward Flow）
• 5.2.2 垂直向上流动—逆流（Upward Flow）
• 5.3 本章小结
• 第六章 流量大小对二氧化碳单管流动换热的影响
• 6.1 流量大小对超临界二氧化碳在水平管流动换热的影响
• 6.1.1 不考虑重力对二氧化碳水平单管流动换热的影响（without gravity）
• 6.1.2 重力对二氧化碳水平单管内流动换热的影响（with y-gravity）
• 6.2 管径大小对超临界二氧化碳在竖直单管内流动换热的影响
• 6.2.1 竖直向下流动—顺流（Downward Flow）
• 6.2.2 垂直向上流动—逆流（Upward Flow）
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录:作者在攻读硕士学位期间的学术成果